FeEnergy: Eisen-Slurry-Luft-Batterie

Wird Wind- und Solarkraft stark ausgebaut, kann dies zu Schwankungen bei der Energieeinspeisung in die Stromnetze führen. Pumpspeicherkraftwerke stehen als effiziente elektrische Energiespeicher zur Stabilisierung der Netze allerdings nur regional zur Verfügung. Als eine preisgünstige und umweltfreundlichere Alternative zu Lithium-Ionen- oder Vanadium-Redox-Flow-Batterien soll deshalb im Verbundvorhaben FeEnergy eine sekundäre Eisen-Luft-Batterie entwickelt werden. Gemäß Abschätzungen ist für dieses Batteriekonzept mit Installationskosten von weniger als 100 Euro pro Kilowattstunde zu rechnen, was es für die stationäre Energiespeicherung interessant macht.

Der neue Forschungsansatz besteht in der besonderen Konfiguration der Metall-Luft-Batterie als Metall-Slurry-Luft-Zelle. Darin wird die Batteriemasse in Form von fein verteilten Eisen-, Eisenoxid- und Kohlenstoff-Partikeln in einer Kalilauge als sogenannter Slurry durch die Zelle gepumpt. Das Aktivmaterial ist Eisen, welches mit Sauerstoff aus der Luft zu Eisenhydroxid oxidiert wird. Da dieser Prozess umgekehrt werden kann, ist die Batterie wieder aufladbar. Die Kohlenstoff-Partikel sollen helfen, den Ladungsaustausch zwischen Ableitungselektrode und Eisen- bzw. Eisenoxid-Partikeln zu beschleunigen.

Der spezielle Aufbau der Eisen-Slurry-Luft-Batterie ermöglicht es, die Skalierung von Energie und Leistung zu entkoppeln, wie es auch bei Brennstoffzellen der Fall ist. Die Kapazität einer solchen Batterie wird durch die Größe des Slurry-Tanks bestimmt, ihre Leistung durch die Größe des Energiewandlers.

Im Verbundvorhaben soll gezeigt werden, dass eine Eisen-Slurry-Luft-Batterie grundsätzlich funktioniert. Zusätzlich sollen entsprechende Leistungsdaten ermittelt werden. Dafür muss zunächst ein Herstellungsverfahren für die Graphit-Eisenoxid-Suspensionen erarbeitet und die richtige Zusammensetzung des Slurrys gefunden werden. Die Herausforderungen für effiziente technologische Lösungen sind, einen hinreichenden Kontakt der Eisen- bzw. Eisenoxid-Partikel zu der Ableitungselektrode ebenso zu gewährleisten wie eine Ladungsübertragung im Eisen-Slurry selbst.

Für den Slurry lässt sich eine volumetrische Energiedichte von ca. 80 Wattstunden pro Liter abschätzen. Aufgrund der leichten Skalierbarkeit dieser Slurry-Batterie kommt neben einem dezentralen Einsatz im Kilowattstunden-Bereich auch ein zentraler Einsatz im Megawattstunden-Bereich in Betracht. Das erarbeitete Wissen über die Herstellung von kohlenstoffhaltigen Zusatzstoffen und Metalloxiden kann darüber hinaus auf andere Batteriesysteme und Produkte übertragen werden.

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