Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin haben einen neuen Energiespeicher entwickelt der die Funktionen einer Batterie und eines Elektrolyseurs vereint. Das Team um Robert Hahn hat eine Halbzelle einer Zink-Batterie mit einer Elektrode kombiniert, an der abwechselnd Sauerstoff oder Wasserstoff erzeugt wird. Erste Prototypen zeigen vielversprechende Wirkungsgrade. Zudem sind die verwendeten Materialien – Stahl, Zink & Kaliumhydroxid – sehr kostengünstig und in großen Mengen verfügbar.
Einzigartige Kombination aus Batterie und Elektrolyseur
Das neue System befindet sich zwischen einer Batterie und einem Elektrolyseur. Es kann entweder als Batterie mit Wasserstoffproduktion oder als Elektrolyseur betrachtet werden der Energie speichert und bei Bedarf Wasserstoff & Strom abgibt. Beim Aufladen gibt das Zinkoxid, das im flüssigen Kaliumhydroxid-Elektrolyten gelöst ist, Sauerstoff ab und lagert sich als Zink-Metall auf einer Elektrode ab. Gleichzeitig entweicht an der Gaselektrode die aus einem Stahlblech mit einer dünnen Nickelbeschichtung besteht, Sauerstoff. Beim Entladen nimmt das Zink wieder Sauerstoff auf und lagert sich als feines Zinkoxid-Pulver ab. An der Gaselektrode wiederum werden Wassermoleküle reduziert und es bildet sich Wasserstoff.
Hoher Wirkungsgrad von 50 Prozent
Der erste Prototyp ist ungefähr so groß wie ein kleines Aquarium. Der Wirkungsgrad des Systems beträgt etwa 50 Prozent was ebendies in der Mitte zwischen einer Batterie und einem Elektrolyseur liegt. Lithium-Ionen-Batterien erreichen etwa 95 Prozent Wirkungsgrad, während die Erzeugung & Verstromung von Wasserstoff in Elektrolyse und Brennstoffzelle nur etwa 30 Prozent Wirkungsgrad erzielen. Das Zink-Wasserstoff-System hält beim ge- und entladen etwa 500 bis 900 Zyklen aus was im Vergleich zu ausgereiften Batterien wenig ist. Dennoch reicht diese Stabilität laut Hahn für einen Langzeitspeicher aus.
Einsatzmöglichkeiten & Vorteile
Hahn könnte sich für den praktischen Einsatz ein System aus geladenen und ungeladenen Zink-Wasserstoff-Zellen vorstellen. Je nach Bedarf könnte überschüssiger Strom aufgenommen oder gespeicherter Strom abgegeben werden, während gleichzeitig Wasserstoff produziert wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektrolyseuren fallen keine Kosten für teure Edelmetalle wie Iridium oder fluorhaltige Polymere an. Da der Wasserstoff nur bei Bedarf erzeugt wird entfällt ebenfalls der Aufwand für die Zwischenspeicherung unter hohem Druck in Gastanks.
Weitere Entwicklungen und Anwendungsmöglichkeiten
Die Forscher arbeiten derzeit an einem größeren Demonstrator der bei einer Stromstärke von 50 Ampere eine Leistung von einem Kilowatt erbringt. Dabei sollen sowie die Zyklusfestigkeit als auch die Prozesssteuerung beim Laden und Entladen optimiert werden. Anschließend könnten weitere Skalierungsschritte zu größeren Speichern folgen. Die genaue Anwendung dieser Art von Energiespeicher zukünftig ist jedoch noch unklar, da die Energielandschaft sehr komplex ist. Trotzdem könnten sich passende Nutzungsszenarien ergeben. Das Projekt assoziierte Unternehmen Zn2H2 – Zinc to Hydrogen hat bereits erste Patente für diesen Fall angemeldet.
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