Ganz neues Batterie-Konzept: Wasserstoff-Produktion ist inklusive

Die Energiewende ist eine Mammutaufgabe. An vielen Stellschrauben muss gedreht werden, um sie zu ermöglichen. Viel hängt dabei am Thema Energiespeicherung. Denn die Standorte der meisten Unternehmen, die einen intensiven Energiebedarf haben, sind aktuell weit von den Regionen entfernt, wo erneuerbare Energien gut verfügbar sind. Es geht also unter anderem darum, Strom aus Windkraft und Solarenergie sinnvoll zu transportieren. Ein Forschungskonsortium geht dabei einen neuen Weg – und hat wichtige Ergebnisse vorgestellt.

„In der öffentlichen Wahrnehmung standen hier bisher Batterie- und Wasserstofftechnologien in Konkurrenz miteinander“, sagt Peter Strasser, Leiter des Fachgebiets Electrochemical Catalysis, Energy and Materials Sciences an der TU Berlin. Das entspricht allerdings nicht der Forschungspraxis in diesem Projekt. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen versuchen nämlich, beide Methoden miteinander zu vereinen und „sich das Beste aus beiden Welten herauszusuchen“.

Batterie produziert beim Entladen Wasserstoff

Bei dem Herzstück des neuen Energiespeichers handelt es sich laut Strasser um eine katalytisch aktive, bifunktionelle Gaselektrode. Sie befindet sich zusammen mit der negativen Zink-Elektrode in einem flüssigen Elektrolyten aus Kaliumhydroxid und Wasser, also einer Kalilauge. Beim Entladevorgang passiert nun Folgendes: Der Katalysator der Gaselektrode spaltet von den Wassermolekülen (H2O) Wasserstoffmoleküle (H2) ab. Diese entweichen, können aufgefangen, gespeichert und weiterverwendet werden. Parallel wandern elektrisch negative OH-Ionen im Elektrolyten zur Zink-Elektrode, wo sie mit dem Zink reagieren. Auf diese Weise bilden sie Zinkoxid (ZnO) und Wasser unter Abgabe von Elektronen. Anders gesagt: Der Entladevorgang liefert auf der einen Seite elektrische Energie und produziert auf der anderen Seite Wasserstoffgas.

„Erst beim Wiederaufladen der Batterie vollzieht sich der zweite Teil der Elektrolyse, die Abgabe von Sauerstoff“, erklärt Strasser. Dafür wird elektrische Energie von außen zugeführt. Mit ihrer Hilfe (und Elektronen) reduziert sich die Zinkoxid-Elektrode wieder zu metallischem Zink reduziert. Dabei bilden sich OH-Ionen, die jetzt zur Gaselektrode wandern und dort vom Katalysator in Wasser umgewandelt werden, wobei Sauerstoff entweicht. Dieser Prozess kann kontinuierlich ablaufen, vorausgesetzt, die Betreiber führen dem Energiespeicher Wasser in ausreichender Menge zu.

Rohstoffe für den Energiespeicher sind günstig

„Das Besondere an dieser Zn-H2-Batterie ist also, dass beim Entladen die Energie sowohl in Form von Strom wie auch als Wasserstoffgas bereitgestellt wird“, sagt Peter Strasser. „Der Wasserstoff kann dann entweder direkt als Rohstoff in Prozessen der chemischen Industrie verwendet werden, in herkömmlichen Brennstoffzellen oder Turbinen in Strom umgewandelt werden oder in Gaskraftwerken oder Fernwärmenetzen als Brennstoff für Wärme zum Einsatz kommen.“

Abgesehen von dem doppelten Zweck des Energiekonzeptes hat der innovative Energiespeicher einen weiteren Vorteil im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Bei den verwendeten Rohstoffen handelt es sich im Wesentlichen um Stahl, Zink, Kaliumhydroxid und Wasser. Sie sind erheblich günstiger als die Materialien, aus denen Lithium-Ionen-Akkus bestehen. Außerdem ließe sich die Batterie leichter recyceln.

Schnelle Marktreife für neue Batterie geplant

Jetzt stellt sich natürlich noch die Frage, ob der neue Energiespeicher auch effizient ist. Erste Tests hat ein Team am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) durchgeführt, das auch die Leitung des Konsortiums innehat – die Ergebnisse sind vielversprechend. Der Gesamtwirkungsgrad der „Strom-zu-Strom“-Speicherung liegt bei etwa 50 Prozent und damit nach Angabe der Forschenden deutlich höher als bei den meisten Power-to-Gas-Technologien. Die Wasserstofferzeugung schafft sogar einen Wirkungsgrad von 80 Prozent. 

Bis Ende des Jahres will das Konsortium jetzt einen Demonstrator bauen und Zuverlässigkeitstests durchführen. Ziel ist ein Energiespeicher, der schnell zur Marktreife gebracht wird.