Batterie und Elektrolyseur in einem

Die neuartige Zink-Wasserstoff-Batterie kann nicht nur Strom mit einem hohen Wirkungsgrad speichern, sondern setzt beim Entladen neben der elektrischen Energie auch Wasserstoff frei. Das gelingt, indem die negative Zink-Elektrode der Batterie mit dem Prinzip der alkalischen Wasser-Elektrolyse kombiniert wird. Als positive Gegenelektrode kommt dabei eine spezielle Wasserstoff/Sauerstoff-Gaselektrode zum Einsatz, die als Elektrokatalysator dient.

Erste Tests des neuen Energiespeichers ergaben, wie die TU Berlin mitteilt, einen Wirkungsgrad von 50 Prozent bei der Stromspeicherung und 80 Prozent bei der Wasserstofferzeugung, bei einer prognostizierten Lebensdauer von zehn Jahren.

Zu den für die Energiewende in Deutschland immer wichtiger werdenden Speichermöglichkeiten für Strom erklärt Prof. Dr. Peter Strasser, Leiter des Fachgebiets „Electrochemical Catalysis, Energy and Materials Sciences“ an der TU Berlin: „In der öffentlichen Wahrnehmung standen bisher Batterie- und Wasserstofftechnologien in Konkurrenz miteinander. Der neue Ansatz unseres Konsortialprojekts zeigt, dass es sich lohnt, diese Denkweise zu hinterfragen und sich stattdessen das Beste aus beiden Welten herauszusuchen.“
Weites Anwendungsfeld

Herzstück der neuen Kombi-Batterie ist, so Strasser, eine katalytisch aktive, bifunktionelle Gaselektrode. Sie befindet sich zusammen mit der negativen Zink-Elektrode in einem flüssigen Elektrolyten aus Kaliumhydroxid und Wasser, also Kalilauge. Beim Entladevorgang spaltet der Katalysator der Gaselektrode von den Wassermolekülen Wasserstoffmoleküle ab. Dieser Wasserstoff entweicht und kann gespeichert und weiterverwendet werden. Gleichzeitig wandern elektrisch negative OH-Ionen im Elektrolyten zur Zink-Elektrode. Dort reagieren sie mit dem Zink und bilden Zinkoxid und Wasser unter Abgabe von Elektronen. Dieser Entladevorgang liefert also gleichzeitig nutzbare elektrische Energie und Wasserstoffgas.

„Der Wasserstoff kann entweder direkt als Rohstoff in Prozessen der chemischen Industrie verwendet werden, in herkömmlichen Brennstoffzellen oder Turbinen in Strom umgewandelt werden oder in Gaskraftwerken oder Fernwärmenetzen als Brennstoff für Wärme zum Einsatz kommen“, erläutert Strasser die Anwendungsbandbreite. Gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus verwende die neue Batterie ausschließlich wesentlich preiswertere Rohstoffe (Stahl, Zink, Kaliumhydroxid, Wasser), die nur etwa ein Zehntel so teuer sind. Zudem machen sie die Batterie leicht recycelbar.

Aufbau eines Demonstrators bis Ende 2023

Die Forscherinnen und Forscher der TU Berlin wollen nun bis Ende des Jahres einen Demonstrator aufbauen und Zuverlässigkeitstests durchführen. Die Lade- und Entladeparameter sollen dabei so optimiert werden, dass über mehrere Tausend Zyklen ein stabiler Betrieb möglich ist. Ãœber die ebenfalls am Konsortium beteiligte Firma „Zn2H2 GmbH“, die bereits mehrere Patente auf das Verfahren angemeldet hat, wäre nach Einschätzung der TU eine rasche Umsetzung in den Markt gewährleistet.

Die weiteren Konsortialpartner des Projekts sind die Steel PRO Maschinenbau GmbH, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) sowie das Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft.