Technologie: Projekte

Zink-Batterie – doppelter Wirkungs­grad plus Wasserstoff

Zink-Batterie – doppelter Wirkungsgrad plus Wasserstoff
Bildquelle: Zn2H2 GmbH

[Fraunhofer IZM] – 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.

Die Energiewende stellt Deutschland vor große Herausforderungen, insbesondere wenn es um die Speicherung grüner Energie geht. Während erneuerbare Quellen wie die Wind- und Sonnen­energie immer wirt­schaft­licher werden, fehlt es bisher an kosten­günstigen und effizien­ten Speicher­techno­logien, die das gesamte Land über längere Zeit mit grüner Energie versorgen könnten. Zudem entstehen durch die fluktuie­rende Natur von Wind- und Sonnen­energie Schwankungen in der Strom­erzeugung, so genannte Dunkelpausen, die aktuell durch den Einsatz konventioneller Kraft­werke ausge­glichen werden müssen. Das führt dazu, dass eine doppelte, energie­aufwendige Infra­struktur dauer­haft instand­gehal­ten werden muss, fossile Brennstoffe weiterhin eine wichtige Rolle spielen und damit die Umstellung auf erneuer­bare Energien erschwert wird.

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. Die Vision ist es, eine langlebige Batterie aufzubauen, die explizit für eine Lang­zeit­speicherung geeignet ist: 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, verwenden leicht verfügbare Roh­stoffe (Stahl, Zink, Kalium­hydroxid) und sind recycelbar. Ein weiterer Clou: Sie ermöglichen die bedarfs­gerechte Produktion von Wasser­stoff. Schlussendlich sollen also elektrisch aufladbare Wasser­stoff­speicher entwickelt werden, die Energie in Form von metallischem Zink speichern und bedarfs­gerecht Elek­trizität und Wasser­stoff bereitstellen.

Zink-Batterie – doppelter Wirkungsgrad plus Wasserstoff

Das Zink-Wasserstoff Speichersystem kann zu einem Zehntel der Kosten von Lithium-Batterien produziert werden und speist bedarfsgerecht Wasserstoff in den Energiekreislauf. Bildquelle: Zn2H2 GmbH

Dr. 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 hier eine wirt­schaft­lich attraktive Perspektive zur Speicherung grüner Energie.

Im Labor konnten die Forschenden das Grundprinzip des neuen Systems bereits unter Beweis stellen: Sie 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. Als kosten­günstige Produktions­technik für die groß­flächige Her­stel­lung des bi-funktionalen Katalysators, an dem abwechselnd Wassersoff und Sauerstoff entsteht, demonstrieren die Forschenden die galvanische Abscheidung: Vorab wird mit Tests die Reproduzier­barkeit der Abscheidung untersucht.

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 Herausforderung 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, 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.

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 Projekt Zn-H2 wird unter der Fördernummer 03SF0630A vom BMBF gefördert und läuft noch bis September 2025. Am Projekt beteiligt sind: Zn2H2 GmbH, Steel PRO Maschinenbau GmbH, Fraunhofer IFAM, Technische Universität Berlin, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft und das Fraunhofer IZM.   Text: Olga Putsykina