Kombi-Batterie ist Akku und Wasserstofffabrik zugleich

Technik für die Energiewende: Forschende haben eine günstige Batterie entwickelt, die Strom speichern, aber auch Wasserstoff produzieren kann. Möglich wird dies durch eine Zinkanode und einen wässrigen Elektrolyten, dessen Wassermoleküle beim Entladen des Akkus zerlegt werden. In ersten Tests erreichte ein Demonstrator dieses Systems einen Wirkungsgrad von 50 Prozent bei der Stromspeicherung und von 80 Prozent bei der Wasserstoff-Produktion. Die Lebensdauer könnte bei zehn Jahren liegen.

Für den Erfolg der Energiewende sind effiziente Stromspeicher entscheidend, denn sie können die Schwankungen in der Stromerzeugung durch Wind- und Solaranlagen abpuffern. Mögliche Technologien dafür sind neben Carnot-Batterien, Schwungradspeichern oder Pumpspeichern vor allem Großbatterien – Akkus, die überschüssigen Strom mit möglichst hohem Wirkungsgrad aufnehmen und wieder abgeben können. Dafür eigenen sich ausgediente Elektroauto-Akkus, aber auch neuartige Batterien aus kostengünstigeren und haltbareren Komponenten.

Batterie und Elektrolyseur in einem

Jetzt haben Forschende des Projekts Zn-H2 einen Batteriespeicher entwickelt, der günstig herstellbar und gleich doppelt nützlich ist: Die zinkbasierte Batterie kann Strom effizient speichern und erreicht dabei in ersten Prototypen eine Energiedichte von fast 1.300 Wattstunden pro Liter Elektrolyt. Gleichzeitig kann dieser Akku jedoch auch Wasserstoff produzieren. Beim Entladen findet im wässrigen Elektrolyten eine Elektrolyse statt und es entsteht Wasserstoffgas.

Möglich wird dies durch eine Weiterentwicklung von bereits bekannten Batterien mit Zink-Anode. Solche Zinkbatterien sind wesentlich kostengünstiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus und verwenden leicht verfügbare Rohstoffe wie Stahl, Zink und Kaliumhydroxid. Die Wissenschaftler des Zn-H2-Konsortiums haben diese Batterietechnologie jetzt mit der alkalischen Wasser-Elektrolyse kombiniert und so den neuartigen „Doppelspeicher“ entwickelt.

Zink, Kaliumhydroxid und ein Katalysator

Grundkomponenten der neuen Kombi-Batterie sind eine Anode aus Zink, ein flüssiger Elektrolyt aus Kaliumhydroxid und eine katalytische Gas-Elektrode als Kathode. Letztere kann je nach Stromfluss entweder den Wassermolekülen des Elektrolyten Wasserstoff entziehen oder aber die entstehenden OH-Ionen wieder zu Wasser reduzieren und dabei Sauerstoff freisetzen. Dadurch entsteht ein elektrisch aufladbarer Wasserstoffspeicher, der Energie speichern und sie bedarfsgerecht als Elektrizität oder Wasserstoff bereitstellen kann.

Praktisch funktioniert die neue Batterie so: „Während des Aufladens oxidiert Wasser in der Batterie, gleichzeitig wird Zinkoxid zu metallischem Zink reduziert“, erklärt Projektkoordinator Robert Hahn vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM. „Bei der Entladung der Speicherzelle wird das Zink wieder in Zinkoxid umgewandelt. Das Wasser wird wiederum reduziert, sodass Wasserstoff erzeugt und freigesetzt wird.“

Effizient bei Strom und Wasserstoff

Wie gut das System funktioniert, haben die Forschenden bereits anhand von Prototypen solcher Batteriezellen getestet. Das Ergebnis: Die zinkbasierten Kombi-Batterien erreichen bei der Stromspeicherung einen Wirkungsgrad von 50 Prozent und bei der Wasserstofferzeugung einen Wirkungsgrad von 80 Prozent: Pro Kilogramm Wasserstoff benötigt das System netto 44 Kilowattstunden Strom. „Damit übertreffen wir die alternative und zurzeit favorisierte Power-to-Gas-Technologie um das Doppelte“, sagt Hahn.

Die Tests ergaben zudem, dass die Kombi-Batterie eine große Haltbarkeit hat: In den Labortests absolvierten die Prototypen mehr als 4.000 Lade- und Entladezyklen, ohne dass größere Leistungseinbußen auftraten. Übertragen auf den praktischen Einsatz bedeutet dies: Bei einer realistischen Nutzung in jahreszeitbedingten Dunkelpausen, aber auch bei der täglichen Nutzung als Solarspeicher haben die bi-funktionalen Katalysatoren der Kathode eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahren.

Weitere Skalierung in Arbeit

Nach Ansicht des Projektteams eröffnen diese Kombi-Batterien damit eine vielversprechende Speicherlösung für die Energiewende. Denn mit solchen Systemen könnte Strom aus Sonne und Wind gespeichert werden und dann wahlweise als Wasserstoff oder Strom wieder weitergenutzt werden. Die im Rahmen des Projekts gegründete Firma Zn2H2 hat bereits Patente auf diese Technologie angemeldet, als nächster Schritt steht nun die schrittweise Skalierung des Systems bis zur Industrietauglichkeit an.

Bis zum Jahresende wollen die Forschenden einen größeren Demonstrator entwickeln, der acht Zellen mit einer Kapazität von rund zwölf 12 Volt und 50 Ampere-Stunden kombiniert.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, Zn-H2-Konsortium