E27. Elektrochemie: batterijen, brandstofcellen en elektrolyse — oplossingen
EExpert · deel E5 · Chemie en materialen
Oplossingen · hoofdstuk 27Elektrochemie: batterijen, brandstofcellen en elektrolyse
Van halfreacties naar een begrensd waterstofscenario
Uitgewerkte oplossingen bij de 12 opdrachten van het werkboek. Voor de leerkracht, en voor wie zichzelf wil verbeteren nadat hij het eerst zelf probeerde.
Een opslagkeuze vraagt energie, vermogen, systeemgrenzen en een gecontroleerd ontwerp.
Voor de leerkrachtDeze pagina bevat de antwoorden. Druk het werkboek af zonder deze pagina.
Oefenen
Oefenen
één stap, direct toepassen
27.1
Halfreacties en tekens
Oefenen6Rekenen25 min
Zn²⁺/Zn: −0,76 V; Cu²⁺/Cu: +0,34 V, beide reductiepotentialen.
a
Schrijf de galvanische halfreacties, n en E°; wat gebeurt er bij verdubbeling van de vergelijking?
Zn→Zn²⁺+2 e⁻ aan anode; Cu²⁺+2 e⁻→Cu aan kathode. n=2, E°=0,34−(−0,76)=1,10 V. Verdubbelen geeft n=4 en dubbele ΔG, maar dezelfde E°; volt is energie per lading.
27.2
Lading en capaciteit
Oefenen6Rekenen25 min
12,8 V/120 Ah-accu; 80 % bruikbare ontlaaddiepte.
a
Bereken coulomb, nominale en bruikbare kWh; geef de twee-paralleluitkomst.
120 Ah=432000 C. Nominaal 1,536 kWh, bruikbaar 1,2288 kWh vóór lastomzetting. Twee parallel: 12,8 V/240 Ah, 3,072/2,4576 kWh; geen verdubbeling van spanning.
27.3
Moleculen uit stroom
Oefenen6Rekenen25 min
Eén elektrolysecel 20 A gedurende 30 min, ηF=1.
a
Bereken mol en gram H₂.
Q=20·1800=36000 C; nH₂=Q/(2 F)=0,186557 mol; massa 0,376076 g met 2,01588 g/mol. O₂ is de helft van het H₂-molgetal; volumeconversie vraagt temperatuur/druk.
120/3,6=33,333 kWh chemisch. Elektrisch 15,000 kWh; bij 0,300 kW 50,0 h. De 45 % moet netto op de genoemde uitgang zijn; dubbel aftrekken van dezelfde hulpverliezen is fout.
Toepassen
Toepassen
meerdere stappen, in een context
27.5
Nernst met Q
Toepassen7Rekenen25 min
Daniell E° = 1,10 V; 25 °C, n = 2, Q = 0,01.
a
Bereken E en vergelijk met Q 100.
E=1,10−(RT ln 10/2 F)log 10(0,01)=1,159159 V; bij Q = 100 1,040841 V. Klein Q betekent relatief veel reactant/voldoende Cu²⁺ en grotere drijving. Activiteiten en reversibele condities blijven aannames.
27.6
Serie, parallel en spanningseindpunt
Toepassen7Analyseren25 min
Denkbeeldige LiFePO₄-cellen 3,2 V/100 Ah; maximum 3,65 V als verstrekte celwaarde. Bestaande railrekenrange 44–56 V.
a
Bereken 16S-nominaal/maximum/energie en geef de compatibiliteitsvraag.
16S=51,2 V nominaal, 100 Ah, 5,12 kWh. De verstrekte maximumspanning wordt 58,4 V; dat ligt boven 56 V. Nominale '48 V'-compatibiliteit is dus onvoldoende. Controleer alle toestelgrenzen en het toegelaten werkelijke laadvenster; dit voorbeeld kiest geen bank of laadinstelling.
Geef de HHV-celenergieschatting en verklaar waarom 98 % geen 98 % energie is.
Bij dezelfde reactiehoeveelheid ηenergie, HHV≈ηF·Utn/Ucel=0,98·1,481/2,10≈69,11 %. De 98 % zegt dat bijna alle lading het bedoelde product vormt; hoge spanning kost extra energie per productmol. Voor een systeem moeten hulpapparaten erbij, en LHV geeft een andere ratio.
27.8
Stationdagbuffer als selectievoorstel
Toepassen7Rekenen25 min
Scenario 10 kWh AC-last per dag, twee dagen zonder productie; DOD 80 %, omvormer 93 %, nominale rekenrail 48 V.
a
Bereken minimale nominale kWh en Ah; noem ontbrekende dimensioneringsgegevens.
E=20/(0,80·0,93)=26,8817 kWh; Q≈26881,7/48=560,036 Ah. Dit is een energieondergrens/selectievoorstel, geen gekozen stationbank. Voeg koude-/verouderingsreserve, toegelaten laad-/ontlaadstroom, spanningseindpunten, piekstroom, rendementscurve en gewenste autonomie toe. De 12 V-moduleaccu's blijven apart.
Uitdagen
Uitdagen
transfer, open problemen, leerlijnen combineren
27.9
Uurprofiel versus jaargetal
Uitdagen9Programmeren75 min
Gebruik het synthetische 48 V-profiel en behoud 1000 kWh aangeboden zomerenergie.
a
Halveer elektrolyservermogen en verdubbel minimumlast afzonderlijk; vergelijk H₂ en niet afgenomen energie.
Pas alleen pmax of pmin aan, voer de code opnieuw uit en controleer Ein+curtail=1000 kWh en tank≤12 kg. De limieten kunnen afname verkleinen ook bij dezelfde som; referentie-uitvoer staat bij het codeblad. Voeg bij verfijning startduur, partloadrendement, compressorbedrijf en lek-/standbyverlies toe.
b
Maak een tegenvoorbeeld met dezelfde jaarenergie maar onvoldoende wintervermogen.
Concentreer de 175 kWh vraag bijvoorbeeld in 100 uur: 1,75 kW, boven 0,50 kW-brandstofcel. Dan wordt minstens 125 kWh in die uren onbediend zonder aparte batterij/vermogensinterface, ondanks genoeg H₂-energie. Jaarenergie bewijst geen beschikbaarheid op tijd.
Zo wordt dit beoordeeld
Elektrochemie
Halfreacties, elektronen, tekenen, Faraday en thermodynamische grens correct.
Systeem
Vermogen/energie, rail, capaciteit, warmte, water en hulpverbruik onderscheiden.
Bewijs
Uurprofiel, systeem-/datasheetgrenzen en fysieke interface aangetoond; scenario zichtbaar.
27.10
Habitat: seizoensopslag doorrekenen
Uitdagen9Habitat90 min
3013 kWh systeembalansoverschot en 175 kWh oud wintertekort. Scenario 55+3 kWh/kg, DC 96 %, netto cel 50 % LHV.
a
Bereken benodigde H₂, zomerinvoer en beschikbare-fractieondergrens.
H₂=175/(33,333·0,50)=10,5 kg. Zomerinvoer=10,5·58/0,96=634,375 kWh. Dat is 21,055 % van 3013, uitsluitend een noodzakelijke energietoets. Voeg reserve, seizoenverlies en gewijzigd e16/e49-verbruik toe.
b
Schrijf de bewijsvoorwaarden voor een echte installatie.
Toon afzonderlijk het 48 V-overschot per tijdstap; geen impliciete export van 1,40 kWp/12 V. Als export gewenst is: expliciete stroombegrensde interface met verliezen/reserveprioriteit. Verifieer elektrolyserstart/minimumlast, waterkwaliteit, opslagcapaciteit, druk-/gas-/ventilatiebeveiliging, netbrandstofcelvermogen en dagbuffer. Definieer stationbatterijcapaciteit als selectievoorstel totdat datasheet-/profieltoets afgerond is.
Zo wordt dit beoordeeld
Elektrochemie
Halfreacties, elektronen, tekenen, Faraday en thermodynamische grens correct.
Systeem
Vermogen/energie, rail, capaciteit, warmte, water en hulpverbruik onderscheiden.
Bewijs
Uurprofiel, systeem-/datasheetgrenzen en fysieke interface aangetoond; scenario zichtbaar.
27.11
Energiedichtheid met eerlijke grens
Uitdagen9Onderzoeken55 min
Een leverancier noemt 33,3 kWh/kg H₂; een tweede 120 Wh/kg compleet batterijpack. Geen overige gegevens.
a
Welke vergelijking ontbreekt en hoe maak je een toetsbare tabel?
H₂-waarde is chemische energie per kg gas; batterijwaarde is elektrische nominale packenergie. Vraag tank-/systeemmassa en volume, netto brandstofcelrendement/vermogen, compressor/elektrolyserenergie, DOD/omvormerrendement en tijdverlies. Reken beide naar bruikbare elektrische kWh per kg/liter compleet gekozen systeem op dezelfde uitgang. Voor warmtebuffer vermeld een ander doel. Een enkele dichtheid of efficiëntie kiest de opslagtechniek niet.
Zo wordt dit beoordeeld
Elektrochemie
Halfreacties, elektronen, tekenen, Faraday en thermodynamische grens correct.
Systeem
Vermogen/energie, rail, capaciteit, warmte, water en hulpverbruik onderscheiden.
Bewijs
Uurprofiel, systeem-/datasheetgrenzen en fysieke interface aangetoond; scenario zichtbaar.
27.12
Een stroombalans zonder energiecreatie
Uitdagen9Ontwerpen60 min
Iemand vermenigvuldigt 55 kWh/kg elektrolyse met 50 % brandstofcelrendement en claimt 27,5 kWh/kg retour.
a
Herstel de balans, toon de ontbrekende energiebasis en geef een sluitende Sankey voor 1000 kWh railinvoer.
Brandstofcelrendement geldt op de chemische LHV 33,333 kWh/kg, niet op ingevoerde 55. Retour=16,667 kWh/kg. Met 3 compressie en 96 % interface is rondgaand 0,96·16,667/58=27,5862 %. Voor 1000: interface 960/40 verlies; H₂-energie 551,724/408,276 omzetting-compressieverlies; uitgang 275,862/275,862 celverlies. Elke knoop sluit. Warmte teruggebruiken kan het gecombineerde nut verhogen maar is geen extra elektrische retour.
Zo wordt dit beoordeeld
Elektrochemie
Halfreacties, elektronen, tekenen, Faraday en thermodynamische grens correct.
Systeem
Vermogen/energie, rail, capaciteit, warmte, water en hulpverbruik onderscheiden.
Bewijs
Uurprofiel, systeem-/datasheetgrenzen en fysieke interface aangetoond; scenario zichtbaar.
