Energiewende Forschungskonsortium entwickelt Lösung für die Speicherung grüner Energie

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

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Ohne gute Speicher bleibt die Energiewende herausfordernd. Die Zinkbatterie speichert Energie nicht nur besser und lange sondern kann auch der Wasserstoffherstellung helfen.

Die Energiewende stellt Deutschland vor große Herausforderungen, insbesondere wenn es um die Speicherung grüner Energie geht, wie die Experten vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM wissen. Während erneuerbare Energiequellen, die mit Windkraft und Sonnenlicht arbeiten, immer wirtschaftlicher würden, fehle es bisher aber an günstigen und effizienten Speichern, die das gesamte Land über längere Zeit mit grüner Energie versorgen könnten. Auch entstehen durch nie dauerhaft existierenden Effekte in der Natur bei Wind- und Sonnenenergie Schwankungen in der Stromerzeugung – sogenannte Dunkelpausen –die heute nur durch konventionelle Kraftwerke ausgeglichen werden können, wie es weiter heißt.

Das führt dazu, dass quasi eine doppelte und energieaufwändige Energieinfrastruktur bisher instandgehalten werden muss. Fossile Brennstoffe werden deshalb weiterhin eine wichtige Rolle spielen und damit die Umstellung auf erneuerbare Energien erschweren. Ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen und dem Unternehmen Zn2H2 GmbH sowie Steel PRO Maschinenbau GmbH setzt im Projekt Zn-H2 auf batterietechnische Innovationen, um grüne Energie zu speichern.

Diese Vorteile haben Energiespeicher auf Zinkbasis

Die Vision der Partner ist es, eine langlebige Batterie aufzubauen, die explizit für eine Langzeitspeicherung geeignet ist. Ausgehend von bereits bekannten Möglichkeiten im Batteriebereich mit Zink-Anode kombinieren die Forscher diese Technik mit der alkalisch basierten Elektrolyse von Wasser. Sie entwickeln, wie es weiter heißt, neue Speicher auf Zinkbasis, die, anders als herkömmliche Lithium-Akkus, wesentlich günstiger sind. Außerdem werden dafür relativ gut verfügbare Rohstoffe wie Stahl, Zink und Kaliumhydroxid verwendet, die auch noch gut zu recyceln sind. Als weiterer Clou gilt, dass sie es ermöglichen, die bedarfsgerechte Produktion von Wasserstoff auf die Beine zu stellen. Schlussendlich sollen also elektrisch aufladbare Wasserstoffspeicher entwickelt werden, die Energie in Form von metallischem Zink speichern und dieselbe bedarfsgerecht als Elektrizität und Wasserstoff bereitstellen.

Einzigartige Kombination aus Batterie und Wasserstoffquelle

Dr. Robert Hahn vom Fraunhofer IZM koordiniert das Projekt. Er 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 wiederum wird reduziert, so dass Wasserstoff erzeugt und freigesetzt wird, wie der Experte weiter ausführt. Das sei eine einzigartige Kombination aus Batterie und Wasserstoffquelle, die einen Gesamtwirkungsgrad bei der Stromspeicherung von 50 Prozent ins Feld führt. „Somit können wir die alternative und zurzeit favorisierte Power-to-Gas-Technologie doppelt übertreffen“, macht Hahn klar. Weil die Materialkosten weniger als ein Zehntel eines Lithium-Akkus betragen, eröffnet sich auch eine wirtschaftlich attraktive Perspektive zur Speicherung grüner Energie, heißt es zudem.

Im Labor konnten die Forscher das theoretische Prinzip des neuen Systems bereits unter Beweis stellen. Sie untersuchten anhand von Einzelzellen Wirkungsgrade und die Stabilität der Ladezyklen. Nun stehe der nächste Schritt an. Dabei soll bis Jahresende ein Demonstrator entstehen, dessen Betriebsführung in einem Teststand erforscht werden könne. Final sollen acht Zellen mit einer Kapazität von circa 12 Volt und 50 Ampere-Stunden elektrisch verbunden werden. Als günstig bezeichnete Produktionstechnik für die großflächige Herstellung des bifunktionalen Katalysators, an dem abwechselnd Wasserstoff und Sauerstoff entstehen, betrachtet man die galvanische Abscheidung, die vorab in Sachen Reproduzierbarkeit untersucht wird.

Neuartige Zinkbatterie könnte Energiewende mitentscheiden

Das Team am Fraunhofer IZM in Berlin ist verantwortlich für die Auslegung des Demonstrators, den Aufbau eines Teststands und die Durchführung der Zuverlässigkeitstests. Weil diese Art von Zink-Wasserstoff-Speichern bisher einmalig sei, musste auch eine entsprechende Testumgebung entwickelt werden. Dafür wird eine hochpräzise „intelligente“ Steuerung entwickelt, mit der unterschiedliche Parameter angepasst und optimiert werden können. Die Crux dabei war es, die Ladeparameter so anzupassen, dass über mehrere Tausend Zyklen ein stabiler Betrieb möglich ist, erinnern sich die Berliner. Bisher gebe es keine andere aufladbare Zinkbatterie, bei der eine derartig große Langzeit- und Zyklenstabilität existiert, weil die Gefahr von Kurzschlüssen durch Zinkdendriten oder schaumartige Zinkabscheidung besteht.

Die ersten Tests an Einzelzellen wiesen bereits große Erfolge auf. Denn bei einer realistischen Nutzung in jahreszeitbedingten Dunkelpausen, aber auch bei der täglichen Nutzung als Solarspeicher, sollen die preiswerten Katalysatoren eine Lebensdauer von über 10 Jahren haben. Bis zur finalen Industrietauglichkeit muss das System aber noch einige Etappen des Up-Scaling durchlaufen. Doch bereits jetzt habe das Unternehmen Zn2H2 schon Patente angemeldet.

Das Projekt Zn-H2 wird unter der Fördernummer 03SF0630A vom BMBF gefördert und läuft noch bis September 2025. Am Projekt beteiligt sind außerdem das Fraunhofer IFAM, die Technische Universität Berlin und das Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft.

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