Mit der Energiewende soll eine klimaverträgliche Zukunft gesichert werden. Solang jedoch effiziente Speichertechnologien fehlen, bleibt die Abkehr von fossilen Energieträgern eine Herausforderung. Ein deutsches Forschungskonsortium entwickelt hierfür eine kostengünstige Zink-Batterie, die nicht nur als Langzeitspeicher von Energie, sondern auch zur Wasserstoffproduktion genutzt werden kann. Erste Tests weisen einen Wirkungsgrad von 50% zur Stromspeicherung und 80% zur Wasserstofferzeugung bei einer prognostizierten Lebensdauer von zehn Jahren aus. Mit der Entwicklung eines Demonstrators werden im Projekt Zn-H2 die Weichen für eine erfolgreiche Umsetzung der Energiewende gestellt.
Ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen und den Firmen Zn2H2 GmbH und Steel PRO Maschinenbau GmbH setzt im Projekt Zn-H2 auf innovative Lösungen, grüne Energie zu speichern. Sie wollen eine langlebige Batterie aufbauen, die explizit für eine Langzeitspeicherung geeignet ist: Ausgehend von bereits bekannten Lösungen im Batteriebereich mit Zink-Anode kombinieren die Forscher diese Technologie mit der alkalischen Wasser-Elektrolyse und entwickeln eine neuartige Speichertechnologie. Anders als herkömmliche Lithium-Akkus sind Zink-Speicher wesentlich kostengünstiger, und verwenden leicht verfügbare Rohstoffe (Stahl, Zink, Kaliumhydroxid) und sind recycelbar. Zudem ermöglichen sie laut einer Pressemitteilung die bedarfsgerechte Produktion von Wasserstoff.
Besser als Power-to-Gas
Robert Hahn vom Fraunhofer IZM koordiniert das Projekt und erklärt in der Mitteilung, 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, so dass Wasserstoff erzeugt und freigesetzt wird. Es entsteht eine einzigartige Kombination aus Batterie und Wasserstoff-Herstellung mit einem Gesamtwirkungsgrad der Stromspeicherung von 50%, womit wir die alternative und zurzeit favorisierte Power-to-Gas-Technologie doppelt übertreffen“. Da die Materialkosten weniger als ein Zehntel eines Lithium-Akkus betragen, eröffnet sich hier eine wirtschaftlich attraktive Perspektive zur Speicherung grüner Energie, sind die Wissenschaftler überzeugt.
Im Labor konnten die Forscher das Grundprinzip des neuen Systems bereits unter Beweis stellen und untersuchten anhand von Einzelzellen Wirkungsgrade und die Stabilität der Ladezyklen. Nun steht der nächste Schritt an: Bis zum Jahresende soll ein Demonstrator entstehen, dessen Betriebsführung in einem Teststand erforscht wird. Final sollen acht Zellen mit einer Kapazität von circa 12 Volt und 50 Ampere-Stunden elektrisch verbunden werden.
Steuerung entwickelt
Das Team am Fraunhofer IZM in Berlin ist verantwortlich für die Auslegung des Demonstrators, den Aufbau eines Teststands und die Durchführung der Zuverlässigkeitstests. Da diese Art von Zink-Wasserstoff-Speichern bisher einmalig ist, musste auch eine entsprechende Testumgebung entwickelt werden. Dafür wird eine hochpräzise intelligente Steuerung entwickelt, mit der unterschiedliche Parameter angepasst und optimiert werden können.
Die Crux dabei war es, die Ladeparameter so anzupassen, dass über mehrere Tausend Zyklen ein stabiler Betrieb möglich ist. Bisher gibt es laut der Mitteilung keine andere aufladbare Zink-Batterie, in der eine derartig große Langzeit- und Zyklenstabilität gezeigt werden konnte, da zumeist die Gefahr von Kurzschlüssen durch Zink-Dendriten oder schaumartige Zink-Abscheidung besteht.
Patente angemeldet
Die ersten Tests an Einzelzellen weisen demnach bereits große Erfolge auf: Bei einer realistischen Nutzung in jahreszeitbedingten Dunkelpausen, aber auch bei der täglichen Nutzung als Solarspeicher haben die preiswerten Katalysatoren eine Lebensdauer, welche einen Betrieb von mehr als zehn Jahren erlauben würden. Bis zur finalen Industrietauglichkeit muss das System zwar noch einige Etappen des Up-Scaling durchlaufen, bereits jetzt hat die im Projekt assoziierte Firma Zn2H2 aber schon Patente angemeldet. (amo)
