Ein deutsches Forschungskonsortium entwickelt gegenwärtig im Projekt Zn-H2 eine kostengünstige Zink-Batterie, die nicht nur als Langzeitspeicher von Energie, sondern auch zur Wasserstoffproduktion genutzt werden soll. „Erste Tests weisen einen Wirkungsgrad von 50 Prozent zur Stromspeicherung und 80 Prozent zur Wasserstofferzeugung bei einer prognostizierten Lebensdauer von zehn Jahren aus“, heißt es in einer Mitteilung des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM.
Das Konsortium besteht aus Forschungseinrichtungen und den Firmen Zn2H2 GmbH und Steel PRO Maschinenbau GmbH. Ausgehend von bereits bekannten Lösungen im Batteriebereich mit Zink-Anode kombinieren die Forschenden diese Technologie mit der alkalischen Wasser-Elektrolyse und entwickeln auf diesem Weg eine neuartige Speichertechnologie. Anders als herkömmliche Lithium-Akkus sind Zink-Speicher wesentlich kostengünstiger, verwenden leicht verfügbare Rohstoffe (Stahl, Zink, Kaliumhydroxid) und sind recycelbar. „Ein weiterer Clou: Sie ermöglichen die bedarfsgerechte Produktion von Wasserstoff.“ Schlussendlich sollen elektrisch aufladbare Wasserstoffspeicher entwickelt werden, die Energie in Form von metallischem Zink speichern und bedarfsgerecht Elektrizität und Wasserstoff bereitstellen.
„Während des Aufladens oxidiert Wasser in der Batterie zu Sauerstoff, gleichzeitig wird Zinkoxid zu metallischem Zink reduziert“, erläutert Robert Hahn vom Fraunhofer IZM koordiniert das Projekt. Bei der bedarfsgerechten Entladung der Speicherzelle wird das Zink wieder in Zinkoxid umgewandelt. Das Wasser wird wiederum reduziert, so dass Wasserstoff erzeugt und freigesetzt wird.
Gesamtwirkungsgrad der Stromspeicherung von 50 Prozent
Es entstehe damit eine einzigartige Kombination aus Batterie und Wasserstoff-Herstellung mit einem Gesamtwirkungsgrad der Stromspeicherung von 50 Prozent, „womit wir die alternative und zurzeit favorisierte Power-to-Gas-Technologie doppelt übertreffen“. Da die Materialkosten weniger als ein Zehntel eines Lithium-Akkus betragen, eröffne sich hier eine wirtschaftlich attraktive Perspektive zur Speicherung grüner Energie.
Im Labor konnten die Forschenden das Grundprinzip des neuen Systems bereits unter Beweis stellen und untersuchten anhand von Einzelzellen Wirkungsgrade und die Stabilität der Ladezyklen. Nun steht der nächste Schritt an: Bis zum Jahresende soll ein Demonstrator entstehen, dessen Betriebsführung in einem Teststand erforscht wird. Final sollen acht Zellen mit einer Kapazität von circa 12 Volt und 50 Ampere-Stunden elektrisch verbunden werden. Als kostengünstige Produktionstechnik für die großflächige Herstellung des bi-funktionalen Katalysators, an dem abwechselnd Wassersoff und Sauerstoff entsteht, demonstrieren die Forschenden die galvanische Abscheidung: Vorab wird mit Tests die Reproduzierbarkeit der Abscheidung untersucht.
Das Team am Fraunhofer IZM in Berlin ist verantwortlich für die Auslegung des Demonstrators, den Aufbau eines Teststands und die Durchführung der Zuverlässigkeitstests. Da diese Art von Zink-Wasserstoff-Speichern bisher einmalig ist, musste auch eine entsprechende Testumgebung entwickelt werden. Dafür wird eine hochpräzise intelligente Steuerung entwickelt, mit der unterschiedliche Parameter angepasst und optimiert werden können.
Erste Tests mit Einzelelementen verlaufen vielversprechend
„Die Crux dabei war es, die Ladeparameter so anzupassen, dass über mehrere Tausend Zyklen ein stabiler Betrieb möglich ist“, heißt es weiter. Bisher gibt es nach Angaben der Wissenschaftler keine andere aufladbare Zink-Batterie, in der eine derartig große Langzeit- und Zyklenstabilität gezeigt werden konnte, da zumeist die Gefahr von Kurzschlüssen durch Zink-Dendriten oder schaumartige Zink-Abscheidung besteht.
Die ersten Tests an Einzelzellen wiesen bereits große Erfolge auf: Bei einer realistischen Nutzung in jahreszeitbedingten Dunkelflauten, aber auch bei der täglichen Nutzung als Solarspeicher hätten die preiswerten Katalysatoren eine Lebensdauer, die einen Betrieb von mehr als zehn Jahren erlauben würden. „Bis zur finalen Industrietauglichkeit muss das System zwar noch einige Etappen des Up-Scaling durchlaufen, bereits jetzt hat die im Projekt assoziierte Firma Zn2H2 aber schon Patente angemeldet.“ Damit ebneten sie und das gesamte Forschungskonsortium den Weg für innovative Lösungen der Energiespeicherung und Herstellung von Wasserstoff für die Ära der Energiewende.
Das Projekt Zn-H2 wird unter der Fördernummer 03SF0630A vom BMBF gefördert und läuft noch bis September 2025. Am Projekt beteiligt sind: Zn2H2 GmbH, Steel PRO Maschinenbau GmbH, Fraunhofer IFAM, Technische Universität Berlin, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft und das Fraunhofer IZM.
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