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Batterietechnik

Energiewende mithilfe der Elektrochemie

| Autor / Redakteur: Ulrich Schamari / Sebastian Hofmann

Brennstoffzellen werden heute beispielsweise in Südkorea im Automobilsektor eingesetzt.
Brennstoffzellen werden heute beispielsweise in Südkorea im Automobilsektor eingesetzt. (Bild: kaca.skokanova@gmail.com)

Mit der Weiterentwicklung nachhaltiger Konzepte für elektrochemische Energiespeicher und kontinuierlich betreibbare Energiewandler befasste sich das 28. Frankfurter Sonderkolloquium der Dechema.

Es dreht sich letzten Endes um Technologie und Materialien, die schon seit geraumer Zeit erforscht werden“, so Jürgen Janek von der Universität Gießen. Die Batterie sei seit über hundert Jahren steter Begleiter im Alltag. Nun stelle sich die Frage, ob man in einem Massenmarkt batteriebetriebene Fahrzeuge nutzen kann. Das habe sehr viel mit der Verfügbarkeit von Ressourcen zu tun. Deshalb existiere neben der Batterie eine weitere elektrochemische Technologie, die man zumindest im Bereich des Transports und der Fahrzeuge als konkurrierend ansieht: die Brennstoffzelle. Diese hat ebenfalls eine lange Geschichte – die Entwicklung der ersten Brennstoffzellen liegt fast 200 Jahre zurück. Bisheriger Höhepunkt sei der Einsatz in Raumfahrtprogrammen wie der Apollo-Mission gewesen, unterstreicht Janek.

Flächendeckender Einsatz von Brensstoffzellen

Als Schlüsseltechnologie für eine nachhaltige Mobilität und Energiewirtschaft bezeichnet die Brennstoffzellen Werner Tillmetz vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg. Auf die Fragestellung, wann denn die Brennstoffzelle komme, geht er ganz entschieden ein: „Die Frage ist nicht ganz richtig, denn sie ist schon da!“ In Südkorea würden bereits jetzt 2000 Pkw mit Brennstoffzellen-Antrieb fahren und in sechs Jahren würden es 100.000 sein. Bis 2040 sollen daraus sogar 6 Mio. Pkw werden. Für die Brennstoffzelle spreche, dass sich Wasserstoff besser speichern lässt als Strom in Batterien. Zudem laufe der Tankvorgang wesentlich schneller ab: In drei Minuten hat man einen Wasserstofftank im Pkw gefüllt. Das vereinfacht die Infrastrukturprobleme, weil die Zahl der Tanksäulen überschaubar bleibt. Größere zeitliche Flexibilität – keine 23 Stunden Aufladen der Batterie an der Haushaltssteckdose – erhöht den kommerziellen Nutzen.

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Ein weiteres Problem belastet den Erfolg des Batterieantriebs: Für die Lithium-Ionen-Akkus, die heute Stand der Technik sind, werden problematisch zu beschaffende Materialien wie Cobalt benötigt. Philipp Adelhelm von der Universität Jena, der sich mit der Suche nach Alternativen beschäftigt, stellte Natrium-Ionen-Batterien als Beispiel für die Energiespeicherung auf Basis gut verfügbarer Elemente vor. Sie sind ein Batterietyp, der ähnlich wie der Lithium-Ionen-Akku aufgebaut ist, aber statt Lithium das Alkalimetall Natrium als Ionenquelle verwendet. Doch Adelhelm schränkt ein: „Die Energiedichte ist nicht so hoch wie bei Lithium-Ionen-Batterien.“ Die Entwicklung sei noch nicht so weit fortgeschritten, aber es bestehe kein Zweifel daran, dass man solche Batterien letztlich auch konkurrenzfähig bauen kann. Durch günstigere Preise könnten sie den Markt erobern.

Alternative zu Li-Ion für den Bereich der Erneuerbaren

Weitere Möglichkeiten, die Vormachtstellung der Lithium-Ionen-Akkus zu brechen, stellen die Redoxfluss- und Metall-Sauerstoff-Batterien dar. Ihre Konzepte und Funktionen erläutert Daniel Schröder von der Universität Gießen: „Die Redoxflussbatterie ist eher etwas für den Bereich von mehreren Hundert Kilowattstunden, also für die Speicherung von Strom, der durch Solar-, Wind- oder Wasserkraft anfällt. Für den kleineren Anwendungsbereich etwa der Elektromobilität kann die Technologie der Metall-Sauerstoff-Batterie eingesetzt werden.“ Es seien aber durchaus noch Forschungsanstrengungen erforderlich, um diese Konzepte erfolgreich zu etablieren. Bei den Redoxflussbatterien wird elektrische Energie in chemischen Verbindungen gespeichert, wobei die zwei Elektrolyte in gelöster Form in zwei getrennten Kreisläufen zirkulieren. In der galvanischen Zelle zwischen ihnen erfolgt der Ionenaustausch mittels einer Membran und setzt elektrische Energie frei. Anders funktionieren die Metall-Sauerstoff-Batterien: Sie gewinnen elektrische Energie durch die chemische Reaktion von Metallen mit Sauerstoff, der aus der Umgebungsluft gewonnen wird und daher nicht in der Batterie vorgehalten werden muss.

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Wie elementar wichtig stabile Kohlenstoffe sowohl für Batterien als auch für Brennstoffzellen sind, beschreibt Jean-François Drillet vom Dechema-Forschungsinstitut: „Durch ihre Eigenschaften wirken die Kohlenstoffe sozusagen als elektronische Booster.“ Deshalb fänden sich in allen Speicher- und Wandlersystemen Kohlenstoffe als wichtige Zellkomponenten. Auf die Verbesserung der elektronischen Leitfähigkeit durch Kohlenstoff könne schließlich kein System verzichten, das zur Energiewende beitragen will. Neben der Leitfähigkeit spiele auch die mechanische Stabilität, wie sie durch Elektroden aus Graphit gewährleistet sei, eine große Rolle. „Für elektrochemische Technologien sind Kohlenstoffe einfach unentbehrlich.“

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* Ulrich Schamari ist freier Journalist in 60320 Frankfurt am Main, Tel. (0 69) 56 14 89, ulrich.schamari@web.de

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