Modul 21-SC-4 Chemistry of Energy Conversion and Storage

In diesem Modul erwerben die Studierenden grundlegende Kenntnisse zum Verständnis fossiler und erneuerbarer Energien. Die Studierenden können Konzepte der Umwandlung von Energieformen, die zum Verständnis der Erzeugung regenerativer Energien notwendig sind, beschreiben. Dabei lernen sie die grundlegenden Prozesse der natürlichen Photosynthese anzuwenden auf die technisch nutzbare Umwandlung von Sonnenlicht in speicherbaren Energie in Form von elektrischer und chemischer Energie. Die Studierenden können aktuelle und zukünftige Probleme der Energieversorgung diskutieren und Handlungsalternativen bewerten. Dabei können sie Fehlinterpretationen in der öffentlichen Diskussion erkennen und der breiten Öffentlichkeit die Grundprinzipien der Erzeugung erneuerbarer Energien und ihrer Speicherung erklären.

Die Modulinhalte drehen sich um die Erzeugung, Umwandlung und Speicherung von erneuerbaren Energien (Sonne, Wind, Biomasse, Abwärme). Dazu werden Grundlagen der Elektrochemie behandelt (Nernst, Faraday, elektrochemische Zellen, Elektrolyte, elektrische Doppelschicht, Elektrodenreaktionen, Überspannung und Innenwiderstand, Cyklovoltametrie, Coulometrie, Spektroelektrochemie und Elektrolyse). Die natürliche Photosynthese dient als Beispiel für das Verständnis der grundlegenden Prinzipien der Energieumwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie in Form von Reduktionsäquivalenten mittels Photochemie und Ladungstrennung im Photosystem II. Für die Anwendung dieser Prinzipien in der Photovoltaik werden Grundprinzipien von Nichtleitern/Halbleitern/Leitern, Bandlücken und deren Anwendung von der Grätzelzelle bis hin zur Perowskit-Solarzelle diskutiert. Zur Speicherung elektrischer Energie werden (wiederaufladbare) Batterien, alkalische Systeme, Bleiakkus, Li-Ionen-Batterien, Metall-Luft-Elemente, Metall-Wasserstoff-Elemente behandelt. Die Prinzipien der künstlichen Photosynthese zur Umwandlung in chemische Energie wie H2 und E-fuels sowie der Wasserelektrolyse werden besprochen. Die Umwandlung chemisch gespeicherter Energie in elektrische Energie wird am Beispiel von Brennstoffzellen (Wasserstoff-Brennstoffzellen, Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, alkalische Brennstoffzellen, direkte Brennstoffzellen) diskutiert.

Vertiefte Kenntnisse der Anorganischen und Physikalischen Chemie

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