VARTA AG forscht an Zukunft der Energiewende

Ein Projekt erforscht dabei die Nutzung von Eisen zur Energiespeicherung, und zwar in Form eines so genannten Eisen-Slurry/Luftspeichers. Ein Slurry ist eine dickflüssige Masse, in der Eisen als Speichermedium in einem Elektrolyt gelöst ist.

Knackpunkt ist bislang die Leistungsfähigkeit

Diese Masse wird während des Betriebs aus einem externen Behälter, dem Reservoir, durch die eigentliche Batteriezelle und wieder zurück gepumpt. In der Zelle reagiert die Masse mit Luft und setzt dabei gespeicherte Energie frei. Das Laden erfolgt ebenfalls auf diesem Weg. Das System bietet viele Vorteile: Eisen ist leicht verfügbar, ungefährlich und kann leicht wiederverwertet werden. Und: Die Leistung der Zelle kann durch die Größe des Reservoirs ganz einfach verändert werden. Je größer der Behälter, desto mehr Energie kann gespeichert werden.

Cornelia Wiedemann, Projektmanagerin Produktentwicklung, leitet auf technischer Seite das Projekt "FeEnCap" bei VARTA. Der Name "FeEnCap" setzt sich dabei zusammen aus der chemischen Bezeichnung des Elements Eisen "Fe", der Abkürzung "En" für "Energie" und "Cap" für "capsuled", also "gekapselt". "Der Eisenakkumulator ist eine recht alte Technologie. Als Feststoffzelle, in der Eisen als Elektrodenmaterial verwendet wird, ist sie sogar schon veraltet. Neu ist, dass Eisen eben als Slurry verwendet wird", sagt Wiedemann.

Das Forschungsprojekt zielt nun darauf ab, die Technologie leistungsfähiger zu machen. Das soll durch eine Erhöhung der Leitfähigkeit des Slurrys geschehen. "In früheren Eisen-Batterien hat man die Komponenten in eine Tablette gepresst, was einen sehr guten Kontakt der Partikel und eine gute Leitfähigkeit zur Folge hatte. In der Slurry sind die Partikel frei, sie binden nicht direkt aneinander und berühren sich dadurch nicht immer, daher ist die Leitfähigkeit der Slurry schlechter." In einem Vorgängerprojekt wurde die Leitfähigkeit mit Material wie Grafit verbessert. "FeEnCap hat nun das Ziel, durch die Einkapselung der Slurry-Bestandteile die Leitfähigkeit so zu verbessern, dass das System eine gute Lade- und Entladefähigkeit aufweist", sagt Wiedemann.

Interessante Alternative zu Lithium-Ionen-Zellen bei bestimmten Anwendungen

Ein Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien ist die Technologie nicht, sagt Wiedemann: "Sie ist eine Alternative für bestimmte Anwendungen. Lithium-Ionen haben viele Vorteile, sie können höhere Spannungen liefern – 3,6 Volt im Vergleich zu 1,x Volt bei Eisen – und der Platzbedarf ist auch geringer. Aber es ist eine sehr interessante Technologie für stationäre Stromspeicher, gerade durch die geringen Kosten, die gute Verfügbarkeit und die gute Recycelfähigkeit."

Ziel des Projekts, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird und in dem VARTA mit vier weiteren Unternehmen und zwei Forschungsinstituten zusammenarbeitet, ist, in den kommenden fünf Jahren kommerzielle stationäre Speicher mit dieser Technologie zu entwickeln.

Zink-Ionen-Zellen als nachhaltige Batteriespeicher

Gleichzeitig arbeitet VARTA mit weiteren Partnern an der Weiterentwicklung von Zink-Ionen-Batterien. Auch hier ist das Ziel, unkritische, kostengünstige Materialien einzusetzen, um neuartige stationäre Energiespeicher zu entwickeln.

So genannte wässrige Zink-Ionen-Batterien (ZIB) basieren auf Zink – einem Material, das ausreichend verfügbar ist. Diese Batterien gelten als umweltfreundlich, wirtschaftlich und sicher. Es besteht keine Explosions- oder Brandgefahr, da Wasser ein wesentlicher Bestandteil der Zelle ist.

Nicolas Bucher, Head of Funded Projects bei der VARTA AG: "Obwohl das alles ideale Voraussetzungen für grüne Batterietechnologie sind und obwohl die ZIB-Systeme bereits eine hohe technologische Reife erreicht haben, konnte sich die Technologie im Vergleich zu der Lithium-Ionen-Batterie (LIB) bislang nicht über breite Anwendungsfelder durchsetzen. Das Hauptproblem bei ZIB ist der bislang geringe Wirkungsgrad und die kurze Lebensdauer." Hier setzt das Forschungsprojekt ZIB2 an, bei dem VARTA mit drei Unternehmen und zwei Forschungseinrichtungen zusammenarbeitet.

Ziel ist die Erhöhung der Lebensdauer

Bucher: "Moderne Zink-Ionen-Konzepte gehören eigentlich zum Typ der Zink-Metall-Batterien, bestehen jedoch auf der positiven Elektrode aus Materialen, wie beispielsweise Manganoxiden, Vanadiumoxiden oder Preußischblau-Analoga (PBA) wie z. B. Kupferhexacyanoferrat, die eine reversible Ionen-Einlagerung ermöglichen. Hierzu kommt die Verwendung von wässrigem Elektrolyt, was die Sicherheit des ZIB-Systems immens steigert."

Die im ZIB2 adressierten PBA-Kathodenmaterialien zeichnen sich aus durch ihre niedrigen Energieverluste sowie durch ihre Fähigkeit, schnell laden und entladen zu können. Das macht sie für eine Anwendung im stationären Energiespeichersektor besonders relevant, weil hier schnell auf eventuelle Lastspitzen im Stromnetz reagiert werden muss, um flächendeckende Stromausfälle vermeiden zu können. Ein weiterer Vorteil von PBA-Kathodenmaterialien ist ihre einfache, skalierbare und kostengünstige Synthese. Im Zuge einer schnellen Kommerzialisierung können entsprechend große Mengen an Elektroden hergestellt und so entsprechend schnell Zellen produziert werden. Großer Nachteil der PBA-Systeme war bisher ihre kurze Lebensdauer von ausschließlich 300 Zyklen (Lade- und Entladevorgang). Allerdings konnten die ZIB2-Projektpartner durch die Veränderung der jeweiligen PBA-Struktur die Lebensdauer der PBA-basierten ZIB bereits auf 800 Zyklen steigern. Im laufenden Projekt geht es darum, die Leistungsfähigkeit der ZIB-Technologie zu erhöhen und somit einen schnellen Einsatz der entwickelten Zellen in realen Anwendungsszenarios zu ermöglichen.

Abgeschlossen soll das Projekt bis 31. Januar 2026 sein. Entsprechende Batterien für die stationäre Speicherung erneuerbarer Energien könnten ab 2030 auf den Markt kommen.

Rainer Hald, Chief Technology Officer (CTO) der VARTA AG: "Wenn die Energiewende in allen Bereichen gelingen soll, führt kein Weg an dezentralen Energiespeichern vorbei. VARTA arbeitet intensiv daran, dass neben den bestehenden, sehr guten Systemen auch neue Technologien künftig zum Einsatz kommen können, die Vorteile wie gute Verfügbarkeit, geringe Kosten und gute Wiederverwendbarkeit aufweisen. Unsere Forschung und Entwicklung stellt sicher, dass VARTA auch in Zukunft eine führende Rolle in der Batterietechnologie hält."