Vanillin als Akku-Rohstoff: Statt giftiger Schwermetalle könnte künftig Vanillin als Rohstoff für Redox-Flow-Batterien dienen – diese Stromspeicher können beispielsweise Windstrom-Überschüsse aufnehmen. Forscher haben einen Weg gefunden, das aus Holzabfällen erzeugte Vanillin auf einfachem und umweltfreundlichen Wege in einen Elektrolyt für diese Flüssigbatterien umzuwandeln.
Erneuerbare Energien wie Wind und Sonne liefern ihren Strom unregelmäßig. Deshalb werden Energiespeicher gebraucht, die den Strom bei Überschuss aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben. Neben Pumpspeichern, neuartigen Speichermethoden oder einer Nutzung des Überschussstroms für die Wasserstoffproduktion kommen auch spezielle Akkus wie die Redox-Flow-Batterie in Betracht. Sie besteht aus zwei Elektrolyt-Flüssigkeiten, die beim Laden und Entladen eine reversivle chemische Reaktion eingehen.
Der Vorteil: Die Redox-Flow-Technologie kann große Energiemengen speichern und eignet sich daher gut als Backup-Speicher für Kraftwerke, Krankenhäuser, Mobilfunkanlagen oder E-Tankstellen. Diese Batterie haben zudem eine lange Haltbarkeit und sind feuerfester als Lithium-Ionen-Batterien. Bisher allerdings enthalten die Elektrolyte dieser Akkus meist Schwermetalle oder seltene Erden – was sie wenig umweltfreundlich und teuer macht.
Ein Elektrolyt aus Vanillin
Doch jetzt gibt es Abhilfe: Forscher um Werner Schlemmer von der TU Graz haben eine Redox-Flow-Batterie entwickelt, deren Elektrolyt aus einfachem Vanillin hergestellt werden kann – dem Aromastoff, der Joghurts oder Vanillekipferl ihren Geschmack verleiht. Aus dem Vanillin erzeugten die Wissenschaftler die redoxreaktive Verbindung 2‐Methoxy‐1,4‐Hydroquinon (MHQ), die sich als Elektrolyt für die Batterie einsetzen lässt.
Wie die Forscher berichten, erfolgt die Umwandlung des Vanillins in das MHQ bei Raumtemperatur und kann mit gewöhnlichen Haushaltschemikalien umgesetzt werden. In der Redox-Flow-Batterie reagiert das in wässriger Lösung gelöste MHQ beim Laden oder Entladen mit dem zweiten Elektrolyten und wandelt sich reversibel in das eng verwandte Molekül 2-Methoxy-1,4-Quinon (MQ) um.
In ersten Tests mit Para-Benzoquinon als zweitem Elektrolyt zeigte diese Redox-Flow-Batterie eine Effizienz von 97 bis 99 Prozent und behielt diese auch nach 250 Ladezyklen bei, wie die Forscher berichten.
Abfallstoff der Zellstoffproduktion als Rohmaterial
Das Entscheidende jedoch: Vanillin, der Ausgangstoff für den neuen Elektrolyten, ist ein reichlich vorhandener Rohstoff. „Einerseits können wir es im Supermarkt kaufen, andererseits aber auch mithilfe einer simplen Reaktion von Lignin abspalten, das wiederum in großen Mengen in der Papierproduktion als Abfall anfällt“, erklärt Projektleiter Stefan Spirk von der TU Graz. Lignin ist ein Naturstoff, der in Holz vorkommt, aber für die Papier- und Zellstoffproduktion nicht benötigt wird.
Aus dem Abfall der Papierindustrie lässt sich daher einfach und günstig Vanillin und damit der Rohstoff für die Redox-Flow-Batterie herstellen. „Der Plan ist, uns mit unserer Anlage an eine Zellstoff-Fabrik dranzuhängen und dort das Vanillin aus dem Lignin, das als Abfall übrigbleibt, zu isolieren“, erklärt Spirk. „Das was nicht gebraucht wird, kann in weiterer Folge in den regulären Kreislauf zurückfließen und wie gewohnt energetisch genutzt werden.“ Erste Firmen haben an einer solchen Kooperation schon Interesse gezeigt.
Energieversorger als Tester gesucht
Wie gut sich die „Vanillin-Batterie“ als Stromspeicher eignet, wollen die Forscher dann im Echtbetrieb testen. Sie sind deshalb schon auf der Suche nach Energieversorgungsunternehmen, die die Redox-Flow-Technologie in ihre Infrastruktur einbauen möchten. Sollte sich die neue Batterie bewähren, wäre dies nach Ansicht der Wissenschaftler ein wichtiger Fortschritt für die umweltverträgliche Stromspeicherung.
„Wir können die Wertschöpfungskette rund um die Beschaffung der Rohstoffe und der Bauteile bis hin zur Stromerzeugung regional halten, Speicherkapazitäten bis zu 800 Megawattstunden ermöglichen, das Stromnetz entlasten und einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten“, so Spirk. (Angewandte Chemie International Edition, 2020; doi: 10.1002/anie.202008253)
Quelle: Technische Universität Graz
