Hochtemperatur-Energiespeicher der nächsten Generation: Projekt MeMO erforscht neuartige Batterien für erneuerbare Energien
Speicherdichte soll Lithium-Ionen-Batterien übertreffen
Solche Batterien versprechen Speicherdichten, die über jenen von Lithium-Ionen-Batterien liegen. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 4,5 Millionen Euro geförderten Projekt "MeMO" erforschen Jülicher Wissenschaftler das Potenzial und die Grenzen dieses neuen Batterietyps. Der Parlamentarische Staatssekretär im BMBF, Thomas Rachel MdB, hat das Forschungszentrum Jülich zum Projektstart besucht.
Metall-Metalloxid-Speicher bringen neue Optionen, um den Stromanteil aus erneuerbaren Energien zu steigern
Für Elektrofahrzeuge sind Lithium-Ionen-Batterien aktuell erste Wahl, die für den Einsatz bei Umgebungstemperaturen optimiert sind. Aber wenn es darum geht, Schwankungen der Stromversorgung im großen Maßstab aufzufangen, sind andere Aspekte von größerer Bedeutung, in erster Linie Kosten, Sicherheitsfragen und Umweltverträglichkeit.
Die im Projekt erforschte neue Klasse von Hochtemperatur-Batterien bietet daher eine bisher kaum verfolgte, vielversprechende Option für Speicher mittlerer und großer Kapazität. „Metall-Metalloxid-Speicher, wie sie das Forschungszentrum Jülich erforscht, versprechen ein großes Speicherpotenzial und hohe Lade- und Entladeströme bei kurzen Ansprechzeiten. Die Wissenschaftler schaffen damit neue technische Optionen, um den Stromanteil aus erneuerbaren Energien zu steigern, wie es das Energiekonzept der Bundesregierung vorsieht“, sagt der Parlamentarische Staatssekretär im Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Thomas Rachel.
Anwendungsorientierte Batterieforschung
In dem jetzt gestarteten Projekt arbeiten Jülicher Wissenschaftler aus dem Institut für Energie- und Klimaforschung daran, wichtige technologische Fragen zu beantworten.
„MeMO verfolgt den für Jülich typischen ganzheitlichen Ansatz, von werkstoffwissenschaftlichen Aspekten über die Prozessentwicklung bis hin zu dem Test und der Bewertung des Gesamtsystems. Die Erkenntnisse werden zum Aufbau einer Forschungs- und Entwicklungsinfrastruktur genutzt, die der Industrie zukünftig für eine rasche Kommerzialisierung zur Verfügung stehen soll“, erläutert Prof. Harald Bolt, Mitglied des Vorstands des Forschungszentrums Jülich.
Kostengünstige und umweltfreundliche Materialien
Die infrage kommenden Materialien sind kostengünstig verfügbar, nicht explosiv und nicht – oder höchstens leicht – giftig. Sie zeichnen sich durch ein hohes Maß an Sicherheit bei der Herstellung, dem Betrieb und dem späteren Recycling aus. Untersucht wird die Kombination aus Eisen und Eisenoxid sowie eine Reihe weiterer Metalle und Legierungen.
Fünffache Speicherdichte im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien angestrebt
Sie lassen Speicherdichten erwarten, die mit etwa 1.000 Wh/kg deutlich höher sind als die von derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien, die bei rund 200 Wh/kg liegen. Ein weiterer Vorteil: Der Reaktionspartner ist Sauerstoff und kann beim Entladen der natürlichen Umgebung entzogen und an diese beim Laden einfach wieder zurückgegeben werden.
Brennstoffzellenkomponente wird für Batterien genutzt
Das Vorhaben knüpft direkt an die umfangreichen Arbeiten des Forschungszentrums Jülich im Bereich Brennstoffzellen an. Eine Komponente, der sogenannte Festelektrolyt von planaren Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC), wird auch für die Batterie genutzt. Der Elektrolyt spielt eine Schlüsselrolle für den Sauerstofftransport und trennt in der Batterie die sauerstoffhaltige Luft auf der einen vom Metallpulver auf der anderen Seite. In der Brennstoffzelle befördert er den Sauerstoff zum Wasserstoff. In der Batterie transportiert er den Sauerstoff dagegen in beide Richtungen und regelt so die Oxidations- und Reduktionsvorgänge von Sauerstoff und anliegendem Metall.
Betriebstemperatur von mehr als 800 Grad Celsius
„Eine besondere Herausforderung stellt die Herstellung geeigneter Speichermaterialien dar. Werkstoffe und Mikrostruktur müssen der Betriebstemperatur dauerhaft standhalten, die im Extremfall bei über 800 Grad Celsius liegen kann, und die ständigen Oxidations- und Reduktionswechsel überstehen“, erklärt Projektkoordinator Dr. Norbert Menzler vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung.
Feinkörnige Metallpulver neigen bei hohen Temperaturen zum Zusammensintern, wodurch sich die Oberfläche drastisch verkleinert und Lade- und Entladeströme rasch abnehmen.
„Durch Beimengen anderer Stoffe, beispielsweise von Keramiken, werden wir versuchen, dieses Zusammenbacken zu verhindern oder zu minimieren. Auch niedrigere Betriebstemperaturen von 550 bis 600 Grad schwächen den Effekt ab“, so Menzler. Dafür werden deutlich leistungsfähigere Werkstoffe benötigt, die durch Forschungsarbeiten zur Herstellung von Nano- und Mikropulvern bis hin zu neuen Herstellungs- und Beschichtungsverfahren entwickelt werden sollen.
30.09.2012 | Quelle: Forschungszentrum Jülich | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH
