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Energiespeicher

Elektrolyte aus Lignin für Redox-Flow-Batterien

| Redakteur: Rebecca Vogt

Mit Redox-Flow-Batterien lässt sich Strom aus Wind- und Solaranlagen stationär speichern. Eine Zellstofffabrik liefert Ligninsulfonate, die im Produktionsprozess als Nebenprodukt anfallen. Zusammen mit fünf Projektpartnern will die CMBlu-Projekt-AG nun für diese Batterien kostengünstige und nachhaltige organische Elektrolyte aus Lignin entwickeln.

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Eine Redox-Flow-Batterie – mit galvanischen Zellen, Pumpen und Tank.
Eine Redox-Flow-Batterie – mit galvanischen Zellen, Pumpen und Tank.
(Bild: Info redflowltd/Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported)

Die Kapazität stationärer Energiespeicher in Deutschland könnte Forschern zufolge bei bis zu 176 GWh (176.000.000 kWh) liegen. Ein Vier-Personen-Haushalt verbraucht im Jahr im Durchschnitt rund 4.000 kWh. Es könnten mit der anvisierten Speichermenge also etwa 44.000 Haushalte versorgt werden.

Redox-Flow-Batterien eignen sich grundsätzlich gut für diese Aufgabe: Ihre Speicherkapazität kann unabhängig von ihrer elektrischen Leistung skaliert werden, da die beiden Elektrolyte für die negative und positive Elektrodenseite in separaten Tanks gelagert werden. Damit ist die Speicherkapazität im Prinzip nur durch die Größe der Tanks und die Menge der Elektrolyte limitiert.

Organische Elektrolyte als Alternative

Bisher setzt man für Letztere in der Regel Verbindungen des Metalls Vanadium ein, die jedoch in den erforderlichen großen Mengen nicht zur Verfügung stehen, teuer und chemisch relativ instabil sind. Eine Alternative könnten Elektrolyte aus organischen Verbindungen sein, die sich aus Lignin gewinnen lassen – welches in der Zellstoff- und Papierproduktion weltweit im Millionen-Tonnen-Maßstab anfällt.

Die Zielmoleküle in dem jetzt begonnenen Vorhaben sind Chinone. Die Forscher wollen zwei geeignete Redox-Paare mit ausreichend verschiedenen elektrochemischen Potenzialen aus Ligninsulfonaten gewinnen, die in der Ablauge des Zellstoffwerks anfallen.

Die geplante Herstellungskette umfasst einen Filtrationsschritt zur Reinigung, eine elektrochemische und chemo-katalytische Lignin-Spaltung zu aromatischen Vorläuferverbindungen, welche anschließend zu Chinonen umgesetzt werden. Möglicherweise ist zudem noch eine chemische Modifikation der erhaltenen Chinone notwendig.

Wirtschaftlichkeit als mittelfristiges Ziel

Ligninsulfonat ist wasserlöslich, sodass alle Reaktionen in wässriger Lösung ablaufen können. Die Optimierung der Komponenten und der Zellaufbau der Redox-Flow-Batterie gehören ebenfalls zum Arbeitsumfang des Vorhabens. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) gefördert.

Ist das Proof-of-Concept erfolgreich, wollen die Wissenschaftler in einem Folgeprojekt eine Pilotanlage mit einer Produktion von einem Kilogramm Chinonen pro Tag errichten. Bezüglich der Wirtschaftlichkeit ist das Forscher-Team um die CMBlu-AG optimistisch: Die International-Energy-Agency sieht den Durchbruch der Batteriespeicher-Technik bei Kosten von maximal 0,08 Euro pro gespeicherter kWh – diese Kosten halten die Forscher mit ihrem Ansatz für mittelfristig erreichbar.

Aufwertung des Stoffes Lignin

Insgesamt wäre der Einsatz von Lignin in Energiespeichersystemen eine bedeutende Aufwertung dieser ohnehin anfallenden Ressource, die bisher hauptsächlich thermisch verwertet wird. Die nicht zum Elektrolyt umgewandelten Bestandteile der ligninhaltigen Ablauge sollen wieder in den Stoffkreislauf der Zellstofffabrik zurückgeführt werden, um weiterhin für die Energiegewinnung zur Verfügung zu stehen.

Da Lignin ein pflanzlicher Rohstoff ist, verbrennt er weitgehend CO2-neutral. Auch die anorganischen Chemikalien wollen die Forscher zurückgewinnen, sodass die Prozesse der Zellstoffproduktion kaum beeinflusst werden.

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