Neue Zink-Batterie produziert Wasserstoff billig und effizient

Die Produktion von Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind schwankt. Um sich auf das wechselhafte Angebot anzupassen und das Stromnetz stabil zu halten, sind große Speicher gefragt. Neben Pumpspeicherkraftwerken kommen etwa auch Batterien und Wasserstoff infrage. Ein deutsches Forschungskonsortium unter der Leitung des Fraunhofer IZM hat eine günstige Zink-Batterie entwickelt, die sowohl als Langzeitspeicher als auch zur Wasserstoffproduktion eingesetzt werden kann.

Laut dem Team zeigen die Zink-Batterien "einen Wirkungsgrad von 50 % zur Stromspeicherung und 80 % zur Wasserstofferzeugung bei einer prognostizierten Lebensdauer von 10 Jahren". Anders als Lithium-Batterien sind Zink-Akkus außerdem wesentlich kostengünstiger in der Herstellung, verwenden leicht verfügbare Rohstoffe (Stahl, Zink, Kaliumhydroxid) und sind leicht zu recyceln. 

Bei Entladung entsteht Wasserstoff und Strom

Während des Ladevorgangs oxidiert das Wasser in der Batterie zu Sauerstoff und das Zinkoxid wird zu Zink reduziert, erklärt Robert Hahn vom Fraunhofer IZM in einer Aussendung. Beim Entladen wird das Zink wieder in Zinkoxid umgewandelt. Das Wasser wird wiederum reduziert, wodurch Wasserstoff freigesetzt wird. Pro Kilogramm freigesetztem Wasserstoff werden zusätzlich 8,3 Kilowattstunden an Strom abgegeben.

"Es entsteht eine einzigartige Kombination aus Batterie und Wasserstoff-Herstellung mit einem Gesamtwirkungsgrad der Stromspeicherung von 50 %, womit wir die alternative und zurzeit favorisierte Power-to-Gas-Technologie doppelt übertreffen", ist Hahn erfreut. Zudem betragen die Materialkosten nur ein Zehntel der Kosten einer Lithium-Ionen-Batterie.

Batterie soll deutlich effizienter als Elektrolyse sein

Bei der herkömmlichen Elektrolyse wird Elektrizität verwendet, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Bei dem Prozess werden bis zu 73 Kilowattstunden Strom benötigt, um ein Kilo Wasserstoff herzustellen. Ein Kilo komprimierter Wasserstoff hat allerdings nur einen Energiegehalt von 33 kWh, Energieverluste bei Kompression und Kühlung bereits eingerechnet. Somit ergibt sich im Schnitt eine Effizienz von unter 50 Prozent, wie das am Projekt beteiligte Unternehmen Zn2H2 vorrechnet.

Bei dem Zink-Akku reichen 52,3 Kilowattstunden, um später ein Kilogramm an Wasserstoff zu erzeugen. Rechnet man den bei der Entladung gewonnenen Strom noch mit ein, beträgt der Nettostromverbrauch 44 kWh pro Kilogramm Wasserstoff. Bei jedem Zyklus der Wasserstofferzeugung muss das verbrauchte Wasser wieder aufgefüllt werden.

Zink-Batterie muss noch größer werden

Im Labor konnten mit der Zink-Batterie bereits gute Ergebnisse erzielt werden, bis Jahresende soll ein größerer Demonstrator mit 8 Zellen gebaut werden. Jede der Zellen soll eine Kapazität von 0,6 Kilowattstunden haben und mehrere Tausend Mal ge- und entladen werden können. Bisher gebe es laut den Forscher*innen keine andere aufladbare Zink-Batterie, in der eine derartig gute Langzeit- und Zyklenstabilität gezeigt werden konnte.

Bei einer realistischen Nutzung während Dunkelflauten, also wenn weder Sonnenenergie noch Windenergie ins Stromnetz eingespeist werden kann, soll die Batterie mehr als 10 Jahre lang halten. Auch bei der täglichen Nutzung als Solarspeicher wird die Lebensdauer auf mehr als 10 Jahre geschätzt. Erste Patente wurden bereits angemeldet, als Nächstes soll das System noch hochskaliert werden.