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Jun 03, 2023

Die wiederaufladbare Salzschmelze-Batterie friert die Energie lange an Ort und Stelle ein

Die Technologie könnte mehr erneuerbare Energie ins Stromnetz bringen. Im Frühling strömt im pazifischen Nordwesten Schmelzwasser aus tauendem Schnee die Flüsse hinunter und der Wind weht oft heftig. Diese Kräfte

Die Technologie könnte mehr erneuerbare Energie ins Stromnetz bringen

Im Frühling strömt im pazifischen Nordwesten Schmelzwasser aus tauendem Schnee die Flüsse hinunter und der Wind weht oft heftig. Diese Kräfte drehen die vielen Kraftwerksturbinen der Region und erzeugen in einer Zeit milder Temperaturen und relativ geringem Energiebedarf eine Menge Strom. Doch ein Großteil dieses saisonalen Überschussstroms – der im Sommer Klimaanlagen antreiben könnte – geht verloren, weil Batterien ihn nicht lange genug speichern können.

Forscher am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), einem nationalen Labor des Energieministeriums in Richland, Washington, entwickeln eine Batterie, die dieses Problem lösen könnte. In einem kürzlich in Cell Reports Physical Science veröffentlichten Artikel zeigten sie, wie durch das Einfrieren und Auftauen einer geschmolzenen Salzlösung eine wiederaufladbare Batterie entsteht, die Energie über Wochen oder Monate hinweg kostengünstig und effizient speichern kann. Eine solche Fähigkeit ist von entscheidender Bedeutung für die Verlagerung des US-Stromnetzes weg von fossilen Brennstoffen, die Treibhausgase freisetzen, hin zu erneuerbaren Energien. Präsident Joe Biden hat sich zum Ziel gesetzt, die CO2-Emissionen der USA bis 2030 zu halbieren, was einen erheblichen Ausbau von Wind-, Solar- und anderen sauberen Energiequellen sowie Möglichkeiten zur Speicherung der von ihnen erzeugten Energie erforderlich machen wird.

Die meisten herkömmlichen Batterien speichern Energie in Form chemischer Reaktionen, die nur darauf warten, ablaufen zu können. Wenn die Batterie an einen externen Stromkreis angeschlossen ist, wandern Elektronen durch diesen Stromkreis von einer Seite der Batterie zur anderen und erzeugen so Strom. Um die Änderung auszugleichen, bewegen sich geladene Teilchen, sogenannte Ionen, durch die Flüssigkeit, Paste oder das feste Material, das die beiden Seiten der Batterie trennt. Aber auch wenn die Batterie nicht verwendet wird, diffundieren die Ionen nach und nach durch dieses Material, das als Elektrolyt bezeichnet wird. Wenn das über Wochen oder Monate hinweg passiert, verliert die Batterie Energie. Einige wiederaufladbare Batterien können in einem einzigen Monat fast ein Drittel ihrer gespeicherten Ladung verlieren.

„Bei unserer Batterie haben wir wirklich versucht, diesen Zustand der Selbstentladung zu stoppen“, sagt PNNL-Forscher Guosheng Li, der das Projekt leitete. Der Elektrolyt besteht aus einer Salzlösung, die bei Umgebungstemperatur fest ist, aber beim Erhitzen auf 180 Grad Celsius flüssig wird – etwa die Temperatur, bei der Kekse gebacken werden. Wenn der Elektrolyt fest ist, bleiben die Ionen an ihrem Platz und verhindern so eine Selbstentladung. Erst wenn sich der Elektrolyt verflüssigt, können die Ionen durch die Batterie fließen und diese laden bzw. entladen.

Die Entwicklung einer Batterie, die wiederholten Heiz- und Kühlzyklen standhält, ist keine leichte Aufgabe. Temperaturschwankungen führen dazu, dass sich die Batterie ausdehnt und zusammenzieht, und die Forscher mussten widerstandsfähige Materialien identifizieren, die diese Veränderungen tolerieren können. „Was wir zuvor gesehen haben, ist eine Menge aktiver Forschung, um sicherzustellen, dass man diesen thermischen Zyklus nicht durchlaufen muss“, sagt Vince Sprenkle, strategischer Berater für Energiespeicherung bei PNNL und Mitautor des neuen Papiers. „Wir sagen: ‚Wir wollen das durchstehen, und wir wollen in der Lage sein, zu überleben und es als Schlüsselmerkmal zu nutzen.‘“

Das Ergebnis ist eine wiederaufladbare Batterie aus relativ kostengünstigen Materialien, die Energie über längere Zeiträume speichern kann. „Es ist ein großartiges Beispiel für eine vielversprechende Langzeit-Energiespeichertechnologie“, sagt Aurora Edington, politische Direktorin des Stromindustrieverbands GridWise Alliance, die nicht an dieser Forschung beteiligt war. „Ich denke, wir müssen diese Bemühungen unterstützen und sehen, wie weit wir sie zur Kommerzialisierung bringen können.“

Besonders nützlich könnte die Technologie an einem Ort wie Alaska sein, wo nahezu konstantes Sommersonnenlicht mit relativ niedrigem Energieverbrauch einhergeht. Eine Batterie, die Energie über Monate hinweg speichern kann, könnte dazu führen, dass im Sommer reichlich Solarenergie zur Verfügung steht, um den Strombedarf im Winter zu decken. „Was an der Gefrier-Tau-Batterie so attraktiv ist, ist ihre Fähigkeit zur saisonalen Verschiebung“, sagt Rob Roys, Chief Innovation Officer bei Launch Alaska, einer gemeinnützigen Organisation, die sich für die Beschleunigung des Einsatzes von Klimatechnologien im Bundesstaat einsetzt. Roys hofft, die PNNL-Batterie in einem abgelegenen Teil seines Bundesstaates steuern zu können.

Das Aufheizen der Batterie kann insbesondere an kalten Orten eine Herausforderung darstellen. Selbst unter milden Bedingungen benötige der Heizvorgang Energie, die etwa 10 bis 15 Prozent der Batteriekapazität entspricht, sagt Li. In späteren Phasen des Projekts werden Möglichkeiten untersucht, die Temperaturanforderungen zu senken und ein Heizsystem in die Batterie selbst zu integrieren. Eine solche Funktion würde den Akku für den Benutzer vereinfachen und ihn möglicherweise für den Heim- oder Kleingebrauch geeignet machen.

Derzeit ist die experimentelle Technologie auf großtechnische und industrielle Anwendungen ausgerichtet. Sprenkle stellt sich so etwas wie LKW-Container mit Sattelzugmaschine und riesigen Batterien im Inneren vor, die neben Windparks oder Solaranlagen geparkt sind. Die Batterien würden vor Ort aufgeladen, abgekühlt und zu Anlagen namens Umspannwerken gefahren, wo die Energie je nach Bedarf über Stromleitungen verteilt werden könnte.

Das PNNL-Team plant, die Technologie weiterzuentwickeln, aber letztlich liegt es an der Industrie, ein kommerzielles Produkt zu entwickeln. „Unsere Aufgabe am DOE besteht eigentlich darin, das Risiko neuer Technologien zu verringern“, sagt Sprenkle. „Die Industrie wird die Entscheidung treffen, ob sie der Meinung ist, dass die Risiken ausreichend reduziert wurden, und sie wird das annehmen und damit weitermachen.“

Das DOE arbeitet daran, die Verzögerung zu verringern, die normalerweise zwischen ersten Forschungsdemonstrationen und der Kommerzialisierung von Energietechnologien auftritt. Obwohl Wissenschaftler bereits in den 1970er-Jahren mit der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien begannen, gelangten die Batterien erst etwa 1991 in Verbraucherprodukte und wurden erst Ende der 2000er-Jahre in das Stromnetz integriert. Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen könnten laut Sprenkle dazu beitragen, den Validierungs- und Testprozess für neue Technologien zu beschleunigen, sodass Forscher die Batterieleistung über ein Jahrzehnt hinweg modellieren und vorhersagen können, ohne zehn Jahre für die Datenerfassung zu benötigen.

Ob die Einführung schnell genug erfolgen wird, um die Dekarbonisierungsziele zu erreichen, ist unklar. „Wenn wir wirklich versuchen, die Dekarbonisierungsziele für 2030 und 2035 zu erreichen, müssen alle diese Technologien etwa um den Faktor fünf beschleunigt werden“, sagt Sprenkle. „Sie haben es mit Entwicklungen zu tun, die in den nächsten vier bis fünf Jahren online gehen, validiert und zur Übergabe bereit sein müssen, um wirklich, wirklich Wirkung zu erzielen.“

Anna Blaustein ist Wissenschaftsjournalist. Sie hat einen Bachelor-Abschluss in Biologie vom Bowdoin College und einen Master-Abschluss in wissenschaftlichem Schreiben vom Massachusetts Institute of Technology.

Andrea Thompson

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