Speicherung von erneuerbaren Energien mit Meerwasserbatterien

Wissenschaftler des deutschen Leibniz-Instituts für Neue Materialien (INM) haben das Potenzial von Meerwasserbatterien für die Speicherung von Photovoltaik, Windkraft und anderen erneuerbaren Energien untersucht. Sie haben auch einen Überblick über mögliche Anwendungen in Entsalzungsprojekten gegeben.

Die Wissenschaftler legten Kriterien für die Bewertung der Leistung von Meerwasserbatterien fest. Zu diesen Kriterien gehören Kapazität, Effizienz, Stabilität, Langlebigkeit, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit. Die Forscher beschreiben Meerwasserspeichersysteme als eine Ableitung von wiederaufladbaren Natrium-Ionen-Batterien (NIB), die eine Reihe von Vorteilen in Bezug auf Rohstoffkosten und Sicherheit bieten. Allerdings sind sie nur begrenzt in der Lage, eine Ladung nach wiederholten Lade- und Entladezyklen zu halten.

„Eine typische wiederaufladbare Meerwasserbatterie besteht aus einer organischen und einer wässrigen Elektrolytseite, die durch eine feste Natriumdiffusionsmembran getrennt sind“, erklärten die Wissenschaftler. „Der organische Teil ähnelt dem typischen Natrium-Ionen-Batterien mit elementarem Natrium als Anode. Wenn die Meerwasserbatterie mit Meerwasser in Berührung kommt, können die freien und reichlich vorhandenen Natrium-Ionen des Katholyten während des Ladevorgangs in den Anodenraum wandern.“

Die Forscher des Leibniz-Instituts untersuchten alle Komponenten und Eigenschaften von wiederaufladbaren Meerwasserbatterien und verschafften sich gleichzeitig einen Überblick über alle möglichen Herausforderungen und Chancen für diese Batterien. Sie untersuchten die Materialien, das Design und die Anpassung der Zellstruktur. „Herkömmliche Seewasserbatterien ermöglichen die Speicherung elektrochemischer Energie durch die Kombination einer Sodations-/Desodationsanode und einer Elektrolysekathode“, so die Forscher. „Auf der Grundlage der Bewertung und kontinuierlichen Verbesserung der Zellteile wird die elektrochemische Leistung wie Stabilität, Leistung, Spannungseffizienz, Coulombscher Wirkungsgrad und andere Parameter der resultierenden Zelle bewertet und spiegelt den aktuellen Stand der Technik wider.“

Die wichtigsten technologischen Hürden, die es zu überwinden gilt, sind den Wissenschaftlern zufolge eine kurze Lebensdauer, ein sicherer Batteriebetrieb, ein niedriger Coulomb-Wirkungsgrad und eine geringe Stabilität sowie Nebenreaktionen und nicht optimierte Zellkomponenten. Sie beschrieben auch die häufigsten Probleme mit der Anode oder der Stabilität von Membran und Kathode im Salzwasser und stellten alle aktuellen Ansätze zur Verbesserung der heutigen Meerwasserbatterietechnologien vor.

Die Gruppe erklärte, dass die typische Struktur der Batterie geändert werden sollte, um die Speicherung erneuerbarer Energien über Meerwasserbatterien mit der Entsalzung zu verbinden. „Im Gegensatz zu herkömmlichen Seewasserbatterien verwendet das System stilles Wasser als Katholyt und Seewasser als Speisewasser“, so die Forscher weiter. „Während des Ladevorgangs kommt es im Kathodenteil zu Sauerstoffentwicklungsreaktionen, bei denen Protonen entstehen; Natrium-Ionen werden in die Hartkohlenstoffanode eingebracht.

Sie sagten, dass Meerwasserbatterien leicht einige Komponenten der Meerwasserumkehrosmose ersetzen könnten und auch nützlich sein könnten, um Natriumionen aus dem Meerwasser zu gewinnen. „Darüber hinaus würde die Verwendung anderer ionenselektiver Membranen die Gewinnung von Elementen im Zusammenhang mit der Lithiumextraktion ermöglichen“, so die Forscher. „Alternativ würden nicht-selektive Membranen die Leistung im Meerwasser erhöhen, da neben Natrium auch andere Kationen entfernt werden könnten.

Die Wissenschaftler stellten ihre Ergebnisse in „Dual-Use of Seawater Batteries for Energy Storage and Water Desalination“ vor. „Die Vorteile von Meerwasserbatterien bieten eine Perspektive für nachhaltige, umweltfreundliche, leistungsorientierte und kosteneffiziente Anwendungen an der Schnittstelle zwischen Energie und Wasser“, so ihr Fazit.