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Schwefel-Akkus und Supercaps: Woran Dresdner Energiespeicher-Forscher arbeiten

Hat nicht mehr viel mit einem handlichen Notebook-Akku zu tun: Blick aus dem Younicos-Leitstand auf eine Halle mit Natrium-Schwefel-Batterien. Abb.: Younicos

Hat nicht mehr viel mit einem handlichen Notebook-Akku zu tun: Blick aus dem Younicos-Leitstand auf eine Halle mit Natrium-Schwefel-Batterien. Abb.: Younicos

Dresden, 5. Februar 2014: Der rasante Ausbau der Ökoenergie-Erzeugung stellt die deutschen Stromnetze vor enorme Herausforderungen: Windkraftparks zum Beispiel stehen vor allem im Norden, die großen industriellen Stromverbraucher eher im Süden des Landes. Auch erzeugen Solarparks inzwischen bei Sonnenschein mehr Strom, als die Netze verkraften können. Solange letztere nicht ausgebaut werden, sind Zwischenspeicher gefragt. Und nicht zuletzt müssen auch für Elektroautos deutlich bessere Akkus her, da die meisten Modelle nur auf etwa 160 Kilometer Reichweite kommen – und eAutos damit de facto auf den Einsatz als Stadtmobile begrenzen. Hier nun im Kurzprofil ein paar Lösungsansätze, die an Dresdner Instituten und Firmen verfolgt werden:

Akku-Großspeicher:

Schaubild eines Lithium-Schwefel-Akkus, der die aus Notebooks bekannten Lithium-Ionen-Batterien beerben soll. Solche und andere Systeme sollten eigentlich im Energie-Forschungszentrum RESET weiterentwickelt werden. Abb.: Fraunhofer IWS Dresden

Schaubild eines Lithium-Schwefel-Akkus. Abb.: Fraunhofer IWS Dresden

Um große Mengen elektrischer Energie zwischenzuspeichern, gelten Pumpspeicherwerke als bewährteste Methode. Der Neubau solcher Pumpspeicher stößt jedoch auf enorme Vorbehalte der Anwohner, wie erst jüngst die Proteste gegen ein solches Projekt im Harz gezeigt haben. Lithium-Ionen-Akkus sind da kaum eine Alternative, da sie sehr heiß werden, je größer sie gebaut werden.

Zumindest mittlere Energiemengen könnten aber auch in neuartigen schwefel- und natriumbasierten Akkus gespeichert werden. „Die Lithium-Schwefel-Technologie entwickelt sich seit drei, vier Jahren immer mehr zum Renner“, schätzte Dr. Ralf Jäckel ein, der Sprecher des Dresdner Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS). „Mit relativ einfachen chemischen Methoden lassen sich gute Effekte erzielen.“

Insbesondere für größere stationäre Speicher, die Netz-Stromspitzen abfedern, kommen auch Natrium-Schwefel-Batterien in Frage, an denen beispielsweise die Hermsdorfer Tochter des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) arbeitet. Solche Akkus werden zwar teilweise schon von ostasiatischen Unternehmen angeboten. Der große Marktdurchbruch blieb bisher jedoch aus – vor allem, weil diese Akkus noch Betriebstemperaturen um die 300 Grad haben. Die Sachsen arbeiten daher u. a. daran, diese Technik bis auf Zimmertemperatur zu drücken.

Skizze des Dresdyn mit dem Flüssigmetallkern (Zylinder in der Mitte) und den Dreh- und Taimel-Vorrichtungen (farbig). Abb.: HZDR

Skizze des Dresdyn mit Flüssigmetallkern. Abb.: HZDR

Noch Zukunftsmusik sind Flüssigmetall-Akkus, die noch effektivere Energiespeicher abgeben könnten. Dort rechnen Forscher allerdings mit gefährlichen spontanen Magnetwirbeln, die die Systeme auseinanderreißen könnten. Ein Thema der im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf geplanten Großforschungsanlage „Dresdyn“ (eine Art mehrfach drehende Flüssigmetallkugel) ist daher auch die Erkundung dieser Batterie-Effekte.

 

 

 

 

Akkus für Elektroautos:

Ein Pfad, den IWS und IKTS in Dresden verfolgen, ist eine Verbesserung der bekannten Lithium-Ionen-Akkus. Dort sind Konzerne aus Fernost führend, haben aber zu spüren bekommen, dass sich Laptop-Batterien nicht so einfach unbegrenzt vergrößern lassen, berichtet Dr. Christian Wunderlich vom IKTS.

Ein Fraunhofer-Mitarbeiter besichtet im Rolle-zu-Rolle-Verfahren elektroden für Lithium-Schwefel-Akkus. Foto: Jürgen Jeibmann/ Fraunhofer IWS

Ein Fraunhofer-Mitarbeiter besichtet im Rolle-zu-Rolle-Verfahren Elektroden für Lithium-Schwefel-Akkus. Foto: Jürgen Jeibmann/ Fraunhofer IWS

Einerseits werden dann die Hitze-Probleme immer schwerer kontrollierbar, wie die Zwischenfälle in neueren Airbussen und Tesla-Elektroautos gezeigt haben. Andererseits nimmt auch die Ausbeute an erstklassischen Akku-Zellen ab, wenn man klassische Produktionsmethoden nur rein quantitativ ausweitet.

Die Dresdner Institute arbeiten daher an neuen Elektroden, aber auch an besseren Fertigungsmethoden für große Li-Io-Speicher – beispielsweise durch den Einsatz von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die Rollenbeschichtung von Elektroden und durch hochpräzisen Laser-Zuschnitt. In Hohenstein-Ernstthal und Pleißa baut das IKTS zusammen mit Thyssen-Krupp daher Versuchslinien für eine effektivere Akku-Produktion mit einem strengeren Qualitätsmanagement auf.

Im Übrigen gelten die genannten Schwefel-Akkus auch für den Automobileinsatz als interessante Alternative: Durch ihre höhere Energiedichte könnten sie die Reichweite von Elektroautos verfünffachen.

 

Superkondensatoren:

Um die Bremsenergie größeren Fahrzeugen wie Elektro- oder Hybrid-Bussen zurückzugewinnen, werden heute meist Akkus verwendet. Die jedoch laden zu langsam, um den schlagartigen Energiefluss bei einer Bremsung voll aufzunehmen. Daher erproben Fraunhofer-Institut wie das Dresdner IVI sogenannte „Supercaps“ (Superkondensatoren), die Stromflüsse enorm schnell aufnehmen und dann später dosiert an die Akkus weiterrechen können (u.a. Projekt „Autotram“).

 

Brennstoffzellen:

Sieht wie eine Thermoskanne aus, darin steckt aber Brennstoffzellentechnik, die ein iPhone 100 Stunden lang am Leben hält. Foto: eZelleron

Sieht wie eine Thermoskanne aus, darin steckt aber Brennstoffzellentechnik, die ein iPhone 100 Stunden lang am Leben hält. Foto: eZelleron

Neben den klassischen Brennstoffzellen rücken immer mehr die Hochtemperatur-Brennstoffzellen („SOFC“) in den Forschungsfokus: Diese können Energieträger ohne Zwischenschritte verbrennen und gelten als effektiver. Allerdings arbeiten sie bei 650 bis 1000 Grad und setzen daher den Akku-Bauelementen enorm zu. Die Dresdner Fraunhofer-Ingenieure setzen dafür insbesondere auf Keramikbauteile und haben inzwischen auch erste mobile Einheiten entwickelt, die nun auf Feldtests warten.

Die Dresdner Firma eZelleron GmbH setzt auf die SOFC-Technik sogar im ultraportablen Bereich: Sie hat Mini-Brennstoffzellen in der Größe einer Thermoskanne entwickelt, mit denen man zum Beispiel Handys aufladen kann. Benötigt werden dafür Wasserstoff-Kartuschen, die man ähnlich wie eine Feuerzeug-Füllung einsetzt. Autor: Heiko Weckbrodt

Zum Weiterlesen:

Dresden soll Energiespeicher-Stadt werden

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