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

Das Ziel des Teilprojekts „Elektrochemische Charakterisierung von Eisen-Slurry Elektroden und des Akkumulator-Gesamtsystems“ besteht in der Entwicklung und Evaluierung der Eisen-basierten Slurry-Elektrode und des Nachweises der Funktionstüchtigkeit des neuartigen Eisen-Slurry-Luft-Akkumu-ators auf Basis einer Labordurchflusszelle (im Folgenden als Flow-Zelle bezeichnet). Zur erfolgreichen Bearbeitung des Verbundprojekts und für ein erfolgreiches Akkumulator-System generell, ist es entscheidend durch eine gezielte Materialauswahl, eine möglichst effiziente und reversible Umsetzung des vorgelegten Aktivmaterials, d.h. des eingesetzten Eisens bzw. des Eisenoxids, zu erzielen. Entsprechend kommt der elektrochemischen Charakterisierung des geplanten Eisen/Carbon-Slurrys sowie der Entwicklung von Materialien und Prozessen eine übergeordnete Bedeutung zu. Ziel der Arbeiten in diesem Teilprojekt ist es geeignete Bedingungen für den effizienten Ablauf der Reduktions- und Oxidationsvorgänge des Eisen/Carbon-Slurrys an der Ableitungselektrode sowie für die elektrochemische Formierung des Eisens zu bestimmen. Die vorstehenden Bedingungen können sowohl prozessparametrischer (Temperatur und Zusammensetzung) oder zellgeometrischer (Fließkanalbreite und Viskosität) als auch elektrochemischer (Elektrodenpotential und Stromdichte) Natur sein. Insbesondere muss bei der Reduktion der Eisen/Carbon-Slurrys eine exzessive Wasserstoffbildung auf Grund zu hoher Überpotentiale verhindert werden, um eine hohe coulomb’sche Effizienz des Gesamtsystems erzielen zu können. Die Unterdrückung der Wasserstoffbildung soll durch den Einsatz fester oder löslicher Additive in den Slurrys realisiert werden, die aus der Literatur für andere, Eisen-basierte Batteriesysteme bekannt sind, für den neuartigen Akkumulator aber noch verifiziert werden müssen. Abschluss des Verbundprojekts ist der Betrieb und die technische Evaluierung der Flow-Zelle, die in Zusammenarbeit mit den Partnern über die gesamte Projektlaufzeit erarbeitet wird. Zum Zweck des Betriebs der Flow-Zelle muss der Eisen/Carbon-Slurry unter den gegebenen Bedingungen in der Flow-Zelle pumpfähig und elektrochemisch zyklisierbar sein, was über die optimale Einstellung der Slurry-Zusammensetzung nach Maßgabe der Vorergebnisse erreicht wird.

Schwerpunkt der geplanten Arbeiten im hier beschriebenen Teilprojekt ist es die grundlegenden Bedingungen für eine funktionale Zellkonfiguration zu identifizieren, bei denen eine effiziente Ladungsübertragung von der Ableitungselektrode auf den Eisen/Carbon-Slurry und somit die Realisierung von Oxidations- und Reduktionsvorgängen innerhalb der geplanten elektrochemischen Zelle möglich ist. Zur Identifikation dieser grundlegenden Funktionsbedingungen werden die vom Projektpartner BFI hinsichtlich des Fließ- und Sedimentationsverhaltens vorevaluierten Eisen/Carbon Slurrys mit Hilfe der rotierender Scheibenelektrode (RDE) umfassend elektrochemisch charakterisiert und gangbare Slurry Zusammensetzungen für den späteren Betrieb der Flow-Zelle erfasst. Maßgebliche Aspekte für die Funktionalität des Slurrys sind (i) die Partikelkontakte zur Elektrode, die über die Anordnung und Materialauswahl der Ableitungselektrode modifiziert werden (ii) das Volumen und die Fließbedingungen des verwendeten Slurrys (iii) die chemische Zusammensetzung und der Füllgrad des Slurrys sowie (iv) die eingestellten elektrischen und thermischen Betriebsparameter (AP1).

Aufbauend auf den Ergebnissen aus AP1 erfolgt die Optimierung der Zusammensetzungen der Slurrys durch Zugabe von Additiven zur Verringerung des Reduktions-Überpotentials an der Ableitungselektrode und somit zur Minimierung der Wasserstoffentwicklung während der Eisenoxidreduktion (AP2). Mögliche Zusatzkomponenten für die Eisen/Carbon Slurrys sind zum einen Feststoffe wie Bi2S3 und FeS sowie gelöste Substanzen wie Alkalimetallkationen (z.B. Li+) und Sulfidanionen (d.h. S2-). Anschließend erfolgt die Identifikation der optimalen elektrischen und thermischen Prozessparametern für den Formierungsprozess der eingesetzten Eisen- bzw. Eisenoxidpartikel, die, zusammen mit den Ergebnissen aus AP1 eine der Auslegungsgrundlagen für die Entwicklung der Flow-Zelle bilden und den Projektpartnern laufend zur Verfügung gestellt werden. Abschließendes Ziel des Teilvorhabens ist ein „proof of concept“ für die Funktionsfähigkeit des Eisen-Slurry-Luft Akkumulators sowie dessen elektrochemische Charakterisierung in verschiedenen Betriebszuständen.

Im Rahmen des Teilprojektes werden grundlegende Fragestellungen für die Entwicklung von zu-künftigen preisgünstigen, ressourceneffizienten und umweltfreundlichen elektrischen Energie-speichern für stationäre Anwendungen mit einem hohen Anwendungspotential bearbeitet. Letz-teres geschieht vor dem Hintergrund des zunehmenden Ausbaus der erneuerbaren Energien in Deutschland, die die Notwendigkeit der Energiespeicherung auf Netzebene nach sich ziehen. Wind- und Sonnenenergie gewährleisten im Gegensatz zu planbaren fossilen Energieträgern keine kontinuierliche Einspeisung ins Stromnetz, sodass für wind- und/oder sonnenarme Tage Vorsorge getroffen werden muss. Auf einem Zeithorizont von mehreren Stunden bis zu einem Tag, kann diese Vorsorge mit Hilfe von Akkumulatoren geschehen, die, im Sinne möglichst niedriger Gesamt-kosten für die Stromversorgung, selbst möglichst kostengünstig sein sollten. Ferner kommt, im Sinne eines nachhaltigen Energiesystems, der Ressourceneffizienz, d.h., der Verwendung häufiger und umweltfreundlicher Materialien eine hohe Bedeutung zu. Mit einer exzellenten Energiedichte von ca. 9700 Wh/l(Fe), sehr niedrigen Produktionskosten, globaler, nahezu unerschöpflicher Verfüg-barkeit und minimaler Toxizität erfüllt Eisen die vorstehenden Punkt außerordentlich gut, konnte bisher allerdings nicht in einem heute kommerziell erhältlichen Akkumulator und schon gar nicht in netzrelevanter Größe implementiert werden. Aus diesem Grund wird im Projekt FeEnergy der Ansatz der sog. Flow-Zelle verfolgt, bei der das Aktivmaterial, d.h. das Eisen bzw. das Eisenoxid, in Form eines Eisen/Carbon-Slurries vorgelegt wird. Flow-Zellen bieten dabei die Möglichkeit der freien Skalierbarkeit der elektrochemischen Speicherkapazität, während die Redoxvorgänge tem-porär nur in einem Teil des Elektrodenmaterials realisiert werden. Es liegt in diesem System also eine Entkoppelung von Speicher- und Reaktionsvolumen vor, die eine getrennte Skalierung des Speichers durch Vergrößerung des Reservoirs ermöglicht. Grundlage für die Funktion dieses Kon-zepts ist die effiziente Umsetzung der Energie an der Grenzfläche zwischen Ableitungselektrode und pumpfähigem Eisen/Carbon-Slurry, die es durch eine Variation aller verfügbaren Parameter einzustellen gilt.