Grundlagenforschung: Projekt Zn-H2
(17.10.2023) Ein Projektkonsortium, bestehend aus Forschungseinrichtungen und den Handelspartnern Zn2H2 GmbH und Steel PRO Maschinenbau GmbH, hat sich zusammengetan, um das Projekt Zn-H2 zu starten, das sich der Erforschung innovativer Lösungen für die Speicherung erneuerbarer Energie widmet. Das Ziel dieses ehrgeizigen Vorhabens ist die Entwicklung einer langlebigen Batterie, die speziell für die langfristige Stromspeicherung konzipiert ist. Das Projekt mit dem Langtitel „Wasserstoffspeicherung mittels reversibler Zink-Gaserzeugungszellen” wird vom BMBF gefördert.
Die Forscher greifen auf bewährte Batteriedesigns zurück, die Zinkanoden verwenden, und integrieren die alkalische Wasserelektrolyse, um eine völlig neue Technologie zu schaffen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Batterien sind Zinkbatterien kostengünstiger und setzen auf leicht verfügbare, vollständig recycelbare Materialien wie Stahl, Zink und Kaliumhydroxid. Zudem kann das System auf Abruf Wasserstoff produzieren.
„Herzstück unserer neuen Kombi-Batterie ist eine katalytisch aktive, bifunktionelle Gaselektrode“, erklärt Prof. Dr. Peter Strasser, Leiter des Fachgebiets „Electrochemical Catalysis, Energy and Materials Sciences“ an der TU Berlin. Sie befindet sich zusammen mit der negativen Zink-Elektrode in einem flüssigen Elektrolyten aus Kaliumhydroxid und Wasser, also Kalilauge. Beim Entladevorgang spaltet der Katalysator der Gaselektrode von den Wassermolekülen (H₂O) Wasserstoffmoleküle (H₂) ab. Dieser Wasserstoff entweicht und kann gespeichert und weiterverwendet werden. Gleichzeitig wandern elektrisch negative OH-Ionen im Elektrolyten zur Zink-Elektrode. Dort reagieren sie mit dem Zink und bilden Zinkoxid (ZnO) und Wasser unter Abgabe von Elektronen. Dieser Entladevorgang liefert also gleichzeitig nutzbare elektrische Energie und Wasserstoffgas.
„Erst beim Wiederaufladen der Batterie vollzieht sich der zweite Teil der Elektrolyse, die Abgabe von Sauerstoff“, so Peter Strasser. Mit Hilfe von elektrischer Energie und Elektronen von außen wird die Zinkoxid-Elektrode wieder zu metallischem Zink reduziert, es bilden sich OH-Ionen, die jetzt zur Gaselektrode wandern und dort vom Katalysator in Wasser umgesetzt werden, wobei Sauerstoff entweicht (4 OH → 2 H₂O + O₂). Damit diese Prozesse kontinuierlich ablaufen können, muss dem neuen Energiespeicher Wasser in der Menge zugeführt werden, in der Wasserstoff und Sauerstoff entweichen.
Die Forscher haben bereits unter Laborbedingungen die Lebensfähigkeit des Systems nachgewiesen und einzelne Zellen auf ihre Effizienz und Stabilität über mehrere Zyklen hinweg getestet. Bis zum Jahresende ist die Realisierung einer Demonstrationsanlage geplant, die Betriebstests in einem speziell entwickelten Testaufbau durchführen wird. Dabei werden acht Zellen mit jeweils einer Kapazität von etwa 12 V und 50 Ah angeschlossen.
Für die kosteneffiziente Großproduktion des Dual-Funktions-Katalysators (der wiederum Sauerstoff und Wasserstoff produziert) vertrauen die Forscher auf die galvanische Ablagerung. Der Prozess wird vor den eigentlichen Batterietests auf Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit geprüft.
Das Fraunhofer-Team IZM in Berlin hat die Planung der Demonstrationseinheit übernommen, die Konstruktion der Prüfsysteme sowie die Durchführung der Zuverlässigkeitstests. Da Zink-Wasserstoff-Batterien eine neuartige Technologie darstellen, war auch die Entwicklung einer passenden Testumgebung von grundlegender Bedeutung.
Ein entscheidender Faktor betrifft den Ladevorgang, der sorgfältig abgestimmt sein muss, um einen stabilen Betrieb über mehrere tausend Zyklen sicherzustellen. Die ersten Tests mit einzelnen Zellen haben vielversprechende Ergebnisse erbracht. Das System soll in einem realistischen Nutzungszyklus, einschließlich saisonaler Schwankungen im Tageslicht und täglichem Einsatz zur Speicherung von Solarstrom, kostengünstige Katalysatoren bieten, die über zehn Jahre oder länger in Betrieb sein können.
Das Projekt Zn-H2 wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und läuft noch bis September 2025.
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