Forschung: recycelbare Zink-Batterie zur Speicherung grüner Energie
Forschungsvorhaben zur Entwicklung von Langzeitspeichern für Dunkelpausen
Mit der Energiewende soll eine klimaverträgliche Zukunft gesichert werden. Eines der Ziele dabei ist, auch im Winter mit Solarstrom heizen zu können. Dazu braucht es effiziente Speichertechnologien, die die fossilen Brennstoffe in den sogenannten Dunkelpausen ersetzen. Ein deutsches Forschungskonsortium unter der Leitung des Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM setzt genau hier an und arbeitet an der Entwicklung einer kostengünstigen Zink-Batterie, die nicht nur als Langzeitspeicher von Energie, sondern auch zur Wasserstoffproduktion genutzt werden kann.
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Die Speicherung von Strom spielt in der Energiewende eine große Rolle. Forschende des Fraunhofer IZM arbeiten deshalb an einem kostengünstigen und effizienten Stromspeicher, der sogar noch Wasserstoff produzieren kann.
Bild: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, Berlin
01|02
Die Nutzung von Wind- und Sonnenenergie wird immer wirtschaftlicher, doch genauso wichtig wie deren Ausbau und Effizienzsteigerung ist auch die kostengünstige und effiziente Speicherung grüner Energie. Ziel wäre es, das gesamte Land über längere Zeit mit grüner Energie versorgen zu können. Doch da Wind und Sonne naturgemäß fluktuieren, entstehen Schwankungen in der Versorgung, die sogenannten Dunkelpausen, etwa an windstillen Winterabenden, die aktuell durch den Einsatz konventioneller Kraftwerke ausgeglichen werden müssen – was in Zukunft vermieden werden soll.
Leicht verfügbare Rohstoffe
Ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen und Unternehmen arbeitet daher unter dem Projektnamen Zn-H2 an innovativen Lösungen mit denen grüne Energie gespeichert werden kann. Die Vision ist es, eine langlebige Batterie zu entwickeln, die explizit für eine Langzeitspeicherung geeignet ist: Die Forschenden kombinieren dafür bereits bekannten Technologie im Batteriebereich wie die Zink-Anode mit der alkalischen Wasser-Elektrolyse und entwickeln so eine neuartige Speichertechnologie. Anders als herkömmliche Lithium-Akkus sind Zink-Speicher nämlich wesentlich kostengünstiger, bestehen aus leicht verfügbaren Rohstoffen (Stahl, Zink, Kaliumhydroxid) und sind recycelbar. Ein weiterer Vorteil: Sie ermöglichen die bedarfsgerechte Produktion von Wasserstoff.
Funktionsweise der Batterie
Wie das funktioniert, erklärt Dr. Robert Hahn vom Fraunhofer IZM wie folgt: „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, sodass Wasserstoff erzeugt und freigesetzt wird. Es entsteht eine einzigartige Kombination aus Batterie und Wasserstoff-Herstellung mit einem Gesamtwirkungsgrad der Stromspeicherung von fünfzig Prozent, womit wir die alternative und zurzeit favorisierte Power-to-Gas-Technologie doppelt übertreffen.“
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Die Speicherung von Strom spielt in der Energiewende eine große Rolle. Forschende des Fraunhofer IZM arbeiten deshalb an einem kostengünstigen und effizienten Stromspeicher, der sogar noch Wasserstoff produzieren kann.
Bild: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, Berlin
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Forschungsstand
Im Labor konnten die Forschenden das Grundprinzip des neuen Systems bereits unter Beweis stellen. Nun steht der nächste Schritt an: Bis zum Jahresende soll ein Demonstrator entstehen, dessen Betriebsführung in einem Teststand erforscht wird. Die ersten Tests an Einzelzellen weisen jedoch 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, die 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 das im Projekt assoziierte Unternehmen Zn2H2 aber schon Patente angemeldet.
Das Projekt Zn-H2 wird unter der Fördernummer 03SF0630A vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und läuft noch bis September 2025. Am Projekt beteiligt sind: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration, Berlin; Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung, Bremen/Dresden; Technische Universität Berlin, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin und die Unternehmen Zn2H2, Erftstadt; Steel PRO Maschinenbau, Berlin.
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