Gilt es, Energie aus einer regenerativen Quelle zu speichern, erweist sich die Kombi aus einer Brennstoffzelle und dem RasPi als ideale Lösung.
Alternative Energiequellen sind in aller Munde, Solarmodule auf dem Dach sieht man ebenso häufig wie Windräder. Allerdings erzeugen solche Energiequellen nur zu bestimmten Zeiten am Tag Leistung – und oft sogar viel mehr, als man aktuell verbrauchen kann. Man muss sich also etwas einfallen lassen, um die überschüssige Energie zu speichern.
Eine sehr interessante Möglichkeit zum Speichern von Energie bietet die Verwendung von Wasserstoffbrennstoffzellen. Im Folgenden sehen wir uns an, wie eine solche Brennstoffzelle arbeitet, und überwachen ihre Betriebswerte mit dem Raspberry Pi.
Als Basis für unsere Versuche nutzen wir die Fischertechnik-Baukästen Oeco Energy [1] und Fuel Cell Kit [2]. Beide zusammen kosten bei Amazon etwa 130 Euro; andere Versandhändler bieten die Kits hin und wieder deutlich günstiger an – hier lohnt ein Preisvergleich.
Zum Messen der Ströme und Spannungen verwenden wir das I2C-Modul aus Teil 23 unserer I2C-Serie, den Sie in der Rubrik “Know-how” in dieser Ausgabe finden. Der Beitrag erklärt das Modul INA3221 ausführlich.
Brennstoffzellen
Bei einer Wasserstoffbrennstoffzelle handelt es sich streng genommen nicht um einen Energiespeicher, sondern um ein Gerät zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff. Diese beiden Gase werden in der Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt, quasi verbrannt.
Das Speichern der Energie erfolgt über den Umweg des Erzeugens von Wasserstoff, der sich einfach lagern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder in Strom umwandeln lässt. Verglichen mit Lithium-Ionen-Akkus, wie sie in Handys und Laptops zum Einsatz kommen, weist Wasserstoff eine deutlich höhere Energiedichte auf. Neben Wasserstoffbrennstoffzellen gibt es auch noch solche, die mit Methanol, Butan oder Erdgas arbeiten.
Brennstoffzellen verfügen über zwei über einen Elektrolyten verbundene Elektroden. Sie bestehen aus Metall oder Kohlenstoff mit einer katalytischen Beschichtung aus Platin oder Palladium. Der Wasserstoff wird an der Anode (Minuspol) zugeführt, der Sauerstoff an der Kathode (Pluspol).Theoretisch kann eine Wasserstoffbrennstoffzelle eine Spannung von bis zu 1,23 Volt erzeugen, in der Praxis liegen die Werte allerdings niedriger – zwischen 0,5 und 1 Volt.
Bei Brennstoffzellen gibt es keine beweglichen Teile, was sie besonders wartungsarm und absolut leise macht. Daher finden sie etwa Einsatz in der Raumfahrt oder beim Militär in U-Booten. Sie finden sich aber auch im Alltag, etwa in Pkws oder in Heizungen für Einfamilienhäuser. Aktuell bietet die KfW sogar eine recht attraktive Förderung für brennstoffzellenbasierte Heizsysteme an [3].
Grundsätzlich erzeugen Brennstoffzellen aus einem Gas und Luftsauerstoff elektrische Energie. Es gibt aber auch solche, die diesen Vorgang umkehren und mithilfe elektrischer Energie aus Wasser Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen können, sogenannte reversible Brennstoffzellen.
Die Wasserstoffbrennstoffzelle aus dem Fischertechnik-Experimentierkasten ist eine solche reversible Brennstoffzelle. Sie nimmt maximal 20 Milliliter Wasserstoff auf, gerade einmal ein Schnapsglas voll. Die Zelle liefert eine Ausgangsleistung von bis zu 300 mW und einen Ausgangsstrom von höchstens 600 mA; die Betriebsspannung liegt zwischen 0,5 und 0,9 Volt.
Im Einsatz als Elektrolyseur, also beim Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff, liegt die Betriebsspannung der Zelle dagegen bei 2 bis 3 Volt; der Strom kann dann bis zu 1,5 A ansteigen. Maximal liefert der Elektrolyseur 8 Milliliter Wasserstoff pro Minute.
Testaufbau
Unser Testszenario soll es ermöglichen, die Brennstoffzelle sowohl zu laden als auch zu entladen, um deren Funktionsweise zu zeigen. Den Aufbau aller Komponenten sehen Sie in Abbildung 1.
Abbildung 1: Der Testaufbau im Überblick: Die drei Solarpaneele rechts laden die Brennstoffzelle (Mitte), die dann das Riesenrad links antreibt.
Zum Laden der Brennstoffzelle nutzen wir die drei Solarzellen aus dem Oeco-Energy-Baukasten. Die Fischertechnik-Brennstoffzelle verträgt dabei Spannungen von 1,8 bis 3 Volt, ein Solarmodul liefert eine Spannung von maximal 1 Volt. In einem schummrigen Bastelkeller können Sie die Brennstoffzelle also mit allen drei Solarpaneelen aufladen, ohne dabei die maximale Betriebsspannung der Zelle zu überschreiten. Bei voller Sonneneinstrahlung geraten Sie allerdings mit den drei Paneelen an die Spannungsgrenze.
