Ein einfaches Experiment

Ein Brennstoffzellen-ähnliches System zur langfristigen Energiespeicherung / A semi-fuelcell system for energy storage
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case
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Ein einfaches Experiment

Beitrag von case » Mi 1. Aug 2012, 02:21

Hallo,

vor rund einem Jahr hab ich ein Experiment durchgeführt das verblüffend simpel ist. Seitdem war meine Begeisterung für die Zink-Luft Zelle geweckt und ich habe seither viele Infos dazu gesammelt.

Der Aufhänger für die ganze Sache aber war, das bei uns jeden Winter viel Asche in unserem Holzheizkessel anfällt, die ich später entsorgen muss. Ich dachte aber das das doch eigentlich ein interessanter Rohstoff wäre und man vielleicht etwas damit machen könnte. Aus der Erfahrung wusste ich, das Asche ein guter Dünger ist, weil viel Kalium enthalten ist. Ich hatte mal vor einigen Jahren Tomaten an einer Stelle gepflanzt, wo ich im Jahr zuvor einen großen haufen Stroh verbrannt hatte. Die Tomaten die ich später ernten konnte, waren fast so groß wie Melonen ;)

Leider hat die Verwendung als Dünger einen Haken: Durch den Verbrennungsvorgang reichern sich Schwermetalle an, also nichts, was man gern im gemüse haben möchte. :( OK, was könnte man sonst noch mit der Asche machen ? Seife. Aber wir verheizen jedes Jahr einige Tonnen Holz, wer braucht schon solche Mengen von Schmierseife ?

Ein anderer interessanter Ansatz basiert auf einer besonderen Eigenschaft von Kalilauge, der sogenannten Lösungsenthalpie. Wenn man nämlich Kalilauge verdünnt, dann wird Wärme freigesetzt. Dieses Prinzip wurde schon vor über hundert Jahren eingesetzt, um eine Lokomotive zu betreiben und ist heute fast völlig in Vergessenheit geraten. Wen es interessiert, der schaue unter http://de.wikipedia.org/wiki/Natronlokomotive , das am Ende dieses Artikels aufgeführte Buch von Christian Mähr besitze ich auch und kann es als spannende Bettlektüre sehr empfehlen.

Na, und über den Begriff Kalilauge stiess ich dann auch irgendwann auf die Zink-Luft-Batterie und die Sache einfach mal ausprobiert.
Der Versuchsaufbau geht wie folgt:

1. Ich nahm zunächst etwas Asche aus unserem Holzheizkessel, tat sie in ein kleines Plastikeimerchen und fügte etwas Wasser hinzu, so dass eine grau-braune Brühe entstand.

2. Dann stellte ich ein Stück verzinktes Blech hinein.

3. Dann stellte ich ein Stück Holzkohle zum Grillen hinein.

4. Messgerät drangehalten, und siehe da: Eine Spannung von ca. 650 mV war messbar, die stetig anstieg und sich dann auf ca. 0.93 V einpendelte.

Ich hab den Versuch jetzt nochmal wiederholt und bei der Gelegenheit gleich mal ein paar Bilder für Euch gemacht. Bin aber diesmal noch etwas gründlicher vorgegangen.

Diesmal nahm ich gleich eine größere Menge Asche und wog sie vorher auf genau 2 Kilo ab. Hinzu kamen 6 Liter Wasser. Die schmutzigbraune Brühe liess ich zwei Tage "ziehen" in der Hoffnung, dass sich die enthaltene Pottasche (Kaliumcarbonat) vielleicht noch etwas besser löst. Danach habe ich sie in einen Leinenbeutel gekippt, um den ganzen Dreck bzw. die festen Bestandteile rauszufiltern. Natürlich mit einem Eimer drunter.

Bild

Das Filtern klappte erstaunlich gut, die erhaltene Flüssigkeit war relativ klar und nur ganz leicht bräunlich.

Bild

Nun nahm ich folgende Zutaten:

* Die Flüssigkeit
* Ein Gefäss
* ein Stück verzinkten Stahl
* ein Stück Kohle
* ein paar Krokodilklemmen
* ein Messgerät

Bild

und machte wieder den gleichen Aufbau. Hier zunächst noch ohne die Flüssigkeit.

Bild

Kurz nach dem einfüllen: 450 mV.

Bild

Das ganze pendelte sich dann nach einer Weile bei 0.93 V ein und ging sehr viel später noch bis auf 0.98 V.

Bild


Soweit die Bilder. Später schreib ich noch ein paar Erläuterungen dazu.

Gruss, Oliver
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shure
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Re: Ein einfaches Experiment

Beitrag von shure » Mi 1. Aug 2012, 03:13

Wie hoch war denn der Kurzschlussstrom?

Ich glaub' Flüssigkeit (Elektrolyt) hast du genug ;) Mit Zink-Luft hat das aber nicht zu tun, oder? Das ist glaub ich eine einfache galvanische Zelle (Zink/Kohle Batterie). Die hat übrigens 1,5V wenn sie voll ist, alles unter 1V ist leer.

Bin schon gespannt auf den Zinkoxidrecycler, ist eine coole Idee. 8-)

Es reichen auch wenige Milliliter Wasser und Asche auf einem Zinkblech+Kohle um eine Galvanische Zelle zu formen, die Spannung ist bei gleichen Materialien eh gleich, also anstatt Eimer reicht ein Becher voll für die gleichen Ergebnisse, nur schneller ;) Ich finde die Stromstärke viel Interessanter, da kommt man nicht weit ohne große Oberflächen.

Ich würde das Elektrolyt noch durch einen Kaffeefilter schicken :geek:

Cheers!
“With great power come great heat sinks.”

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case
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Re: Ein einfaches Experiment

Beitrag von case » Mi 1. Aug 2012, 05:41

shure hat geschrieben:Wie hoch war denn der Kurzschlussstrom?
Ja, dazu wollte ich gerade kommen.

Der war natürlich verschwindend gering, genauer gesagt so dermaßen gering, das ich ihn nicht mehr messen konnte ;)

Ich hab dann daraufhin 4 weitere dieser Zellen gebaut und kam damit dann auf knapp 3 V. Das hat dann immerhin gereicht, um eine LED gaaanz schwach zum Leuchten zu bringen und das auch nur für wenige Sekunden, danach wurde die dann schnell schwächer.
Ich glaub' Flüssigkeit (Elektrolyt) hast du genug ;) Mit Zink-Luft hat das aber nicht zu tun, oder? Das ist glaub ich eine einfache galvanische Zelle (Zink/Kohle Batterie). Die hat übrigens 1,5V wenn sie voll ist, alles unter 1V ist leer.
Hmm, eine gute Frage. Also, laut Wikipedia ist bei der Reaktion einer Zink-Kohle Batterie auch noch Mangandioxid beteiligt. Desweiteren wird da mit Ammoniumchlorid ein saurer Elektrolyt verwendet. Mein Aschewasser ist aber alkalisch.

Ich hab mir die schwache Reaktion eher damit erklärt das der Elektrolyt keine reine Kalilauge ist. Das Aschewasser besteht hauptsächlich aus Pottasche-Lösung = Kaliumcarbonat und natürlich diversen Schwermetallsalzen als Verunreinigung. Das da überhaupt etwas KOH (Kaliumhydroxid/Kalilauge) drin vorkommt ist der guten Löslichkeit von Kaliumcarbonat in Wasser zu verdanken. Es entsteht dadurch Kaliumhydrogencarbonat und KOH zu gleichen Teilen.

K2CO3 + H2O ==> KHCO3 + KOH

Ausserdem könnte es sein, dass die Konzentration zu schwach ist, obwohl ich mit meiner Eimergeschichte schon versucht habe, möglichst viel aus der Asche herauszulaugen, aber möglicherweise müsste ich das noch etwas eindampfen. Aber eine richtige ZAC wird mit 30%iger KOH-Lösung betrieben, das ist glaubich schon recht stark.

Jedenfalls besteht mein nächster Schritt darin, eine bessere KOH-Lösung zu erzeugen und ich bin gespannt, ob ich dann einen Unterschied sehe. Um es vorwegzunehmen, ich hab damit schon angefangen. Aus den 6 Litern Flüssigkeit bekam ich nach der Filtration noch rund 3 Liter (Pott-)Aschewasser.

Davon habe ich die Hälfte für den beschriebenen Versuch verwendet. Die andere Hälfte hab ich mit 500g baumarkt-üblichem Weisskalkhydrat (=Calziumhydroxid) versetzt, gut durchgerührt, das ganze in einer Flasche abgefüllt, und über Nacht sich absetzen lassen, so dass ich die klare Flüssigkeit im oberen Bereich abdekantieren konnte; es ergab ca. 0.7 Liter. Theoretisch müsste es sich dabei nun um KOH handeln, denn das Carbonat vom Kaliumcarbonat wird mit dem Hydroxid vom Calziumhydroxid getauscht so das KOH und Calciumcarbonat entsteht.

K2CO3 + Ca(OH)2 ==> KOH + CaCO3

Letzteres wurde als weisses Pulver ausgefällt (= Kreide, Kalkstein, Marmor) so dass ich das KOH abdekantieren konnte. Bin mal gespannt, wie es nun damit funktioniert. Ev. Muss ich es noch eindampfen um es aufzukonzentrieren. Aber einen Schritt nach dem anderen ;)
Bin schon gespannt auf den Zinkoxidrecycler, ist eine coole Idee. 8-)
Das ist im Prinzip einfach nur ne Wanne zur elektrolytischen Galvanisierung z.B. mit einer Elektrode aus Blei und einer aus Aluminium. Wobei bei dieser Kombination Schwefelsäure als Elektrolyt verwendet wird, ev. muss man das ZnO also vorher irgendwie abfiltrieren. Oder es geht auch in KOH-Lösung (was natürlich schöner wäre), ev. mit anderen Materialien für die Elektroden. Da muss ich mich nochmal schlau machen.

Es ist aber auch generell die Frage ob man sich den Schritt, das ZnO vorher zu separieren nicht einfach sparen kann. So wie ich das von hier aus sehe, ist wohl beides möglich, d.h., man kann es als Feststoff ausfällen lassen und abfiltern, oder man kann es auch in der KOH-Lösung sich lösen lassen, es ist zumindest grundsätzlich gut löslich. Ich denke, das hängt davon ab, ob man die Lösung bewegt, z.B. das KOH aktiv zirkulieren lässt und/oder vielleicht auch von der Konzentration, also z.B. indem man stetig frisches KOH zuführt, was in der Praxis oft so gemacht wird, teilweise wird damit sogar gleichzeitig frisches Zink in Form von feinen Partikeln heran transportiert.

Für mich ist dabei die Frage, welche Mengen an KOH-Lösung dabei anfallen und welche Tank-Größen erforderlich wären um ein Maximum an Effizienz zu erzielen. Oder andersrum, welche Mengen an Zno eine KOH-Lösung aufnehmen kann ehe die Effizienz schwächer wird.

Das hat also teilweise eher pragmatische Implikationen, die auch von der Art der Anwendung abhängen können. Mich persönlich interssiert am meisten, wie ich die im Sommer gewonnene Solarenergie mit in den Winter nehmen kann. Klar, natürlich in Form von recyceltem Zink. Aber das bedeutet auch, das ich andersrum das ZnO bzw. die ZnO-Lösung vom Winter mit in den Sommer nehmen muss, da ich erst dann die Energie für die Regenrierung übrig habe. Also, wenns z.B. am Ende darauf hinausliefe, dass ich so 4 bis 8 Kubikmeter Lösung zwischenlagern müsste, das wär zur Not machbar, z.B. mit IBC-Containern.

Aber welcher Menge an Strom entspräche dieses ? ;)

Auf Ebene des Zinks kann man das ziemlich genau ausrechnen: Maximaler_Zink_Energiegehalt * Wirkungsgrad = Strommenge ;)

In der Literatur werden recht unterschiedliche Angaben gemacht, was die Energiedichte einer ZAC betrifft, häufig und in älteren Papers ist von 350Wh/kg die Rede, in neueren teilweise auch etwas mehr. Ich denke das hängt letztlich vom jeweils aktuellen Stand der Technik bzw. deren Effizienz und Wirkungsgrad ab und die Entwicklung befindet sich da einfach noch im Fluss. Oder es hängt vielleichta uch davon ab, ob das ein seriöses wissenschaftliches Paper ist, oder eine Beschreibung dessen was die ZAC einer Firma die gerade Investoren sucht, dann demnächst angeblich zu leisten imstande sein soll. Eine Firma war doch tatsächlich so dummdreist, hier den theoretisch maximal möglichen Wert von 1.3 KWh/Kg anzugeben. Tjaaa, so macht man Kohle und zockt dumme Investoren ab ;)

Ich hatte mir dieses Maximum auch schon mal ausgerechnet, allerdings handelt es sich hier um einen theoretischen Wert, also wieviel Energie steckt insgesamt in 1 Kg Zink - ob und wie man die rauskriegt steht auf nem anderen Blatt ;) Abermehr wäre jedenfalls nicht möglich.

Die Rechnung lautet wie folgt:

Code: Alles auswählen

Zink hat ein Gewicht von 65,4 g/mol

1 Mol besteht aus n_avogadro = 6.02214 * 10^23 Teilchen

n_avogadro / 65,4  = 9,2 * 10^21  = Anzahl_Atome pro g Zink

Anzahl_Atome * 2  Elektronen = 18,4 * 10^21 Elektronen  (weil pro Zink-Atom 2 Elektronen an der ZAC-Reaktionbeteiligt sind bzw. Strom erzeugen)

Anzahl_Elektronen * Elementarladung = (18,4 * 10^21) * (1.602 * 10^-19 Coulomb)  = 2950,622 Coulomb

1 Coulomb = 1 A * 1 s 

deswegen:   2950,622 Coulomb / 3600  = 0,8196 A * h

Spannung bei der ZAC-Reaktion = 1.6 V

deswegen:  0,8196 Ah * 1,6 V = 1,31138 Wh   (bei einem Gramm Zink)

macht rund 1,3 KWh pro Kg Zink.
OK, 1,3 KWh/Kg ist eine phantastische Energiedichte, die Realität dürfte deutlich drunter liegen, aber ich glaube 50% Wirkungsgrad sind nicht völlig unrealistisch zu erreichen und selbst das wäre noch eine sensationelle Energiedichte.

Und damit komme ich,nachdem ich ein kleines bischen abgeschweift bin, wieder zum eigentlich Punkt zurück, nämlich der Art der Anwendung.

Wie ich schon sagte interessiert mich persönlich die Langzeitspeicherung, der Rest der Welt interessiert sich aber hauptsächlich für die Anwendung Elektromobilität und da speilt die Energiedichte natürlich eine ganz besonders große Rolle.

Und z.B. auch die Form der Betankung, ob ich z.B. eine Tasche oder Cassette mit verbrauchten Zinkpellets gegen eine frische austauschen muss, oder ob ich mit einem Schlauch in einen Tank eine Mischung aus Koh und Zinkpartikeln einfülle, oder gar, ob an Board des Autos auch gleich ein kleiner Recycler mit integriert wurde, so dass ich das Auto nur an die Steckdose anschliessen muss.

Bei meiner stationären Anwendung kannmir das relativ egal sein, da spielt für mich wie gesagt eher eine Rolle, ob ich 8000 Liter mit hochkonzentrierter Kalilauge zwischenlagernmuss, oder doch nur lediglich eine Kiste von 1 Kantenlänge, mit ZinkOxid.

Btw. Zink selbst hat eine Dichte von 7,14 g/cm^3, dh. ich kann 7.14 Tonnen Zink in einem Kubikmeter unterbringen und lagern ;) Was 9282 KWh Strom entspräche, ausgehend von den 1.3 KWh/Kg oder halt die Hälfte bei 50% Wirkungsgrad, also 4641 KWh. Damit kommen wir dem schon nahe, was ich an Strom bräuchte um gut über den Winter zu kommen, im Sommer und in der Übergangszeit kann meine Solaranlage ja noch Strom zum direkten Verbrauch liefern.

Nunja, bis dahin ist wohl noch ein etwas weiterer Weg ;)
Es reichen auch wenige Milliliter Wasser und Asche auf einem Zinkblech+Kohle um eine Galvanische Zelle zu formen, die Spannung ist bei gleichen Materialien eh gleich, also anstatt Eimer reicht ein Becher voll für die gleichen Ergebnisse, nur schneller ;) Ich finde die Stromstärke viel Interessanter, da kommt man nicht weit ohne große Oberflächen.
Das ist richtig. Und deswegen hab ich mir auch vor nem halben Jahr mal vorsorglich 250g feinsten Zinkstaub bestellt.
Ich würde das Elektrolyt noch durch einen Kaffeefilter schicken :geek:
Das hätte ich auch getan, aber weil bei uns alle nur Teetrinker sind, war leider kein Kaffeeefilter im Haus.

Aber das Teetrinken hat auch was gutes. Wir haben da nämlich so Teesiebe, oder fachmännisch korrekt bezeichnet: Tee Dauerfilter, siehe dazu auch
http://www.ebay.de/itm/Tee-Dauerfilter- ... 27c303c9a7

Und weil die so ein schööönes und ausgesprochen feines Drahtgitter haben, liebäugele ich damit schon seit ich das Zinkpulver hier liegen habe ;)

Nun wäre es allerdings meiner Frau vermutlich etwas schwer zu vermitteln, das Kalilauge ja sehr gut wasserlöslich ist udn von daher keine Gefahr bestünde, wenn ich mir die mal kurz für ein paar interessante Batterie-Experimente ausleihen würde ;)

Darum hab ich mir vor zwei Wochen halt soon Ding bei eBay bestellt und wollte jetzt im nächsten Schritt mal schauen, was damit und mit dem Zinkpulver und meiner abdekantierten KOH-Lösung so geht.

Ich hab das andere Experiment nur vorher noch eben gemacht, damit man vielleicht nen Unterschied sieht ;)

OK, soviel dazu, ich werde berichten, sobald ich das mit dem Teesieb ausprobiert habe. Und inzwischen vielleicht noch reines KOH in trockener Form ordern, hab schon geschaut: 1 Kg kostet 15,- + 5,- EUR Versandkosten (und würde rund 3 Liter 30%ige KOH-Lösung ergeben). Insofern bleibt die KOH-Eigenproduktion zumindest bei noch zu erwartenden größeren Mengen (8000 Liter) für mich weiterhin eine interessante Option. ;)


Gruss, Oliver
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