Zwischen Batterie und Elektrolyseur: Neuartiger Speicher erzeugt Wasserstoff

Batterien speichern elektrischen Strom direkt, Elektrolyseure nutzen ihn zur Produktion von Wasserstoff. Beide Prozesse vereint nun ein neuartiger Energiespeicher, den Forschende um das deutsch-israelische Unternehmen Zn2H2 – Zinc to Hydrogen und Robert Hahn vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin entwickelt haben. Er besteht aus einer Halbzelle einer Zink-Batterie und einer Elektrode, an der abwechselnd entweder Sauerstoff oder Wasserstoff gebildet wird. Erste kleinere Prototypen zeigen bereits vielversprechende Wirkungsgrade. Zudem sind die genutzten Rohstoffe – Stahl, Zink, Kaliumhydroxid – sehr günstig und in großen Mengen verfügbar.

"Unsere Entwicklung liegt zwischen Batterie und Elektrolyseur", sagt Hahn. Es sei als eine Batterie mit Wasserstoffproduktion vorstellbar oder auch als eine Elektrolyse, die zuerst Energie speichert und anschließend Wasserstoff und Strom bei Bedarf abgibt. Dazu gibt beim Aufladen im flüssigen Kaliumhydroxid-Elektrolyten gelöstes Zinkoxid seinen Sauerstoff ab und lagert sich als Zink-Metall an einer Elektrode ab. Parallel entweicht an der Gaselektrode, die aus einem Stahlblech mit einer hauchdünnen Beschichtung aus einer Nickellegierung besteht, Sauerstoff. Beim Entladen nimmt das Zink wieder Sauerstoff auf und lagert sich als feines Zinkoxid-Pulver am Boden ab. An der Gaselektrode dagegen werden Wassermoleküle reduziert, geben also ihren Sauerstoff ab, und es bildet sich Wasserstoff.

Wirkungsgrad von 50 Prozent

Ein erster Prototyp ist etwa so groß wie ein kleines Aquarium. "Unser System erreicht etwa einen Wirkungsgrad von 50 Prozent und liegt damit genau in der Mitte zwischen Batterie und Elektrolyse", sagt Hahn. Denn wenn ein kompletter Zyklus vom eingesetzten Strom bis zum wieder erzeugten Strom betrachtet wird, kommen Lithium-Ionen-Batterien auf rund 95 Prozent, die Erzeugung und Verstromung von Wasserstoff in Elektrolyse und Brennstoffzelle auf etwa 30 Prozent Wirkungsgrad. Wird das Zink-Wasserstoff-System im praxistauglichen Umfang ge- und entladen, halten sie etwa 500 bis 900 Zyklen aus.

Mit den tausenden Zyklen ausgereifter Batterien kann dieser Zwitterspeicher daher nicht direkt konkurrieren. "Doch für einen Langzeitspeicher reicht diese Stabilität aus", ist Hahn überzeugt. Für einen Einsatz in der Praxis könnte er sich ein System aus geladenen und ungeladenen Zink-Wasserstoff-Zellen vorstellen. Dieses nähme dann je nach Versorgungslage überschüssigen Strom auf oder gäbe seinen gespeicherten Strom wieder ab bei gleichzeitiger Produktion von Wasserstoff. Der Vorteil gegenüber herkömmlichen Elektrolyseuren wäre der Verzicht auf teure Edelmetalle wie Iridium oder fluorhaltige Polymere. Da der Wasserstoff nur bei Bedarf erzeugt würde, fiele auch der Aufwand für eine Zwischenspeicherung – unter hohen Drücken komprimiert in Gastanks – weg.

Nun arbeiten Hahn und seine Partner an einem größeren Demonstrator, der es bei einer Stromstärke von 50 Ampere auf ein Kilowatt Leistung bringt. Sowohl die Zyklenfestigkeit als auch die Prozesssteuerung beim Laden und Entladen sollen damit optimiert werden. Weitere Skalierungsschritte zu größeren Speichern könnten darauf folgen. Doch wie und wo genau diese Art Energiespeicher in Zukunft angewendet werden, lässt sich aus heutiger Sicht nicht sagen. Doch bei der Komplexität der Energielandschaft könnten sich durchaus passende Nutzungsszenarien offenbaren. Erste Patente hat die im Projekt assoziierte Firma Zn2H2 – Zinc to Hydrogen für diesen Fall bereits angemeldet.

(jle)