Wie Ore Energy Batterien Atem einhaucht
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.
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.
WIE EINE LUNGE, DIE EIN- UND AUSATMET
Die Batterie von Ore Energy besteht aus einer eisenhaltigen Anode, die von Wasser umgeben ist, während die Kathode einer Membran ähnelt. Beim Entladen dringt Sauerstoff durch die Membran in die Batterie ein. Durch dieses “Einatmen” rostet die eisenhaltige Anode und der Oxidationsprozess setzt Energie frei.
WIE EINE LUNGE, DIE EIN- UND AUSATMET
Die Batterie von Ore Energy besteht aus einer eisenhaltigen Anode, die von Wasser umgeben ist, während die Kathode einer Membran ähnelt. Beim Entladen dringt Sauerstoff durch die Membran in die Batterie ein. Durch dieses “Einatmen” rostet die eisenhaltige Anode und der Oxidationsprozess setzt Energie frei.
“Wenn man sich z.B. eine rostige Brücke anschaut, dann handelt es sich um eine sehr stabile Form von Rost. Es ist sehr schwierig, den wieder in Eisen zu verwandeln”, erklärt Yilmaz. Aber Rost ist nicht gleich Rost: Ob er reversibel ist, hängt von seiner Beschaffenheit ab.
Wird der Batterie hingegen Energie zugeführt, regeneriert sich die Anode durch den Ladevorgang und Sauerstoff wird durch die Membran ausgeatmet. “Die Batterie ist wie eine Lunge, die ein- und ausatmet und Eisen in Rost verwandelt und umgekehrt”, erzählt Dr. Aytac Yilmaz, Mitbegründer von Ore Energy.
Eisen-Luft-Batterien sind keine neue Erfindung. Das Konzept wurde bereits in den 1960er Jahren entwickelt. Die Umsetzung stieß jedoch bisher auf Schwierigkeiten, da Eisen zwar leicht rostet, der Prozess aber nur schwer rückgängig gemacht werden kann.
Eisen-Luft-Batterien sind keine neue Erfindung. Das Konzept wurde bereits in den 1960er Jahren entwickelt. Die Umsetzung stieß jedoch bisher auf Schwierigkeiten, da Eisen zwar leicht rostet, der Prozess aber nur schwer rückgängig gemacht werden kann.
VÖLLIG ANDERS ALS ALLES, WAS BISHER VERWENDET WURDE
Wie also schafft es Ore Energy, reversiblen Rost zu erzeugen? “Unser Anodenmaterial basiert zwar auf Eisen, ist aber völlig anders als alles, was bisher verwendet wurde”, gibt Yilmaz stolz zu. Welche Materialien sich sonst noch in der Anode verbergen, bleibt allerdings Betriebsgeheimnis.
Etwas mehr lässt sich über die Kathode erzählen: Die Kathode ist im Wesentlichen eine Membran, die den Sauerstoff ein- und ausströmen lässt. "Das geschieht durch eine spezielle Struktur", sagt der 35-Jährige und fährt fort: "Auf der Membran befindet sich eine Region, die wir Dreiphasengrenze nennen. Dort treffen die Feststoffe der Membran mit den Elektrolyten, also auf der einen Seite Wasser und auf der anderen Seite Luft, zusammen.” Und genau dort findet auch die Reaktion statt, die die Batterie “atmen” lässt: Beim Entladen wird Sauerstoff zu Hydroxyl-Ionen reduziert, beim Laden werden die Hydroxyl-Ionen wieder zu Sauerstoff.
Wie also schafft es Ore Energy, reversiblen Rost zu erzeugen? “Unser Anodenmaterial basiert zwar auf Eisen, ist aber völlig anders als alles, was bisher verwendet wurde”, gibt Yilmaz stolz zu. Welche Materialien sich sonst noch in der Anode verbergen, bleibt allerdings Betriebsgeheimnis.
Etwas mehr lässt sich über die Kathode erzählen: Die Kathode ist im Wesentlichen eine Membran, die den Sauerstoff ein- und ausströmen lässt. "Das geschieht durch eine spezielle Struktur", sagt der 35-Jährige und fährt fort: "Auf der Membran befindet sich eine Region, die wir Dreiphasengrenze nennen. Dort treffen die Feststoffe der Membran mit den Elektrolyten, also auf der einen Seite Wasser und auf der anderen Seite Luft, zusammen.” Und genau dort findet auch die Reaktion statt, die die Batterie “atmen” lässt: Beim Entladen wird Sauerstoff zu Hydroxyl-Ionen reduziert, beim Laden werden die Hydroxyl-Ionen wieder zu Sauerstoff.
Hinter der Batterie, die in einem großen Container untergebracht ist, steht ein stetig wachsendes Team von derzeit 30 Mitarbeitern aus 14 Nationen. Yilmaz selbst wurde in der Türkei geboren, studierte in den USA und promovierte in Materialwissenschaft in den Niederlanden. Dort begann er mit der Erforschung der neuen Eisen-Luft-Batterie.
GÜNSTIGE UND RECYCLEBARE MATERIALIEN
"Eisen ist billig und deshalb werden wir eine sehr kostengünstige Batterie anbieten können, was ein entscheidender Vorteil gegenüber anderen Batterien ist", sagt Yilmaz und präzisiert: "Die Kosten liegen bei nur 16 Euro pro Kilowattstunde.” Zum Vergleich: 2023 war der Preis für Lithium-Ionen-Akkus etwa zehnmal so hoch.
Ein weiterer Vorteil ist die Sicherheit der Batterie. Sie ist weder giftig noch brennbar. Die Kapazität soll mehrere Megawattstunden betragen, der Wirkungsgrad im Bereich von Durchflussbatterien liegen. Die Lebensdauer schätzt Yilmaz auf 20 Jahre - danach kann das enthaltene Eisen recycelt werden. Die Batterie ist modular erweiterbar und soll vor allem Energieversorger ansprechen, die eine netzgebundene Anwendung suchen.
"Eisen ist billig und deshalb werden wir eine sehr kostengünstige Batterie anbieten können, was ein entscheidender Vorteil gegenüber anderen Batterien ist", sagt Yilmaz und präzisiert: "Die Kosten liegen bei nur 16 Euro pro Kilowattstunde.” Zum Vergleich: 2023 war der Preis für Lithium-Ionen-Akkus etwa zehnmal so hoch.
Ein weiterer Vorteil ist die Sicherheit der Batterie. Sie ist weder giftig noch brennbar. Die Kapazität soll mehrere Megawattstunden betragen, der Wirkungsgrad im Bereich von Durchflussbatterien liegen. Die Lebensdauer schätzt Yilmaz auf 20 Jahre - danach kann das enthaltene Eisen recycelt werden. Die Batterie ist modular erweiterbar und soll vor allem Energieversorger ansprechen, die eine netzgebundene Anwendung suchen.
Für Yilmaz war schnell klar, dass aus den wissenschaftlichen Erkenntnissen eine effektive Technologie werden kann, die in die Gesellschaft getragen werden muss. Doch der Schritt aus der Universität heraus war eine Herausforderung: “Die europäische Forschung kann sich durchaus sehen lassen. Betrachtet man die Zahl der Publikationen mit hohem Impact im Vergleich zu den USA oder anderen Teilen der Welt, so zeigt sich, dass Europa gut abschneidet. Allerdings ist die Zahl der Unternehmen, die aus der Universität heraus gründen und erfolgreich sind, im Vergleich zu den USA verschwindend gering. Das ist bedauerlich”, fasst Yilmaz die Problematik zusammen.
ENTSCHEIDENDER SCHUB DURCH DIE SPRIND
Für Ore Energy kam die SPRIND Challenge Long-Duration Energy Storage daher genau zum richtigen Zeitpunkt. “Wir standen noch ganz am Anfang und die Unterstützung von SPRIND hat uns den entscheidenden Schub gegeben. So konnten wir viel schneller wachsen und unsere Technologie weiterentwickeln”, erinnert sich Yilmaz, der CEO von Ore Energy.
Im nächsten Jahr will Ore Energy die Batterie im Pilotmaßstab herstellen. Die nächste große Herausforderung ist die Skalierung. Dabei kann es Yilmaz nicht schnell genug gehen, denn die Zeit drängt: “Der Klimawandel ist das größte Problem der Menschheit. Wenn wir die Energiewende schaffen wollen, müssen wir gestern damit anfangen.”
Für Ore Energy kam die SPRIND Challenge Long-Duration Energy Storage daher genau zum richtigen Zeitpunkt. “Wir standen noch ganz am Anfang und die Unterstützung von SPRIND hat uns den entscheidenden Schub gegeben. So konnten wir viel schneller wachsen und unsere Technologie weiterentwickeln”, erinnert sich Yilmaz, der CEO von Ore Energy.
Im nächsten Jahr will Ore Energy die Batterie im Pilotmaßstab herstellen. Die nächste große Herausforderung ist die Skalierung. Dabei kann es Yilmaz nicht schnell genug gehen, denn die Zeit drängt: “Der Klimawandel ist das größte Problem der Menschheit. Wenn wir die Energiewende schaffen wollen, müssen wir gestern damit anfangen.”
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