17.10.2023 – Ein Forschungskonsortium entwickelt einen neuen Energiespeicher, der beim Entladen nicht nur elektrische Energie, sondern auch Wasserstoff abgibt.
Wie die TU Berlin mitteilte, kombiniert die neuartige Zink-Wasserstoff-Batterie Batterie und Elektrolyseur, indem sie die negative Zinkelektrode der Batterie mit dem Prinzip der alkalischen Wasserelektrolyse verbindet. Als positive Gegenelektrode wird eine spezielle Wasserstoff/Sauerstoff-Gaselektrode verwendet, die als Elektrokatalysator dienen soll. Während des Entladevorgangs spaltet der Katalysator der Gaselektrode die Wasserstoffmoleküle (H2) von den Wassermolekülen (H2O) ab. „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 Prof. Dr. Peter Strasser, Leiter des Fachgebiets „Electrochemical Catalysis, Energy and Materials Sciences“ an der TU Berlin. Dieser entweichende Wasserstoff kann gespeichert und später entweder direkt als Rohstoff in Prozessen der chemischen Industrie eingesetzt, in konventionellen Brennstoffzellen oder Turbinen in Strom umgewandelt oder als Brennstoff für Wärme in Gaskraftwerken oder Fernwärmenetzen genutzt werden. Gleichzeitig wandern im Elektrolyten elektrisch negative OH-Ionen zur Zink-Elektrode, die dort mit dem Zink unter Elektronenabgabe zu Zinkoxid (ZnO) und Wasser reagieren. Somit liefert der Entladevorgang also gleichzeitig nutzbare elektrische Energie und Wasserstoffgas.
Der Zink-Wasserstoff Speicher lässt sich zu einem Zehntel der Kosten von Lithiumbatterien herstellen und speist Wasserstoff bedarfsgerecht in den Energiekreislauf ein. Grafik: Zn2H2 GmbH
„Erst beim Wiederaufladen der Batterie vollzieht sich der zweite Teil der Elektrolyse, die Abgabe von Sauerstoff“, erklärt Peter Strasser. Mit Hilfe von elektrischer Energie und Elektronen von außen wird die Zinkoxid-Elektrode wieder zu metallischem Zink reduziert. Dabei entstehen OH-Ionen, die nun zur Gaselektrode wandern und dort vom Katalysator zu Wasser umgewandelt werden, wobei Sauerstoff entweicht (4 OH → 2 H2O + O2). Für einen kontinuierlichen Prozess ist die Zufuhr von Wasser in den Energiespeicher in der Menge erforderlich, in der Wasserstoff und Sauerstoff entweichen.
Erste Tests am federführenden Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM haben bereits gezeigt, dass die neue Batterie sehr effizient arbeitet. Mit einem Gesamtwirkungsgrad des „Strom-zu-Strom“-Speichers von 50 Prozent sei dieser doppelt so hoch wie bei den meisten Power-to-Gas-Technologien, bei denen zum Beispiel Strom aus Windkraft durch konventionelle Elektrolyse in Wasserstoffgas umgewandelt und der Wasserstoff anschließend mit Turbinen oder Brennstoffzellen wieder in Strom umgewandelt wird. Bei der Wasserstofferzeugung liegt der Wirkungsgrad sogar bei 80 Prozent. Darüber hinaus deuten Labortests auf eine Lebensdauer der Systeme von etwa zehn Jahren hin.
Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus sei der neue Speicher zudem günstiger in der Herstellung und koste nur ein Zehntel der Materialkosten. Die günstigen Rohstoffe ermöglichen zudem ein einfaches Recycling.
Bis Ende des Jahres will das Forschungsteam nun einen Demonstrator aufbauen und Zuverlässigkeitstests durchführen. Voraussetzung dafür ist die Optimierung der Lade- und Entladeparameter im Hinblick auf einen stabilen Betrieb über mehrere tausend Zyklen.
Neben der TU Berlin waren außerdem die Steel PRO Maschinenbau GmbH, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) sowie das Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft beteiligt. Über die ebenfalls am Konsortium beteiligte Zn2H2 GmbH, die bereits mehrere Patente für das Verfahren angemeldet hat, wäre bei positiven Ergebnissen der Demonstratorversuche zudem eine schnelle Umsetzung in den Markt gewährleistet. (pms)