Wie HalioGen Power eine Redox-Flow-Batterie ohne Membran erschafft
Um im Kampf gegen den Klimawandel seinen Beitrag zu leisten, muss Deutschland bis 2045 klimaneutral werden und die Energieversorgung aus ausschließlich erneuerbaren Energien sicherstellen. Der Handlungsdruck hat sich zudem in Folge des Ukrainekriegs erhöht, denn Gas hat als Übergangstechnologie an Attraktivität verloren und – und Deutschlands Unabhängigkeit bei der Energieversorgung massiv an Bedeutung gewonnen. Angesichts dieser neuen existenziellen Bedrohungen, den immer häufiger werdenden Naturkatastrophen und Extremwetterereignissen muss der Anteil der erneuerbaren Energien in den kommenden zwei Jahrzehnten stark ansteigen. Gleichzeitig sollen die grundlastfähigen Atom- und Kohlekraftwerke bis 2038 vollständig vom Netz genommen und durch Wind- und Solarkraft ersetzt werden.
Dabei stellen lange Perioden ohne nennenswertes Solar- und Windenergiepotential eine besondere Herausforderung dar, sogenannte Dunkelflauten. Während andauernder Dunkelflauten liegt die Leistung von Wind- und Solarkraft nur bei einem Bruchteil der üblichen Durchschnittsleistung, sodass der Energiebedarf auch mithilfe von Lastmanagement und Kurzzeitspeichern nicht abgedeckt werden kann. In Deutschland treten mehrere solcher Flauten mit einer Länge von über 48 Stunden pro Jahr auf, im Einzelfall können sie sich aber auch über bis zu zehn Tage hinziehen. In diesen Zeiträumen spielen langfristige Energiespeicher, also Energiespeicher mit einer Speicherdauer von mindestens zehn Stunden, eine essenzielle Rolle um die Stabilität des Stromnetzes zu gewährleisten. Zudem strecken sich meist durch den Winter lange Perioden, in denen in Zukunft die Energieerzeugung hinter dem Energiebedarf zurückbleibt
Langfristige Energiespeicher sind ein zentraler Baustein für die Energieautonomie und die Erreichung der Klimaziele, parallel auch ein heranwachsender Multi-Milliarden-Markt, der allerdings mit den aktuell marktreifen Technologien nur unzureichend bedient werden kann.
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Die Herausforderung: Energie speichern und Strom für mehr als zehn Stunden effizient bereitstellen, ohne kritische Rohstoffe zu verwenden.
In der Challenge sollen sprunginnovative technologische Ansätze identifiziert werden, die eine langfristige, effiziente und kostengünstige Energiespeicherung ermöglichen. Wesentlich dabei sind die Rohstoff- und Systemkosten, die Selbstentladung, der Wirkungsgrad der Speicherung, die Lebensdauer, die Energiedichte und die technische und ökonomische Skalierbarkeit der Projektidee.
Teams, die an dieser Challenge teilnehmen, sind voll und ganz gefordert. Die SPRIND unterstützt deshalb intensiv und individuell. Dazu gehört die Finanzierung der Teams mit bis zu 1 Mio. € in Stufe 1 und bis zu 3 Mio. € in der finalen Stufe 2 der Challenge. Um den Teams zu helfen, ihr volles Potential zu entfalten, stellt die SPRIND den Teams neben finanzieller Unterstützung eine:n Coach:in zur Seite, der:die die Arbeit eines jeden Teams begleitet, sie berät und vernetzt.
Damit sich die Teams voll und ganz auf ihre Innovationen konzentrieren können, finanzieren wir schnell und unbürokratisch. Am Ende der ersten Stufe der Challenge, nach einem Jahr, entscheidet die Jury auf der Grundlage von Zwischenevaluationen darüber, welche Teams weiter an der Challenge teilnehmen werden. Als Finalist:innen bekommen diese Teams die Gelegenheit, ihr Projekt weitere anderthalb Jahre voranzutreiben und ihren Durchbruch umfassend zu demonstrieren.
Noch einen Schritt weiter gedacht: Ideen mit dem Potential für eine Sprunginnovation müssen in den Markt gebracht werden, um uns allen zugutezukommen – aussichtsreiche Projekte können deshalb auch nach Ende der Challenge weiter durch die SPRIND unterstützt werden.
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Im November 2023 hat die Expertenjury im Auftrag der SPRIND die Teilnehmer für die zweite und letzte Stufe der Challenge "Long-Duration Energy Storage" ausgewählt. Für die nächsten 18 Monate erhalten die vier Teams jeweils bis zu 3 Millionen Euro für die Weiterentwicklung ihrer Technologie zur langfristigen Stromspeicherung.
Reverion
“Die neue Energiewelt ist binär”, sagt Felix Fischer: “Es gibt entweder einen Stromüberschuss oder einen Strommangel.” Scheint die Sonne, sinken die Strompreise, scheint sie nicht, steigen die Preise an und die schnelle Bereitstellung von gespeicherter Energie wird immer wichtiger.
HalioGen Power
Dünne Trennwände schützen Redox-Flow-Batterien vor Kurzschlüssen und ermöglichen gleichzeitig den Ionenaustausch zwischen den Elektrolyten: Membranen sind in Batterien seit Jahrzehnten im Einsatz. Doch das könnte sich ändern.
Ore Energy
Eisen, Luft und Wasser: Mit diesen drei Elementen will Ore Energy die Batteriebranche revolutionieren. 100 Stunden lang soll die Eisen-Luft-Batterie des Teams Strom liefern und immer dann einspringen, wenn keine erneuerbaren Energien zur Verfügung stehen.
Unbound Potential
Radikal einfaches Design – das ist das Geheimnis hinter der neuen Flussbatterie von Unbound Potential. Das Unternehmen arbeitet an einer membranlosen Batterie, die Lithium-Ionen-Akkus Konkurrenz machen soll.
Science-Youtuber Jacob Beautemps stellt bei Breaking Lab die Challenge Teams im Detail vor
Die Jury
Gitanjali DasGupta
Sebastian Scholz
Anna Grevé
Pasquale Salza
Pilar Gonzalez
Nick de la Forge
Haben Sie Fragen zur Challenge? Schreiben Sie uns unter challenge@sprind.org.
Dünne Trennwände schützen Redox-Flow-Batterien vor Kurzschlüssen und ermöglichen gleichzeitig den Ionenaustausch zwischen den Elektrolyten: Membranen sind in Batterien seit Jahrzehnten im Einsatz. Doch das könnte sich ändern.
“Wir entwickeln eine neue Generation von Redox-Flow-Batterien: Eine membranfreie Batterie”, fasst Dr. Lewis Le Fevre den innovativen Ansatz von HalioGen Power zusammen. Keine Membran, das bedeutet: 30 Prozent geringere Herstellungskosten und gleichzeitig eine längere Lebensdauer der Batterie.
“Wir entwickeln eine neue Generation von Redox-Flow-Batterien: Eine membranfreie Batterie”, fasst Dr. Lewis Le Fevre den innovativen Ansatz von HalioGen Power zusammen. Keine Membran, das bedeutet: 30 Prozent geringere Herstellungskosten und gleichzeitig eine längere Lebensdauer der Batterie.
ZINK UND BROMID STATT VANADIUM
Das neunköpfige Team von HalioGen Power arbeitet stattdessen an einer Batterie, in der Zink und Bromid zum Einsatz kommen. Zink-Brom-Batterien gibt es schon länger, doch sie haben eine Membran – und einige Probleme. “Bei der Oxidation von Bromid entstehen verschiedene Bromverbindungen, darunter auch Bromgas, das sehr giftig ist“, erklärt Le Fevre. Und auch das Zink bereitet Schwierigkeiten: “Auf der Zinkelektrode bilden sich Ablagerungen, sogenannte Dendriten. Diese wachsen ungleichmäßig, so dass man am Ende baumähnliche Strukturen hat, die von der Elektrode abstehen.” Die Dendriten können die Membran der Batterie durchstoßen und dadurch einen Kurzschluss verursachen. Damit das nicht passiert, muss der Abstand zwischen den Elektroden relativ groß gewählt werden. “Das bedeutet aber einen höheren Widerstand und damit eine geringere Leistung”, fasst Le Fevre die Komplikationen zusammen.
Das neunköpfige Team von HalioGen Power arbeitet stattdessen an einer Batterie, in der Zink und Bromid zum Einsatz kommen. Zink-Brom-Batterien gibt es schon länger, doch sie haben eine Membran – und einige Probleme. “Bei der Oxidation von Bromid entstehen verschiedene Bromverbindungen, darunter auch Bromgas, das sehr giftig ist“, erklärt Le Fevre. Und auch das Zink bereitet Schwierigkeiten: “Auf der Zinkelektrode bilden sich Ablagerungen, sogenannte Dendriten. Diese wachsen ungleichmäßig, so dass man am Ende baumähnliche Strukturen hat, die von der Elektrode abstehen.” Die Dendriten können die Membran der Batterie durchstoßen und dadurch einen Kurzschluss verursachen. Damit das nicht passiert, muss der Abstand zwischen den Elektroden relativ groß gewählt werden. “Das bedeutet aber einen höheren Widerstand und damit eine geringere Leistung”, fasst Le Fevre die Komplikationen zusammen.
“Die Membran einer Redox-Flow-Batterie versagt nach etwa acht Jahren, dann muss sie ausgetauscht werden, sonst funktioniert die Batterie nicht mehr”, erklärt Le Fevre, CTO und Mitbegründer von HalioGen Power.
Der Verzicht auf die Membran ist aber nicht die einzige Innovation. “Wir haben einen der teuersten Bestandteile weggelassen, nämlich Vanadium”, sagt Le Fevre. “Vanadium ist ein noch knapperes Gut als Nickel und Kobalt und kommt zu 70 Prozent aus China.”
Der Verzicht auf die Membran ist aber nicht die einzige Innovation. “Wir haben einen der teuersten Bestandteile weggelassen, nämlich Vanadium”, sagt Le Fevre. “Vanadium ist ein noch knapperes Gut als Nickel und Kobalt und kommt zu 70 Prozent aus China.”
SCHUTZSCHICHT STATT MEMBRAN
Le Fevre und seine Kollegen bei HalioGen Power arbeiten deshalb an einer elektrochemischen Lösung, die den Prozess beschleunigt und besser kontrollierbar macht. Mit Erfolg: "Wir haben eine Möglichkeit gefunden, auf elektrochemischem Weg eine Schutzschicht auf die Zinkoberfläche aufzubringen, die die Korrosionsbeständigkeit erhöht und das Dendritenwachstum deutlich reduziert.”
Woraus die regulierbare Schutzschicht besteht, ist noch geheim, aber Le Fevre verrät: "Es handelt sich um eine sogenannte Festelektrolyt-Grenzfläche, die hauptsächlich aus einem weit verbreiteten Lebensmittelzusatzstoff besteht und sehr dünn ist. Wir können eine Schutzschicht mit einer einstellbaren Dicke von weniger als 100 Mikrometern erzeugen.”
Le Fevre und seine Kollegen bei HalioGen Power arbeiten deshalb an einer elektrochemischen Lösung, die den Prozess beschleunigt und besser kontrollierbar macht. Mit Erfolg: "Wir haben eine Möglichkeit gefunden, auf elektrochemischem Weg eine Schutzschicht auf die Zinkoberfläche aufzubringen, die die Korrosionsbeständigkeit erhöht und das Dendritenwachstum deutlich reduziert.”
Woraus die regulierbare Schutzschicht besteht, ist noch geheim, aber Le Fevre verrät: "Es handelt sich um eine sogenannte Festelektrolyt-Grenzfläche, die hauptsächlich aus einem weit verbreiteten Lebensmittelzusatzstoff besteht und sehr dünn ist. Wir können eine Schutzschicht mit einer einstellbaren Dicke von weniger als 100 Mikrometern erzeugen.”
Die Schutzschicht reguliert den Zinkfluss zur Elektrode: Denn nur Zink kann bestimmte Stellen der Schutzschicht durchdringen, für Brom ist sie nicht durchlässig. Gleichzeitig verhindert die Schutzschicht die Selbstentladung der Batterie: "Wir haben bei unserem Prototyp im Labor nachgewiesen, dass die Selbstentladung bei einer Ladezeit von 15 Stunden unter einem Prozent liegt. Das ist ein wichtiges Verkaufsargument für uns", sagt Le Fevre.
HITZEBESTÄNDIG BIS 90 GRAD
Ein weiterer Pluspunkt der Zink-Brom-Batterie ist ihre Hitzebeständigkeit. Wie wichtig diese ist, weiß Le Fevre aus eigener Erfahrung: “Meine Familie lebt in Australien. In Westaustralien gab es eine große Lithium-Ionen-Batterieanlage. Als es mehrere Tage heißer als 45 Grad war, fiel das Kühlsystem der Batterie aus und die Lithium-Ionen-Batterie ging in Flammen auf”, berichtet er. “Es besteht ein Bedarf an Energiespeichersystemen, die extremen Temperaturen, insbesondere Hitze, standhalten können.” Hinzu kommt: Extreme Hitzewellen werden durch die Klimakrise immer häufiger.
"Unser System funktioniert auch noch bei 90 Grad", sagt Le Fevre. Das eröffnet für HalioGen Power einen neuen Markt: "Wir können unser Produkt auch in Ländern vertreiben, in denen Redox-Flow-Batterien bisher nicht oder nur mit aufwendiger Kühlung eingesetzt werden konnten. Daher haben wir vor allem Länder in Afrika südlich der Sahara, in Südostasien, in Südamerika und Australien im Blick.”
Ein weiterer Pluspunkt der Zink-Brom-Batterie ist ihre Hitzebeständigkeit. Wie wichtig diese ist, weiß Le Fevre aus eigener Erfahrung: “Meine Familie lebt in Australien. In Westaustralien gab es eine große Lithium-Ionen-Batterieanlage. Als es mehrere Tage heißer als 45 Grad war, fiel das Kühlsystem der Batterie aus und die Lithium-Ionen-Batterie ging in Flammen auf”, berichtet er. “Es besteht ein Bedarf an Energiespeichersystemen, die extremen Temperaturen, insbesondere Hitze, standhalten können.” Hinzu kommt: Extreme Hitzewellen werden durch die Klimakrise immer häufiger.
"Unser System funktioniert auch noch bei 90 Grad", sagt Le Fevre. Das eröffnet für HalioGen Power einen neuen Markt: "Wir können unser Produkt auch in Ländern vertreiben, in denen Redox-Flow-Batterien bisher nicht oder nur mit aufwendiger Kühlung eingesetzt werden konnten. Daher haben wir vor allem Länder in Afrika südlich der Sahara, in Südostasien, in Südamerika und Australien im Blick.”
“Es ist uns gelungen, diese Probleme grundlegend zu lösen”, verkündet er stolz. “Während meiner Zeit als Doktorand habe ich an zinkbasierten Energiespeichersystemen gearbeitet, und im dritten Jahr meiner Doktorarbeit habe ich eine Lösung gefunden.” Doch er gibt zu: “Es ist ein sehr komplizierter chemischer Prozess, der sehr langsam und nicht skalierbar war.”
Durch die Schutzschicht können die Elektroden näher beieinander liegen, was wiederum eine höhere Leistung bedeutet. "Dank einiger chemischer Veränderungen, die wir vorgenommen haben, ist unsere Zink-Brom-Batterie 30 Prozent effizienter und 160 Prozent energiedichter als ein herkömmliches Vanadium-System.”
HalioGen Power plant ein 10-Kilowattstunden-System, das die Größe einer Klimaanlage hat und daher leicht am oder im Haus installiert werden kann, um Solarenergie zu speichern. Die Batterie selbst ist nicht brennbar, und auch die Toxizität konnte das Team im Vergleich zu bisherigen Zink-Brom-Batterien reduzieren. Denn in der Batterie befindet sich kein Bromgas, sondern flüssiges Brom.
Neben dem 10-Kilowattstunden-System für Privathaushalte arbeitet HalioGen Power auch an einem 100-Kilowattstunden-System für Gewerbegebiete. “Wir hoffen, dass wir bis 2027 beides vollständig kommerzialisiert haben”, erklärt Le Fevre. Den technischen Hürden sieht der 32-Jährige gelassen entgegen. Respekt hat der Wissenschaftler, der kürzlich mit HalioGen Power aus der Universität Manchester ausgegründet hat, vor allem vor der Geschäftswelt und der Herausforderung, ein Unternehmen zu führen. “Ich habe immer zu den Leuten gesagt, ich könnte es besser machen. Jetzt will ich es wirklich besser machen.”
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