Ein deutscher Forschungsverbund um das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) arbeitet an einer Zinkbatterie, die beim Entladen Wasserstoff bereitstellt. Mit einem Gesamtwirkungsgrad der Stromspeicherung von 50 Prozent sei sie doppelt so effizient wie die „zurzeit favorisierte Power-to-Gas-Technologie“, teilte Projektkoordinator Robert Hahn vom Berliner Institut mit. Bei der Wasserstoffproduktion komme sie sogar auf einen Wirkungsgrad von 80 Prozent.
Der neuartige, auf eine Langzeitspeicherung ausgelegte Stromspeicher reduziert beim Laden Zinkoxid zu Zink und oxidiert gleichzeitig Wasser zu Sauerstoff, erklärte Hahn. Beim Entladen erfolge dann die gegenläufige Reaktion. Zink wird wieder in Zinkoxid umgewandelt und das Wasser zu Wasserstoff reduziert. So könne Wasserstoff bedarfsgerecht bereitgestellt werden. Im Gegensatz zur herkömmlichen Akkutechnologie sind hierbei elektrische Leistung und speicherbare Energie voneinander entkoppelt. Skaliert man in diesem System die Speichermenge bei gleicher Leistung hoch, falle der Kostenanstieg „wesentlich kleiner“ aus, hoben die Forscher hervor.
Kostengünstig, langlebig und recycelbar
Zinkspeicher zeichnen sich im Vergleich zu Lithium-Ionen-Speichern durch die Verwendung kostengünstiger und gut verfügbarer Rohstoffe wie Stahl, Zink, Kaliumhydroxid aus, die zudem gut recycelbar sind. Hahn sieht daher in Zinkspeichern eine „wirtschaftlich attraktive“ Lösung zur Speicherung grüner Energie. Die Materialkosten beliefen sich auf „weniger als ein Zehntel eines Lithiumakkus“, erläuterte er.
Der neuartige, auf eine Langzeitspeicherung ausgelegte Stromspeicher reduziert beim Laden Zinkoxid zu Zink und oxidiert gleichzeitig Wasser zu Sauerstoff. Er kann also sowohl der Speicherung von Strom wie der Erzeugung von Wasserstoff dienen.
Doch bisherige Zinkbatterien zeigten in der Vergangenheit oft Probleme bei der Zyklenstabilität im Langzeitbetrieb, unter anderem aufgrund von Kurzschlüssen. Beim neuen Zink-Wasserstoff-Speicher forschen die Wissenschaftler deshalb an Ladeparametern, die über mehrere Tausend Zyklen einen stabilen Betrieb erlauben sollen. In ersten Tests an Einzelzellen konnten sie nach eigenen Angaben bereits die Langlebigkeit des Systems unter Beweis stellen. So erreiche die neue Speichertechnologie sowohl beim Einsatz in jahreszeitbedingten Dunkelpausen mit wenig Wind und Sonne als auch beim täglichen Eintrag von Solarenergie eine Betriebsdauer von mehr als zehn Jahren.
Erster Demonstrator bis Jahresende
Eigens für die Wirkungsgrad- und Zuverlässigkeitsprüfungen des neuen Speicherdesigns entwickelte das Berliner Team eine neue Testumgebung. Sie ermögliche eine „hochpräzise intelligente Steuerung“ zur Anpassung und Verbesserung der zu untersuchenden Parameter. Als ersten Schritt der Hochskalierung bauen die Wissenschaftler bis Jahresende einen Demonstrator aus acht Zellen mit einer Kapazität von circa 12 Volt und 50 Amperestunden elektrischer Ladung, dessen Betriebsführung sie im Teststand optimieren wollen.
In Kooperation mit dem Branchendienst energate.
An dem Projekt mit dem Titel „Zn-H2“ sind neben dem Fraunhofer IZM Mitarbeiter vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, der Technischen Universität Berlin und dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft sowie die Unternehmen ZN2H2 und Steel Pro Maschinenbau beteiligt. Es erhält vom Bundesforschungsministerium von Oktober 2022 bis September 2025 eine Gesamtförderung in Höhe von rund 3,8 Millionen Euro.