Der Bedarf an zuverlässiger erneuerbarer Energie wächst schnell, da Länder auf der ganzen Welt – darunter auch die Schweiz – ihre Anstrengungen im Kampf gegen den Klimawandel verstärken, Alternativen zu fossilen Brennstoffen finden und die von ihren Regierungen gesetzten Energiewendeziele erreichen. Erneuerbare Energien lassen sich aber erst dann effizient in die Stromnetze einspeisen, wenn es eine Möglichkeit gibt, sie großflächig zu speichern.
„Die meisten Formen erneuerbarer Energie sind wetterabhängig, was zu großen Schwankungen in der von ihnen gelieferten Energie führt“, sagt Danick Reynard, Ph.D. Student am Labor für Physikalische und Analytische Elektrochemie (LEPA) der EPFL. „Aber Stromnetze sind nicht dafür ausgelegt, solche Schwankungen zu bewältigen.“ Wasserstoff rückt zunehmend in den Fokus, weil er wetterunabhängig Energie konstant liefern kann.
LEPA-Wissenschaftler arbeiten seit mehreren Jahren an den doppelten Herausforderungen der sauberen Wasserstoffproduktion und Energiespeicherung. Sie haben gerade ein neues System vorgestellt, das eine konventionelle Redox-Flow-Batterie – derzeit eine der vielversprechendsten Methoden für die stationäre Energiespeicherung im großen Maßstab – mit katalytischen Reaktoren kombiniert, die aus der durch die Batterie fließenden Flüssigkeit sauberen Wasserstoff produzieren. Das LEPA-System ist genauso effizient wie herkömmliche, bietet aber mehr Flexibilität und Energiespeicherkapazität. Es produziert auch sauberen Wasserstoff zu geringeren Kosten. Die Forschung der Wissenschaftler erscheint in Zellberichte Physikalische Wissenschaft.
Redox-Flow-Batterien versprechen die meisten Energiespeicher
Redox-Flow-Batterien bestehen aus zwei Tanks, die durch eine elektrochemische Zelle getrennt sind. Zwei hochleitfähige Elektrolytflüssigkeiten – eine mit positiver Ladung, eine mit negativer Ladung – zirkulieren durch die Tanks und an der Zelle vorbei, um eine chemische Reaktion auszulösen, bei der Elektronen ausgetauscht werden. Diese Batterien speichern Energie in elektrochemischer Form wie die Lithium-Ionen-Batterien in Smartphones, jedoch mit deutlich längerer Lebensdauer und flexibler Energieerzeugung und -speicherung, sodass sie schnell auf Schwankungen von Stromangebot und -nachfrage reagieren können.
Um ihr System zu erstellen, haben die LEPA-Wissenschaftler eine konventionelle Redox-Flow-Batterie genommen und diese durch zwei katalytische Reaktoren erweitert. Diese Reaktoren produzieren Wasserstoff aus der Flüssigkeit, die durch die Tanks zirkuliert. „Der Wasserstoff wird durch einen katalytischen Prozess hergestellt, der die Energie aus der Batterie nutzt, um Wassermoleküle in ihre beiden Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten“, sagt Reynard. „Aber dieser Wasserstoff kann nur dann als sauber angesehen werden, wenn die zum Laden der Batterien verwendete Energie aus erneuerbaren Quellen stammt.“
Sauberer, reiner Wasserstoff mit verbesserter und flexibler Speicherkapazität
LEPAs Technologie bietet mehrere Vorteile sowohl für die Wasserstoffproduktion als auch für die Energiespeicherung. Herkömmliche Redox-Flow-Batterien können, sobald sie vollständig geladen sind, keine Energie mehr speichern. „In unserem System kann die Batterie jedoch, sobald sie vollständig aufgeladen ist, Flüssigkeit in die externen Reaktoren abgeben. Sie erzeugen wiederum Wasserstoff, der gespeichert und später genutzt werden kann, wodurch Speicherplatz in der Batterie selbst frei wird“, sagt Reynard.
Der vom LEPA-System erzeugte Wasserstoff ist rein und muss zur optimalen Speicherung nur getrocknet und komprimiert werden. Dieses System ist auch sicherer als herkömmliche, da es Sauerstoff und Wasserstoff getrennt und nicht gleichzeitig erzeugt, sodass die Explosionsgefahr geringer ist.
Die Zukunft der Ladestationen für Wasserstofffahrzeuge?
Die Technologie von LEPA könnte bei Transportanwendungen besonders nützlich sein. Da immer mehr Fahrer dies übernehmen Elektrofahrzeuge, wird die Nachfrage nach Strom und sauberem Wasserstoff in die Höhe schnellen. Das Laden dieser Fahrzeuge belastet die Stromnetze und führt zu Lastspitzen, die für Netzbetreiber schwer zu planen sind. «Gemäss Daten des Bundesamts für Energie für 2020 entfallen rund 33 Prozent des Energieverbrauchs in der Schweiz auf den Verkehrssektor», sagt Reynard. „Unsere Batterien könnten nicht nur Wasserstoff produzieren, sondern auch als Puffer dienen, um Nachfragespitzen auszugleichen.“
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