Forscher entwickeln organische Elektrolyte für Redox-Flow-Batterien

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Die CMBlu Projekt AG will gemeinsam mit Partnern kostengünstige und nachhaltige organische Elektrolyte für Redox-Flow-Batterien aus einem Nebenprodukt der Zellstoffindustrie entwickeln. Wie die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) mitteilte, wird ein Zellstoffwerk zu diesem Zweck Ligninsulfonate bereitstellen, die in der Ablauge des Werks anfallen. Das Vorhaben wird vom Bundesagrarministerium (BMEL) über die FNR als Projektträger gefördert.

Redox-Flow-Batterien zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Speicherkapazität unabhängig von ihrer elektrischen Leistung skaliert werden kann. Denn die beiden Elektrolyte für die negative und positive Elektrodenseite werden in separaten Tanks gelagert. Damit ist die Speicherkapazität im Prinzip nur durch die Größe der Tanks und die Menge der Elektrolyte limitiert. Bisher dienen in der Regel Verbindungen des Metalls Vanadium als Elektrolyte. Vanadiumverbindungen stehen jedoch nicht in den erforderlichen großen Mengen zur Verfügung, sind teuer und chemisch relativ instabil. Eine Alternative könnten Elektrolyte aus organischen Verbindungen sein, die sich aus Lignin gewinnen lassen. Lignin fällt in der Zellstoff- und Papierproduktion weltweit im Millionen-Tonnen-Maßstab an.

Die Forscher wollen zwei geeignete Redox-Paare mit ausreichend verschiedenen elektrochemischen Potenzialen aus Ligninsulfonaten gewinnen. Die geplante Herstellungskette umfasst einen Filtrationsschritt zur Reinigung, eine elektrochemische und chemo-katalytische Lignin-Spaltung zu aromatischen Vorläuferverbindungen, die anschließend zu Chinonen umgesetzt werden. Eventuell ist noch eine chemische Modifikation der erhaltenen Chinone notwendig. Ligninsulfonat ist wasserlöslich, sodass alle Reaktionen in wässriger Lösung ablaufen können. Die Optimierung der Komponenten und der Zellaufbau der Redox-Flow-Batterie gehören ebenfalls zum Arbeitsumfang des Vorhabens.

Projektpartner halten Kosten von acht Cent pro gespeicherter kWh für möglich

Ist das Proof-of-Concept erfolgreich, wollen die Wissenschaftler in einem Folgeprojekt eine Pilotanlage mit einer Produktion von einem Kilogramm Chinonen pro Tag errichten. Bezüglich der Wirtschaftlichkeit ist das Forscher-Team um die CMBlu AG optimistisch: Die International Energy Agency sieht den Durchbruch der Batteriespeicher-Technologie bei Kosten von maximal 0,08 Euro pro gespeicherter kWh – diese Kosten halten die Forscher mit ihrem Ansatz für mittelfristig erreichbar. Der Einsatz von Lignin in Energiespeichersystemen wäre eine bedeutende Aufwertung dieser ohnehin anfallenden Ressource, die bisher hauptsächlich thermisch verwertet wird. Die nicht zum Elektrolyt umgewandelten Bestandteile der Lignin-haltigen Ablauge sollen wieder in den Stoffkreislauf der Zellstofffabrik zurückgeführt werden, um weiterhin für die Energiegewinnung zur Verfügung zu stehen.

Da Lignin ein pflanzlicher Rohstoff ist, verbrennt er weitgehend CO2-neutral. Auch die anorganischen Chemikalien wollen die Forscher zurückgewinnen, so dass die Prozesse der Zellstoffproduktion kaum beeinflusst werden. An dem Projekt sind neben der CMBlu Projekt AG die Technische Hochschule Mittelhessen, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die Justus-Liebig-Universität Gießen, sowie die Mann + Hummel GmbH beteiligt. Weitere Informationen stehen auf www.fnr.de unter den Förderkennzeichen 22401716, 22402816, 22402916, 22403016, 22403116 und 22403216 zur Verfügung.

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