Umweltverträgliche Elektrolyte für Redox-Flow-Batterien
Forscher in Jena und Graz haben ungefährliche Elektrolyte aus wasserlöslichem Kunststoff und auf der Basis von Lignin entwickelt.
Wollen die an der TU Graz entwickelte "grüne" Redox-Flow-Technologie kommerzialisieren: Dominik Wickenhauser, Dieter Wurm, Stefan Spirk, Wolfgang Bauer, Georg Rudelstorfer, Werner Schlemmer und Wolfgang Zitz (v.l.n.r.)
Foto: Lunghammer - TU Graz
Mit zunehmenden Anteilen an Strom, der in Wind- und Solarkraftwerken erzeugt wird, steigt der Bedarf an Speicherkapazität. Der Ausstieg aus der Kernenergie bis Ende 2022 wird die Situation noch verschärfen. Zwar wird Deutschland Anfang 2021 über ein Unterwasserkabel mit Norwegen verbunden sein, das eine Leistung von 1400 Megawatt übertragen kann, doch das ist gerade mal der Ersatz für ein einziges Kernkraftwerk. Weil Deutschlands Stromversorgung immer abhängiger wird von Wind und Sonne müssen zusätzliche Speicherkapazitäten her. Da kommt die Redox-Flow-Batterie ins Spiel, die für diese Aufgabe bestens geeignet ist. Sie besteht aus einer relativ kleinen Reaktionskammer, in der die beiden flüssigen Elektrolyte Ionen austauschen. Die Elektronen fließen über einen äußeren Kreislauf in die Batterie zurück. Unterwegs versorgen sie Verbraucher mit Strom.
Je größer die Tanks desto größer die Kapazität
Das Besondere an dieser Batterie: Die Energie wird in den Elektrolyten gespeichert. Diese befinden sich in Tanks, die je nach Bedarf vergrößert werden können. Der Oldenburger Energieversorger EWE Gasspeicher wollte die Elektrolyte in zwei Kavernen in einem Salzstock lagern. In jede sollten 100 Millionen Liter passen. Diese Batterie hätte eine Kapazität von 700 Megawattstunden gehabt. Doch das Unternehmen stoppte das Projekt vor knapp zwei Jahren, weil die zur Verfügung stehenden Elektrolyte die hohen Anforderungen nicht erfüllten. Aufgegeben worden ist es noch nicht.
Tests an der TU Graz mit einem 3 Kilowattstunden-Prototypen und vanillinbasierten Elektrolyten belegten die Wirksamkeit des neuen Verfahrens. Lunghammer – TU Graz
Zwei Entwicklungen in Jena und Graz bringen die Riesenbatterie vielleicht wieder in Schwung. Beide Forschergruppen haben Elektrolyte entwickelt, die keine gesundheitsschädlichen Schwermetalle enthalten, also weitgehen umweltneutral sind. Die ungewöhnlichste Flüssigkeit hat Stefan Spirk vom Institut für Biobasierte Produkte und Papiertechnik der Technischen Universität Graz kürzlich vorgestellt. Sie basiert auf Vanillin, dem Aromastoff, der Pudding und Speiseeis das besondere Etwas verleiht. Er gewinnt ihn jedoch nicht aus der Gewürzvanille, sondern aus Holz, genauer aus Lignin, das aus den Zellulosefasern einen Festkörper macht.
Aus Lignin wird Vanillin
Lignin ist ein Material, das bei der Papierherstellung weltweit im 100-Millionen-Tonnen-Maßstab anfällt und im Normalfall verbrannt wird, obwohl sein Energieinhalt gering ist. Weltweit werden allenfalls eine Million Tonnen genutzt, um Produkte wie Vanillin, Tierfutter sowie Zuschlagstoffe für Beton und Bohrflüssigkeiten für die Erdöl- und Erdgasindustrie herzustellen.
„Der Plan ist, uns mit unserer Anlage an eine Zellstoff-Fabrik dranzuhängen und dort das Vanillin aus dem Lignin, das als Abfall übrig bleibt, zu isolieren.“ Stefan Spirk
Das Lignin verwandelt Spirk in ein Polymer, das sich in Wasser lösen lässt. Diese Flüssigkeit hat die Fähigkeit, Elektronen aufzunehmen und bei Bedarf wieder abzugeben. Spirks Team hat mit einem Prototypen, der eine Kapazität von bescheidenen drei Kilowattstunden hat, bewiesen, dass der Elektrolyt funktioniert. Er will seine Anlage auf dem Gelände einer Papierfabrik bauen, sodass er gleich an der Ligninquelle sitzt.
Der Elektrolyt besorgt sich das Salz selbst
Ulrich Schubert, Professor für Organische und Makromolekulare Chemie an der Friedrich-Schiller-Universität Jena, setzt statt auf Vanillin auf einen elektrisch aktiven Kunststoff, den er in Salzwasser auflöst.
„Erstmals können jetzt Redox-Flow-Batterien für den Einsatz in Afrika, Indien etc. entwickelt werden, die keine Kühlung bei extremen Temperaturen benötigen.“ Ulrich Schubert
Diesen Elektrolyten setzt JenaBatteries, ein Unternehmen, das Schubert vor einigen Jahren mitgründete, in seinen Stromspeichern ein. Er hat allerdings einen Nachteil. Er benötigt ein Temperaturmanagement, das Energie kostet. Wird der Elektrolyt zu warm kann die Batterie weder geladen noch entladen werden. Schubert modifizierte den Kunststoff so, dass er seinen Dienst noch bei einer Temperatur von 60 Grad Celsius tut. Damit entfällt die Notwendigkeit einer Kühlung.
Dieser Elektrolyt könnte zum EWE-Projekt passen. Er würde sich nach dem Einfüllen in die Kavernen selbstständig komplettieren. Den notwendigen Salzgehalt würde er dem umgebenden Salz entnehmen.
