Sonnenwende: Grüne Industrie durch flüssiges Metall

Damit einer Industrienation wie Deutschland der Schritt zur regenerativen Energieversorgung gelingt, sind verlässliche und kostengünstige Speichersysteme für große Energiemengen nötig. Diese bis zur Anwendungsreife zu bringen, hat sich ein internationales Team um Tom Weier und Norbert Weber vom Institut für Fluiddynamik des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) vorgenommen. Im Projekt SOLSTICE – zu Deutsch Sonnenwende – wollen sie ab Januar 2021 Stromspeicher auf der Basis von flüssigem Natrium und flüssigem Zink entwickeln. Die Europäische Union fördert das Projekt über das Programm Horizont 2020 mit acht Millionen Euro.

Flüssige Metalle und geschmolzene Salze, mehrere hundert Grad Celsius heiß und nur getrennt von einer halbdurchlässigen Membran, könnten stromintensive Industrien in das regenerative Zeitalter führen. In großem Maßstab sollen sie die aus Wind und Sonne gewonnene Energie speichern und in der Nacht oder bei ungünstigen Wetterbedingungen wieder zur Verfügung stellen. Wissenschaftler*innen aus neun Forschungsinstituten und drei Unternehmen haben sich jetzt zusammengeschlossen, um die dafür nötige Technologie einsatzreif zu machen.

„Die Entwicklung effizienter Energiespeicher für industrielle Anwendungen brennt aktuell unter den Nägeln“, erzählt Dr. Tom Weier vom HZDR-Fachbereich Magnetohydrodynamik. „Das Ende von Kohleverstromung und Kernenergie macht solche Speichersysteme einfach unumgänglich.“ Denn die Stromerzeugung aus regenerativen Quellen unterliegt nicht nur jahreszeitlichen Schwankungen, sondern auch solchen zwischen Tag und Nacht. Aktuell werden Zeiten geringer Stromproduktion noch durch konventionelle Kraftwerke abgefedert. Gehen diese in den kommenden Jahren vom Netz, müssen andere Lösungen her. Für Zeiträume von mehreren Monaten bieten sich Langzeitspeicher auf der Basis von regenerativ erzeugtem Wasserstoff oder Methan an. Für die Überbrückung der Nacht sind jedoch Kurzzeitspeicher geeigneter, die auf Batterietechnologie basieren.

„Eine wirklich überzeugende Lösung gibt es dafür aber bisher nicht“, erläutert Weier. „Systeme mit Lithium-Ionen-Akkus funktionieren zwar prinzipiell, wären im industriellen Maßstab aber eine Ressourcenverschwendung.“ Denn der Lithiumvorrat ist begrenzt und die Lagerstätten weiträumig verteilt. Außerdem sind die heutigen Lithium-Ionen-Akkus aus vielen kleinen Batteriezellen aufgebaut. „Das Aktivmaterial, das uns zur Energiespeicherung dient, ist dabei in kleinen Portionen verpackt“, erklärt Weier. „Diese müssen dann auch noch miteinander verdrahtet werden. Zusammen verbraucht das eine große Menge Konstruktionsmaterial.“

Natrium statt Lithium

Deshalb gehen er und seine Kollegen einen anderen Weg. „Bei den Aktivmaterialien setzen wir auf Natrium und Zink“, erklärt sein Kollege Dr. Norbert Weber. Das hat ganz praktische Gründe. Natrium ist das sechsthäufigste Element auf der Erde und in großen Mengen verfügbar. Als Bestandteil verschiedener Salze sind zum Beispiel in jedem Liter Meerwasser etwa elf Gramm des Alkalimetalls gelöst. Zink ist zwar seltener, die weltweit verfügbaren Zinkressourcen sind aber dennoch gewaltig. Und während Lithium heute vor allem aus China, Australien oder Chile importiert werden muss, verfügt Europa über eigene aktive Zinkminen. Das, so Weber, würde erheblich dazu beitragen, die Abhängigkeit europäischer Energieprojekte von anderen Ländern zu verringern.

In ihrem Forschungsprojekt haben die Wissenschaftler*innen zwei verschiedene Systeme im Sinn. Eines soll bei 600 Grad Celsius arbeiten, das andere bei 300 Grad Celsius. „Beim ersten System sind sowohl die Elektroden als auch der Elektrolyt flüssig“, beschreibt Weber die Zusammenstellung. „Unsere norwegischen Partner haben bereits mit diesem Aufbau experimentiert und die Funktionstüchtigkeit des Prinzips nachgewiesen. Hier sollen Energien im Megawattstunden-Bereich gespeichert werden, was solche Batterien für Industrieanwendungen prädestiniert.“

Auch beim zweiten System dienen die flüssigen Metalle als Elektroden der Batterie. Der Elektrolyt hingegen ist fest. „Unsere Partner aus der Schweiz haben hier schon funktionsfähige Systeme, die allerdings mit Nickelchlorid arbeiten. Das wollen wir im Projekt durch Zinkchlorid ersetzen“, erklärt der Experte. „Im Kilowattstundenbereich angesiedelt, ist für diese Batterien sogar ein Einsatz als Heimspeicher denkbar.“ Innerhalb der kommenden vier Jahre wollen die Wissenschaftler beide Systeme mindestens so weit entwickeln, dass sie ihre Fähigkeiten in einer realistischen Umgebung unter Beweis stellen können. Das zweite System könnte in dieser Zeit sogar nahe an die Marktreife gebracht werden.

Beitrag zur Energiewende

Das HZDR übernimmt dabei nicht nur die Projektkoordination, sondern auch den Bau der Batteriezellen. „Am Institut für Fluiddynamik haben wir bereits langjährige Erfahrung im Umgang mit großen Mengen flüssigen Natriums“, erzählt Weier und verweist auf das Infrastrukturprojekt DRESDYN, bei dem umfangreiche Experimente mit Flüssigmetallen stattfinden. „Neben der Anwendung spielt beim Projekt SOLSTICE natürlich auch die Forschung eine wichtige Rolle“, ergänzt Weber. „Denn wir wollen verstehen, welche Vorgänge in unseren Speichersystemen genau ablaufen.“

Dass ihr Ansatz einen wichtigen Beitrag für die Energiewende leisten kann, da sind sich die beiden Wissenschaftler sicher. „Unser Vorteil ist die sehr einfache Konstruktion“, schätzt Weier ein. „Dadurch sind diese Batterien gut skalierbar. Zusammen mit den günstigen Aktivmaterialien könnten wir deshalb einen deutlich niedrigeren Systempreis als bei anderen Elektroenergiespeichern erreichen.“

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Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR entwickelt und betreibt große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen.
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