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Der Bedarf an zuverlässiger erneuerbarer Energie wächst schnell, da Länder auf der ganzen Welt – darunter auch die Schweiz – ihre Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels, zur Suche nach Alternativen zu fossilen Brennstoffen und zur Erreichung der von ihren Regierungen gesetzten Ziele für die Energiewende verstärken. Erneuerbare Energien können jedoch erst dann effizient in die Stromnetze integriert werden, wenn es eine Möglichkeit gibt, sie in grossem Massstab zu speichern.
«Die meisten erneuerbaren Energien sind wetterabhängig, was zu starken Schwankungen in der Energieversorgung führt», sagt Danick Reynard, Doktorand am Labor für Physikalische und Analytische Elektrochemie (LEPA) der EPFL, «aber die Stromnetze sind nicht dafür ausgelegt, solche Schwankungen zu bewältigen». Wasserstoff, der unabhängig von den Wetterbedingungen konstant Energie liefern kann, findet nun zunehmend Beachtung.
Die LEPA-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler arbeiten seit mehreren Jahren an der doppelten Herausforderung der sauberen Wasserstoffproduktion und der Energiespeicherung. Sie haben gerade ein neues System vorgestellt, das eine herkömmliche Redox-Flow-Batterie – derzeit eine der vielversprechendsten Methoden für die stationäre Energiespeicherung in grossem Massstab – mit katalytischen Reaktoren kombiniert, die sauberen Wasserstoff aus der durch die Batterie fliessenden Flüssigkeit erzeugen. Das LEPA-System ist genauso effizient wie herkömmliche Systeme, bietet aber eine grössere Flexibilität und Energiespeicherkapazität. Ausserdem produziert es sauberen Wasserstoff zu geringeren Kosten. Die Forschungsergebnisse der Forschenden erscheinen in Cell Reports Physical Science.
Redox-Flow-Batterien sind die vielversprechendste Lösung für die Energiespeicherung
Redox-Flow-Batterien bestehen aus zwei Tanks, die durch eine elektrochemische Zelle getrennt sind. Zwei hoch leitfähige Elektrolytflüssigkeiten – eine mit positiver und 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, genau wie die in Smartphones verwendeten Lithium-Ionen-Akkus, jedoch mit einer viel längeren Lebensdauer und mit flexiblen Energieerzeugungs- und -speicherfähigkeiten, d. h. sie können schnell auf Schwankungen bei Stromangebot und -nachfrage reagieren.
Für ihr System haben die LEPA-Forschenden eine herkömmliche Redox-Flow-Batterie genommen und sie durch zwei katalytische Reaktoren erweitert. Diese Reaktoren erzeugen Wasserstoff aus der Flüssigkeit, die durch die Tanks zirkuliert. «Der Wasserstoff wird durch einen katalytischen Prozess hergestellt, bei dem die Energie aus der Batterie genutzt wird, um Wassermoleküle in ihre beiden Bestandteile, Wasserstoff und Sauerstoff, aufzuspalten», erklärt Reynard. «Dieser Wasserstoff kann jedoch nur dann als sauber angesehen werden, wenn die zum Laden der Batterien verwendete Energie erneuerbar ist.»
Sauberer, reiner Wasserstoff mit verbesserter und flexibler Speicherkapazität
Die Technologie von LEPA bietet sowohl für die Wasserstofferzeugung als auch für die Energiespeicherung mehrere Vorteile. Herkömmliche Redox-Flow-Batterien können, sobald sie voll aufgeladen sind, keine Energie mehr speichern: «In unserem System hingegen kann die Batterie, sobald sie voll aufgeladen ist, Flüssigkeit in die externen Reaktoren entladen. Diese wiederum erzeugen Wasserstoff, der gespeichert und später verwendet werden kann, wodurch Speicherplatz in der Batterie selbst frei wird», sagt Reynard.
Der vom LEPA-System erzeugte Wasserstoff ist rein und muss für eine optimale Lagerung nur getrocknet und komprimiert werden. Dieses System ist auch sicherer als herkömmliche Systeme, da es den Sauerstoff und den Wasserstoff getrennt und nicht gleichzeitig erzeugt, so dass die Gefahr einer Explosion geringer ist.
Die Zukunft der Ladestationen für Wasserstofffahrzeuge?
Die Technologie von LEPA könnte besonders im Verkehrswesen von Nutzen sein. Da immer mehr Autofahrende Elektrofahrzeuge nutzen, wird die Nachfrage nach Strom und sauberem Wasserstoff stark ansteigen. Das Aufladen dieser Fahrzeuge belastet die Stromnetze und führt zu Lastspitzen, die für die Netzbetreiber nur schwer planbar sind. «Laut den Daten des Bundesamts für Energie für das Jahr 2020 entfallen rund 33 % des Energieverbrauchs in der Schweiz auf den Verkehrssektor», sagt Reynard. «Unsere Batterien können nicht nur Wasserstoff produzieren, sondern auch als Puffer dienen, um Nachfragespitzen auszugleichen.»