Effiziente Energiespeicherung 26.07.2023, 07:00 Uhr

Wunder-Batterie produziert gleichzeitig Wasserstoff

Ein deutsches Forschungskonsortium hat eine Zink-Batterie mit erstaunlichen Fähigkeiten vorgestellt: Sie ist günstig, speichert Strom und produziert Wasserstoff. Nach Ansicht der Forschenden könnte die Batterie erheblich zum Gelingen der Energiewende beitragen.

Illustration

Die Darstellung zeigt das Prinzip der neuen Zink-Batterie.

Foto: Zn2H2 GmbH

An Energie aus erneuerbaren Quellen herrscht theoretisch kein Mangel. Wind und Sonne könnten genug Energie liefern, um Deutschland zu versorgen. Natürlich müssten mehr Erzeugungsanlagen gebaut werden, aber die eigentliche Herausforderung sind innovative Speichertechnologien. Sie sind notwendig, um den Ökostrom regional besser zu verteilen und Schwankungen in der Produktion auszugleichen – aktuell werden diese sogenannten Dunkelpausen noch über den Einsatz konventioneller Kraftwerke abgedeckt. Vor allem im Winterhalbjahr spielen fossile Brennstoffe, allen voran Erdgas fürs Heizen, noch eine große Rolle. Das ist im doppelten Sinn problematisch: Einerseits gelangen dadurch weiterhin hohe Mengen an CO2 in die Atmosphäre. Andererseits muss dafür die traditionelle Infrastruktur aufrechterhalten werden. Das ist mit hohen Kosten verbunden – die sonst für den Ausbau erneuerbarer Energien verwendet werden könnten.

Ein deutsches Konsortium hat damit begonnen, eine langlebige Batterie zu entwickeln, die dabei helfen soll, diese Herausforderungen zu bewältigen. Die ersten Ergebnisse sind erstaunlich positiv.

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Batterien: Zink macht Lithium Konkurrenz

Batterie und Wasser-Elektrolyse in Kombination

Das Konsortium setzt sich zusammen aus den beiden Unternehmen Zn2H2 GmbH und Steel PRO Maschinenbau GmbH sowie mehreren Forschungseinrichtungen: dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, der Technischen Universität Berlin, dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft und dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM.

Die Fachleute arbeiten an einer Batterie, die für die Langzeitspeicherung grüner Energie gedacht ist. Basis ist eine herkömmliche Batterie mit Zink-Anode. Diese Technologie haben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen mit der alkalischen Wasser-Elektrolyse kombiniert. Herausgekommen ist eine neuartige Speichertechnologie.

Elektrisch aufladbare Wasserstoffspeicher

Zink-Batterien sind günstiger als die typischen Lithium-Akkus – im Vergleich kosten sie weniger als ein Zehntel. Das hängt vor allem mit den Materialien zusammen, die leicht verfügbar sind, etwa Stahl, Zink und Kaliumhydroxid. Außerdem ermöglichen sie die bedarfsgerechte Produktion von Wasserstoff. Ziel sind also Wasserstoffspeicher, die sich elektrisch aufladen lassen. Energie speichern sie über das metallische Zink. Gleichzeitig liefern sie Wasserstoff.

Dr. Robert Hahn vom Fraunhofer IZM koordiniert das Projekt und erklärt, was auf chemischer Ebene in der Batterie passiert: „Während des Aufladens oxidiert Wasser in der Batterie zu Sauerstoff, gleichzeitig wird Zinkoxid zu metallischem Zink reduziert. Bei der bedarfsgerechten Entladung der Speicherzelle wird das Zink wieder in Zinkoxid umgewandelt. Das Wasser wird wiederum reduziert, sodass Wasserstoff erzeugt und freigesetzt wird.“ Nach Aussage der Forschenden liegt der Gesamtwirkungsgrad der Stromspeicherung bei 50 Prozent. Das wäre mehr als bei den aktuell hoch gehandelten Power-to-Gas-Technologien.

Rätsel gelöst: Werden Lithium-Ionen-Batterien nun leistungsfähiger und langlebiger?

Demonstrator für Zink-Batterie im Aufbau

Die neue Zink-Batterie ist keine Theorie. Im Labor haben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen bereits gezeigt, dass ihr System funktioniert. Wirkungsgrade und Stabilität der Ladezyklen konnten sie zumindest bei Einzelzellen sicher bestimmen. Jetzt arbeiten sie an einem Demonstrator, der bis Ende des Jahres betriebsbereit sein soll. Final sollen acht Zellen mit einer Kapazität von circa 12 Volt und 50 Ampere-Stunden elektrisch verbunden werden.

Die Herausforderung ist groß. Vergleichbare Projekte fehlen bislang, sodass für den Demonstrator eigens eine Testumgebung entwickelt werden musste. Die Verantwortung dafür liegt beim Fraunhofer IZM. Das dortige Team legt den Demonstrator aus, baut den Teststand und führt die Zuverlässigkeitstests durch. Die Forschenden haben dafür eine intelligente Steuerung entworfen, mit der unterschiedliche Parameter variiert werden können.

Hohe Stabilität in Testreihe

Wichtig ist die Stabilität des Systems, da es noch keine aufladbaren Zink-Batterien gibt, die sich im Bereich der Langzeit- und Zyklenstabilität bewiesen hätten. In der Regel ist die Gefahr groß, dass es zu Kurzschlüssen durch Zink-Dendriten oder schaumartige Zink-Abscheidungen kommt.
Aktuell hat das Konsortium jedoch viel Grund für Optimismus. Nach den bisherigen Ergebnissen gehen sie von einer Lebensdauer der neuen Batterie von zehn Jahren aus. Eine Skalierung auf industriellen Maßstab muss allerdings erst noch erfolgen.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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