Aufgabe 1 – Nickel als Hoffnungsträger für die Energiewende

An der erhöhten Nachfrage und der damit einhergehenden Preissteigerung zeichnet sich ab, dass dem Rohstoff Nickel wachsende Bedeutung beigemessen wird. Auslöser hierfür sind Batteriesysteme mit darin verbautem Nickel, deren Entwicklung und Inbetriebnahme vielversprechende Anwendungen ermöglichen.

Formuliere für die Nickel-Kupfer-Zelle und die Nickel-Zink-Zelle Reaktionsgleichungen der ablaufenden Teilreaktionen (Material 1).

Erkläre den Sachverhalt, dass die Nickel-Halbzelle einmal Akzeptor- und einmal Donator-Halbzelle ist (Material 1).

Berechne für die Nickel-Kupfer-Zelle die Zellspannung unter den angegebenen Bedingungen (Material 1).

8 BE

Vergleiche die Nickel-Kupfer-Zelle aus dem Laborexperiment von Teilaufgabe 1 mit der Nickel-Natriumchlorid-Zelle vom Batteriesystem CERENERGY® hinsichtlich Energieumwandlungen und den Veränderungen am Elektrodenmaterial Nickel (Material 1, Material 2).

Begründe zwei Vorzüge von CERENERGY® als Speichermedium für elektrische Energie gegenüber der Nickel-Kupfer-Zelle aus dem Laborexperiment (Material 1, Material 2).

10 BE

Begründe die Notwendigkeit, dass beim Betrieb der Nickel-Natriumchlorid-Zelle mit geschmolzenem statt mit festem Natriumchlorid gearbeitet wird (Material 2).

Beschreibe den Einfluss des Ladezustandes auf den in der Nickel-Natriumchlorid-Zelle enthaltenen Gefahrstoff Natrium (Material 2).

Beurteile anhand von zwei Aspekten, ob die Nickel-Natriumchlorid-Zelle als unbedenklich gilt, sofern sie auf Zimmertemperatur abgekühlt ist (Material 2).

8 BE

Formuliere die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Kohlenstoff (Material 3).

Berechne die Masse an Kohlenstoffdioxid, die nach der Inbetriebnahme des Batterie-Speicherkraftwerkes im ersten Jahr durch Einspeisung gespeicherter Windenergie maximal eingespart werden kann (Material 3, Material 4).

Hinweis: Gehe bei deiner Berechnung von einer verlustfreien Speicherung aus.

4 BE

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Material 1: Galvanische Zellen im Laborexperiment

Abbildung 1: Petrischalen-Versuchsaufbau (Draufsicht), dargestellt ist die Schaltung zur Messung der Zellspannung der Kupfer-Zink-Zelle

In nebenstehender Abbildung ist ein möglicher Versuchsaufbau zur Messung der Zellspannung dreier galvanischer Zellen (Primärelemente) skizziert. Verwendet wird eine in drei separate Kammern geteilte Petrischale, wobei jede Kammer mit der angegebenen Metallsalz-Lösung $Formula: (c = 1\;\tfrac{\mathrm{mol}}{\mathrm{L}})$ $Formula: (c = 1\;\tfrac{\mathrm{mol}}{\mathrm{L}})$ befüllt ist.

In die Metallsalz-Lösung taucht das zugehörige Metallblech. Ein Spannungsmessgerät wird über Klemmen und Kabelverbindungen an die zu verschaltenden Halbzellen angeschlossen. Ebenfalls variabel wird ein mit Kaliumnitrat-Lösung getränkter Faden als Salzbrücke zwischen die gewählten Halbzellen eingesetzt.

Es herrschen die folgenden Messbedingungen:

$Formula: T = 298{,}15\;\mathrm{K}$ $Formula: T = 298{,}15\;\mathrm{K}$ und $Formula: p = 101{,}325\;\mathrm{kPa}.$ $Formula: p = 101{,}325\;\mathrm{kPa}.$

Material 2: Nickel-Natriumchlorid-Zelle

Die Nickel-Natriumchlorid-Zelle (siehe Abbildung 2) ist ein Akkumulator (Sekundärelement) auf Basis der Redoxpaare $Formula: \ce{Ni^{2+}} \mid \ce{Ni}$ $Formula: \ce{Ni^{2+}} \mid \ce{Ni}$ und $Formula: \ce{Na+} \mid \ce{Na}.$ $Formula: \ce{Na+} \mid \ce{Na}.$ Der Grundaufbau dieser Zelle ist schon länger bekannt. Eine innovative Neuentwicklung ist mit einem Festelektrolyten aus poröser Keramik gelungen. Der Festelektrolyt zeigt die Besonderheit, nur für Natrium-Ionen durchlässig zu sein, dies allerdings erst bei einer Temperatur um $Formula: 300\;^{\circ}\mathrm{C}.$ $Formula: 300\;^{\circ}\mathrm{C}.$ Die Zelle wird daher bei dieser Temperatur betrieben und ist eine sogenannte Hochtemperatur-Zelle. Man gab ihr den Namen CERENERGY® (abgeleitet von engl. ceramics und energy).

Der Elektrolyt liegt bei der Betriebstemperatur als Feststoff vor (Festelektrolyt). Er fungiert zugleich als Trennphase für die beiden Elektrodenbereiche der Zelle: die in Natriumchlorid-Salzschmelze eingebetteten Nickel-Partikel und das geschmolzene Natrium. Mittig in der Salzschmelze ist ein Nickel-Stab. Das Natrium steht in direktem Kontakt zum Edelstahl-Gehäuse der Zelle. Über den Nickel-Stab und den Anschluss am Edelstahl-Gehäuse erfolgt das Laden und Entladen. (Anmerkung: Dem Natriumchlorid ist ein zusätzlicher Stoff beigesetzt, der ermöglicht, dass bei $Formula: 300\;^{\circ}\mathrm{C}$ $Formula: 300\;^{\circ}\mathrm{C}$ alles Salz geschmolzen vorliegt.)

Der Festelektrolyt weist auch nach vielen Ladezyklen keine Veränderungen auf, die Zelle ist laut Herstellerangabe wartungsfrei und kann am Ende ihrer 15-jährigen Laufzeit dem Recyclingprozess von Nickel zugeführt werden. Allerdings muss sie zwingend vor Stoß, Reibung und eindringendem Wasser bewahrt werden. Es kommt zur Explosionsgefahr infolge der Reaktion des Natriums mit Wasser. Dabei entsteht u. a. Wasserstoff. Ist die Zelle jedoch auf Zimmertemperatur ( $Formula: 20\;^{\circ}\mathrm{C}$ $Formula: 20\;^{\circ}\mathrm{C}$ ) abgekühlt, soll sie sicherheitstechnisch unbedenklich sein.

Nickel-Natriumchlorid-Zelle und Ladevorgang

Abbildung 2: Nickel-Natriumchlorid-Zelle im Längsschnitt und rechts Vergrößerungsausschnitt zum Ladevorgang

Material 3: CERENERGY® am Kraftwerk „Schwarze Pumpe“

Der Einsatz der Nickel-Natriumchlorid-Zelle ist nicht auf den Bereich der Elektromobilität ausgerichtet, sondern für stationäre Energiespeicher. Dazu werden 240 Zellen zu einem CERENERGY®-Batteriemodul kombiniert. Die Zusammenschaltung vieler derartiger Module nennt man Speicherkraftwerk.

Ein Prototyp eines solchen Speicherkraftwerks entsteht zurzeit auf dem Kraftwerksgelände des Braunkohlekraftwerks „Schwarze Pumpe“ in Brandenburg. Bislang wurde hier Kohlenstoff (Kohle) einhergehend mit enormen Emissionen an Kohlenstoffdioxid verbrannt und die dabei freigesetzte Wärme über Wasserdampf und Turbinentechnik in elektrische Energie umgewandelt. Zukünftig soll die Verbrennung von Kohle heruntergefahren und die Energieversorgung u. a. auf Windenergie umgestellt werden, wobei Batteriemodule als Zwischenspeicher für sogenannte „Stromspitzen“ dienen. Die CERENERGY®-Anlage ist für eine Energiemenge von 100 Megawatt-Stunden pro Jahr konzipiert $Formula: (100\;\mathrm{MWh} = 3{,}6 \cdot 10^8\;\mathrm{kJ}).$ $Formula: (100\;\mathrm{MWh} = 3{,}6 \cdot 10^8\;\mathrm{kJ}).$

Material 4: Größen zur Berechnung

Bei der Bildung von einem Mol Kohlenstoffdioxid $Formula: (M(\ce{CO2}) = 44{,}0\;\tfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}})$ $Formula: (M(\ce{CO2}) = 44{,}0\;\tfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}})$ aus den Elementen tritt bei $Formula: T = 298{,}15\;\mathrm{K}$ $Formula: T = 298{,}15\;\mathrm{K}$ und $Formula: p = 101{,}325\;\mathrm{kPa}$ $Formula: p = 101{,}325\;\mathrm{kPa}$ eine Änderung der Enthalpie von $Formula: \Delta H = -393{,}510\;\mathrm{kJ}$ $Formula: \Delta H = -393{,}510\;\mathrm{kJ}$ auf.

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Formulieren der Reaktionsgleichungen

Nickel-Kupfer-Zelle

$Formula: \ce{Ni -> Ni^2+ + 2 e-}$ $Formula: \ce{Ni -> Ni^2+ + 2 e-}$
$Formula: \ce{Cu^2+ + 2 e- -> Cu}$ $Formula: \ce{Cu^2+ + 2 e- -> Cu}$

Nickel-Zink-Zelle

$Formula: \ce{Zn -> Zn^2+ + 2 e-}$ $Formula: \ce{Zn -> Zn^2+ + 2 e-}$
$Formula: \ce{Ni^2+ + 2 e- -> Ni}$ $Formula: \ce{Ni^2+ + 2 e- -> Ni}$

Erklären des Sachverhalts

Donator-Halbzelle bei der Nickel-Kupfer-Zelle, da $Formula: E^\circ(\ce{Ni^2+ \vert{} Ni}) < E^\circ(\ce{Cu^2+ \vert{} Cu})$ $Formula: E^\circ(\ce{Ni^2+ \vert{} Ni}) < E^\circ(\ce{Cu^2+ \vert{} Cu})$
Akzeptor-Halbzelle bei der Nickel-Zink-Zelle, da $Formula: E^\circ(\ce{Zn^2+ \vert{} Zn}) < E^\circ(\ce{Ni^2+ \vert{} Ni})$ $Formula: E^\circ(\ce{Zn^2+ \vert{} Zn}) < E^\circ(\ce{Ni^2+ \vert{} Ni})$

Berechnung der Zellspannung

$Formula: \Delta E = E^\circ(\ce{Cu^2+ \vert{} Cu}) - E^\circ(\ce{Ni^2+ \vert{} Ni})$ $Formula: \Delta E = E^\circ(\ce{Cu^2+ \vert{} Cu}) - E^\circ(\ce{Ni^2+ \vert{} Ni})$
$Formula: \Delta E = 0{,}34\text{ V} - (-0{,}26\text{ V}) = 0{,}60\text{ V}$ $Formula: \Delta E = 0{,}34\text{ V} - (-0{,}26\text{ V}) = 0{,}60\text{ V}$

Vergleichen der Zellen

Nickel-Kupfer-Zelle

Nickel-Natriumchlorid-Zelle

Energieumwandlungen

- Umwandlung chemischer in elektrische Energie

- Entladen: Umwandlung chemischer in elektrische Energie

- Laden: Umwandlung elektrischer in chemische Energie

Veränderungen am Elektrodenmaterial

- Verbrauch von Nickel

- Entladen: Bildung von Nickel

- Laden: Verbrauch von Nickel

Begründen zweier Vorzüge

hohe Anzahl von Ladezyklen und mit ca. -jährigem Betrieb lange Lebensdauer, da Umkehrbarkeit der Elektroden-Reaktionen gegeben
hohe Zellspannung, da Redoxpaar $Formula: \ce{Na+ \vert{} Na}$ $Formula: \ce{Na+ \vert{} Na}$ geschaltet

Begründen des Arbeitens mit geschmolzenem Natriumchlorid

Wanderung der Natrium-Ionen als Voraussetzung für den inneren Ladungsausgleich in der Zelle
Natriumchlorid bildet im festen Zustand ein Ionengitter, Natrium-Ionen nicht beweglich
Beweglichkeit der Natrium-Ionen in der Salzschmelze

Beschreiben des Einflusses auf den Gefahrenstoff Natrium

Natrium-Vorrat sinkt während des Entladens und wird beim Laden regeneriert
Zelle im entladenen Zustand nahezu natriumfrei

Beurteilen des Einflusses des Ladezustands

bei Zimmertemperatur außer Betrieb, da keine Ionenleitfähigkeit der Natrium-Ionen gegeben; kein Stromfluss, somit geringeres Gefährdungspotential
Natrium als Gefahrstoff jedoch selbst im entladenen und abgekühlten Zustand vorhanden und daher Explosionsgefahr durch Wasserstoff nach Beschädigung der Zelle und Eindringen von Wasser
Sachurteil: Gefährdungspotential ist bei Zimmertemperatur und im entladenen Zustand gering, aber Zelle ist nicht unbedenklich

Formulieren der Reaktionsgleichung

$Formula: \ce{C + O2 -> CO2}$ $Formula: \ce{C + O2 -> CO2}$

Berechnen der Masse an Kohlenstoffdioxid

$Formula: \frac{1\text{ mol}}{393{,}510\text{ kJ}} = \frac{n(\ce{CO2})}{3{,}6 \cdot 10^8\text{ kJ}}$ $Formula: \frac{1\text{ mol}}{393{,}510\text{ kJ}} = \frac{n(\ce{CO2})}{3{,}6 \cdot 10^8\text{ kJ}}$
$Formula: n(\ce{CO2}) = 915.000\text{ mol}$ $Formula: n(\ce{CO2}) = 915.000\text{ mol}$
$Formula: m(\ce{CO2}) = 40{,}3\text{ t}$ $Formula: m(\ce{CO2}) = 40{,}3\text{ t}$

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Lerninhalte in Chemie

Aufgabe 1 – Nickel als Hoffnungsträger für die Energiewende

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Material 1: Galvanische Zellen im Laborexperiment

Material 2: Nickel-Natriumchlorid-Zelle

Material 3: CERENERGY® am Kraftwerk „Schwarze Pumpe“

Material 4: Größen zur Berechnung

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