Ein deutsches Forschungskonsortium will im Projekt Zn-H2 eine kostengünstige Zink-Batterie entwickeln, die nicht nur als Langzeitspeicher von Energie, sondern auch zur Wasserstoffproduktion genutzt werden kann. Ausgehend von bereits bekannten Lösungen im Batteriebereich mit Zink-Anode kombinieren die Forschenden diese Technologie mit der alkalischen Wasser-Elektrolyse und entwickeln eine neuartige Speichertechnologie. Anders als herkömmliche Lithium-Akkus sind Zink-Speicher nämlich wesentlich kostengünstiger, und verwenden leicht verfügbare Rohstoffe wie Stahl, Zink und Kaliumhydroxid. Zudem sind sie recycelbar. Hinzu kommt: Sie ermöglichen die bedarfsgerechte Produktion von Wasserstoff. Schlussendlich wollen die Forscher:innen also elektrisch aufladbare Wasserstoffspeicher entwickeln, die Energie in Form von metallischem Zink speichern und bedarfsgerecht Elektrizität und Wasserstoff bereitstellen.

Einzigartige Kombination aus Batterie und Wasserstoff-Herstellung

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, 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 laut Hahn hier eine wirtschaftlich attraktive Perspektive zur Speicherung grüner Energie.

Im Labor konnten die Forschenden 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 man in einem Teststand erforschen will. Final will man acht Zellen mit einer Kapazität von circa 12 Volt und 50 Ampere-Stunden elektrisch verbinden. Als kostengünstige Produktionstechnik für die großflächige Herstellung des bi-funktionalen Katalysators, an dem abwechselnd Wassersoff und Sauerstoff entsteht, untersuchen die Forschenden die galvanische Abscheidung. Vorab wollen sie mit Tests die Reproduzierbarkeit der Abscheidung untersucht.

Testumgebung für elektrisch aufladbare Wasserstoffspeicher

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 man auch eine entsprechende Testumgebung entwickeln. Dafür haben die Forscher:innen eine hochpräzise intelligente Steuerung entwickelt, mit der sie unterschiedliche Parameter anpassen und optimieren können.

Die Schwierigkeit dabei war es, die Ladeparameter so anzupassen, dass über mehrere Tausend Zyklen ein stabiler Betrieb möglich ist. Bisher gibt es keine andere aufladbare Zink-Batterie, die eine derartig große Langzeit- und Zyklenstabilität erreicht hat. Da zumeist die Gefahr von Kurzschlüssen durch Zink-Dendriten oder schaumartige Zink-Abscheidung besteht.

Die ersten Tests an Einzelzellen weisen 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. Damit ebnen sie und das gesamte Forschungskonsortium den Weg für innovative Lösungen der Energiespeicherung und Herstellung von Wasserstoff für die Ära der Energiewende.

Das vom BMBF geförderte Projekt Zn-H2 läuft noch bis September 2025. Am Projekt beteiligt sind die Zn2H2 GmbH, die Steel PRO Maschinenbau GmbH, das Fraunhofer IFAM, die Technische Universität Berlin, das Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft und das Fraunhofer IZM.

26.7.2023 | Quelle: Fraunhofer IZM | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH