Eisen-Slurry-Luft-Akkumulator für die stationäre Energiespeicherung mit hoher Kapazität

Der zunehmende Ausbau der Wind- und Solarkraft führt zu starken Schwankungen bei der Energieeinspeisung in die Stromnetze. Pumpspeicherkraftwerke stehen als effiziente elektrische Energiespeicher zur Stabilisierung der Netze nur regional zur Verfügung. Andere elektrische Energiespeicher wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien oder Vanadium-Redox-Flow-Batterien sind vergleichsweise teuer oder verwenden giftige Substanzen. Eine aussichtsreiche Alternative für eine preisgünstige und umweltfreundliche elektrische Energiespeicherung stellen Eisen-Luft-Akkumulatoren dar. Gemäß Abschätzungen ist mit Installationskosten von weniger als 100 $/kWh zu rechnen, was sie für die stationäre Energiespeicherung interessant macht. Eine besondere Konfiguration von Metall-Luft-Batterien ist die Metall-Slurry-Luft-Zelle, in der die Batteriemasse als Suspension durch die Zelle geleitet wird. Mit dieser Bauart ist die elektrische Speicherkapazität ausschließlich durch das Reservoir für die Slurry-Elektrode begrenzt. Der neue Forschungsansatz besteht darin, Eisen-Luft-Akkumulatoren mit einer Eisen-Slurry-Elektrode auszustatten und auf diese Weise elektrische Energie mit hoher Speicherkapazität in Form einer Eisen/Eisenhydroxid/ Kohlenstoff/Kalilaugen-Suspension preisgünstig zu speichern. Mit der Bildung von Dendriten ist in einer alkalischen Eisen-Luft Zelle nicht zu rechnen, da die Redeposition des Eisens beim Laden wegen der geringe Löslichkeit von Eisen im alkalischen Medium nur zu geringen strukturellen Veränderungen der Elektrode führt. Als weitere Vorteile sind die gute Verfügbarkeit, der geringe Preis und das relativ geringe Gefährdungspotential der Ausgangstoffe zu nennen. Herausforderungen für effiziente technologische Lösungen sind die Realisierung von hinreichendem Kontakt der Eisen-/Eisenhydoxidpartikel zu der Ableitungselektrode sowie die Ladungsübertragung im Eisen-Slurry bei gleichzeitiger Begrenzung der Wasserstoffentwicklung.

Das Verbundvorhaben umfasst die folgenden Arbeitsschwerpunkte:

Erarbeitung von Herstellverfahren für die Erzeugung von speziellen Graphitdispersionen und Eisenoxiden als Ausgangstoffe für Eisen-Slurry-Elektroden. Dafür werden Eisenoxidpulver und Graphitsuspensionen hinsichtlich ihrer Eigenschaften variiert und für die Anwendung als Eisen-Slurry-Elektrode angepasst.

Erarbeitung von Verfahrensweisen und Formulierungen zur Erzeugung einer ausreichend leitfähigen und quasi reversiblen alkalischen Eisen-Slurry-Elektrode und deren chemisch-physikalische Charakterisierung (u.a. Leitfähigkeit und Viskosität des Eisen-Slurrys).

Grundlegende elektrochemische Charakterisierung der Eisen-Slurry-Elektroden und des Gesamtsystems mit verschiedenen elektrochemischen Methoden (u.a. CVs, CPS).

Design und Aufbau von zwei Eisen-Slurry-Luft-Durchflusszellen mit einer Zellfläche von 5 x 5 cm² und 10 x 10 cm².

Nachweis der grundlegenden Funktionsfähigkeit eines Eisen-Slurry-Luft-Akkumulators und Ermittlung der Leistungsdaten-

Das Thema stationäre Energiespeicherung gewinnt durch den schnellen Ausbau der erneuerbaren Energien zunehmend an Bedeutung. Schon heute werden allein in Deutschland pro Jahr mehrere Tausend Speichersysteme verkauft. Verschiedene Studien gehen davon aus, dass der Markt für stationäre Energiespeicherung im Jahr 2020 ein Volumen von 2,4 Mrd. € erreicht, wovon etwa 40 % auf Systeme mit Lithium-Ionen-Zellen entfallen. Vielen Vorteilen von heutigen Batteriespeichersystemen wie Modularität und Effizienz stehen nachteilig hohe Anschaffungskosten gegenüber, welche maßgeblich von den Zellpreisen beeinflusst sind. Aufgrund der guten Verfügbarkeit und des geringen Preises der Ausgangstoffe können Eisen-Slurry-Luft-Akkumulatoren einen wichtigen Beitrag zur künftigen stationären elektrischen Energiespeicherung leisten. Für den Eisen-Slurry lässt sich eine für die Anwendung interessante volumetrische Energiedichte von ca. 230 Wh/l abschätzen. Aufgrund der leichten Skalierbarkeit des Slurry-Akkumulators kommt neben einem dezentralen Einsatz im kWh-Bereich auch ein zentraler Einsatz im MWh-Bereich in Betracht. Darüber hinaus wird erwartet, dass das erarbeitete Wissen bezüglich der Herstellung von kohlenstoffhaltigen Zusatzstoffen und Metalloxiden auf andere Batteriesysteme und Produkte übertragen werden kann.