Neuartige Zinkbatterie als Langzeitspeicher für grüne Energie
Der Einsatz von Wind- und Sonnenenergie wird zwar immer wirtschaftlicher, bislang fehlt es jedoch an Speichertechnologien, um Deutschland über längere Zeit zuverlässig mit der Energie versorgen zu können. Wird eine neuartige Zinkbatterie das nun ändern?
Foto: Elke von Rekowski
Im Projekt Zn-H2 arbeitet ein deutsches Forschungskonsortium unter der Leitung des Fraunhofer IZM an der Entwicklung einer Zinkbatterie, die im Vergleich zu lithiumbasierten Batterien als kostengünstig gilt. Die Vision der Forschenden: Die Batterie soll nicht nur als Langzeitspeicher von Energie, sondern auch zur Wasserstoffproduktion genutzt werden können.
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Zinkbatterie mit vielen Vorteilen
Die Projektpartner nutzen bereits bekannte Lösungen im Batteriebereich mit einer Zinkanode. Diese Technologie kombinieren sie zur Entwicklung einer neuartigen Speichertechnologie mit der alkalischen Wasserelektrolyse. Davon erhoffen sie sich zahlreiche Vorteile: Zinkspeicher sind günstiger als herkömmliche Lithiumakkus. Zudem kommen bei den Zinkspeichern leicht verfügbare Rohstoffe (Stahl, Zink, Kaliumhydroxid) zum Einsatz und sie sind recycelbar. Darüber hinaus ermöglichen sie den Forschenden zufolge die bedarfsgerechte Produktion von Wasserstoff. Geplant ist, elektrisch aufladbare Wasserstoffspeicher zu entwickeln, die Energie in Form von metallischem Zink speichern und bedarfsgerecht Elektrizität und Wasserstoff bereitstellen.
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Kombination aus Batterie und Wasserstoffherstellung
„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“, erklärt Robert Hahn vom Fraunhofer IZM, der das Projekt koordiniert. Das Wasser werde wiederum reduziert, sodass Wasserstoff erzeugt und freigesetzt werde. „Es entsteht eine einzigartige Kombination aus Batterie und Wasserstoffherstellung mit einem Gesamtwirkungsgrad der Stromspeicherung von 50 %, womit wir die alternative und zurzeit favorisierte Power-to-Gas-Technologie doppelt übertreffen.“ Die Materialkosten betragen weniger als ein Zehntel eines Lithiumakkus. Die Projektpartner sind daher davon überzeugt, dass sich hier eine wirtschaftlich attraktive Perspektive zur Speicherung grüner Energie eröffnet.
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Effektiver und langlebiger Batterietyp
Erste Tests wurden bereits mit vielversprechenden Ergebnissen abgeschlossen. Die Tests weisen nicht nur einen Wirkungsgrad von 50 % zur Stromspeicherung aus, sondern auch einen Wirkungsgrad von rund 80 % zur Wasserstofferzeugung bei einer prognostizierten Lebensdauer von zehn Jahren.
Darüber hinaus untersuchten die Forschenden die Stabilität der Ladezyklen. Die Herausforderung: Die Ladeparameter müssen so angepasst werden, dass über mehrere Tausend Zyklen ein stabiler Betrieb möglich ist. Bisher gibt es laut den Forschenden keine andere aufladbare Zinkbatterie, in der eine derartig große Langzeit- und Zyklenstabilität gezeigt werden konnte. Bisher begrenzt die Gefahr von Kurzschlüssen durch Zinkdendriten oder schaumartige Zinkabscheidung die Lebensdauer dieses Batterietyps. Tests an Einzelzellen wurden bereits erfolgreich absolviert. Bei einer realistischen Nutzung in jahreszeitbedingten Dunkelpausen, aber auch bei der täglichen Nutzung als Solarspeicher haben die preiswerten Katalysatoren demnach eine Lebensdauer, welche einen Betrieb von mehr als zehn Jahren erlauben würde.
Demonstrator der neuen Zinkbatterie kommt bis Jahresende
In einem nächsten Schritt soll bis zum Jahresende ein Demonstrator entstehen, dessen Betriebsführung in einem Teststand erforscht wird. Acht Zellen mit einer Kapazität von circa 50 Ah bei 12 V sollen elektrisch verbunden werden. Als kostengünstige Produktionstechnik für die großflächige Herstellung des bifunktionalen Katalysators, an dem abwechselnd Wasserstoff und Sauerstoff entsteht, demonstrieren die Forschenden die galvanische Abscheidung: Vorab wird mit Tests die Reproduzierbarkeit der Abscheidung untersucht.
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.
Zinkbatterie noch nicht massentauglich
Bis zur finalen Industrietauglichkeit muss die neuartige Zinkbatterie noch einige Etappen des Up-Scaling durchlaufen. Die im Projekt assoziierte Firma Zn2H2 hat aber bereits jetzt schon Patente angemeldet. Die Forschenden sind davon überzeugt, dass ihr Vorhaben den Weg für innovative Lösungen der Energiespeicherung und Herstellung von Wasserstoff für die Ära der Energiewende ebnet.
