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Aufladen in Sekunden – Neue Batterie mit Glas ist dreimal besser als Lithium-Ionen-Akkus

Sollte es wirklich so einfach sein, richtig leistungsfähige Akkus zu bauen? Der 94-jährige John Goodenough, einer der Miterfinder des Lithium-Ionen-Akkus, hat einen neuen Akku-Typen entwickelt, der dreimal so leistungsfähig sein soll. Die Hauptrolle dabei spielt Glas.

John Goodenough

John Goodenough, einer der Miterfinder des Lithium-Ionen-Akkus, hat jetzt eine neue Batterietechnik vorgestellt, die mit Glaselektrolyt arbeitet. Sie soll dreimal so leistungsstark sein wie ein herkömmlicher Lithium-Ionen-Akku.

Foto: Universität Texas

 Wenn die Daten stimmen, wäre das einer der vielen Durchbrüche in der Akkutechnik. Viele haben nach einem Schlagzeilengewitter aber nicht den Weg in die Serie gefunden. Wird das diesmal anders?

Schneller und häufiger laden ohne Leistungseinbußen

Goodenough und die portugiesische Forscherin Maria Helena Braga haben an der Universität Texas in Austin einen Akku entwickelt, der in nur einer Minute aufgeladen sein soll. Und trotz dieser enorm kurzen Ladezeit soll es sich nicht um einen Super- oder gar Ultracap handeln, sondern um einen Akku. Die neuen Solid-State-Akkus haben angeblich eine mehr als dreimal so hohe Energiedichte wie aktuelle Lithium-Ionen-Akkus.

John Goodenough wurde in Deutschland geboren und forscht immer noch, auch im hohen Alter von 94 Jahren, an neuen Akkutechniken.

Foto: Universität Texas

Außerdem sollen sie häufiger geladen werden können, ohne an Leistung einzubüßen. Bislang haben die Forscher im Labor 1.200 Ladezyklen durchgeführt, ohne wesentliche Leistungseinbußen feststellen zu können.

Fester Elektrolyt aus Glas

Der Schlüssel für die neuartige Batterie besteht aus Glas. Goodenough hat mit seinem Team statt flüssiger Elektrolyte Glas als festen Elektrolyt eingesetzt, der Anode und Kathode verbindet. Das Glas führt dazu, dass die Gefahr von Kurzschlüssen oder gar Bränden sinkt, unter denen Lithium-Ionen-Akkus mitunter leiden. Wegen Brandgefahr mussten schon Boeings am Boden bleiben.

Samsung zog wegen Brandgefahr des Akkus sein Galaxy Note 7 zurück. Auch Tesla hatte kurzzeitig mit den Lithium-Ionen-Akkus Probleme. Die New Yorker Polizei hat schon davor gewarnt, Smartphones im Bett zu laden, weil der Hitzestau die Akkus in Brand setzen kann.

Warnung der New Yorker Polizei auf Twitter vor dem Laden von Smartphones unter der Bettdecke.

Foto: NYPD/Twitter

Diese Gefahr soll es dank Glas nicht mehr geben. Zudem erlaubt Glas leistungsfähigere Kathoden und Anoden aus Alkalimetallen. Das reduziert den Aufwand für die Herstellung der Zellen und erhöht deren Energiedichte und die Lebensdauer des Akkus. Außerdem können die Kosten erheblich sinken. „Die Glaselektrolyte erlauben die Substitution von Lithium durch kostengünstiges Natrium“, erklärt Braga. Natrium steht auf der Erde praktisch unbegrenzt zur Verfügung.

Auch bei Temperaturen unter Null noch leistungsfählig

Und da Glas auch bei tiefen Temperaturen leitfähig bleibt, sind die Akkus auch bei Temperaturen um – 20° C noch voll leistungsfähig und arbeiten sogar noch bis – 60° C, so die Uni Texas. Bislang leiden zum Beispiels Elektroautos im Winter unter drastisch reduzierten Reichweiten, weil die kühlen Temperaturen die Leistungsfähigkeit der Akkus einschränken.

2011 erhielt Ingenieur John Goodenough aus der Hand von US-Präsident Barack Obama die National Medal of Science.

Foto: Ryan K. Morris/ National Science & Technology Medals

„Wir glauben, dass unsere Entdeckungen viele Probleme heutiger Akkus lösen“, meint Goodenough. Jetzt wollen die Forscher eng mit Batterieherstellern zusammen arbeiten, um ihre Laborbatterie für die Serienfertigung weiter zu entwickeln.

Eine spannende Entwicklung sind auch Superkondensatoren aus Florida, die binnen Sekunden voll aufgeladen sind und Smartphones mit Energie versorgen sollen. Auch koreanische Forscher arbeiten an Superkondensatoren. Das Verrückte: Sie nutzen Zigarettenkippen als Rohstofflieferant. Wie das geht, lesen Sie hier.

Von Axel Mörer-Funk
Quelle: http://www.ingenieur.de/Themen/Energiespeicher/Neue-Batterie-Glas-dreimal-besser-Lithium-Ionen-Akkus vom 07.03.2017

Neuer wirtschaftlicher Energiespeicher – altes Funktionsprinzip neu entdeckt und weiterentwickelt

Wie Natronlauge Sommerwärme für den Winter speichert

Dampflokomotiven, die keinen Rauch ausstoßen: Diese spektakuläre Erfindung, die der Aachener Ingenieur Moritz Honigmann 1883 zum Patent anmeldete, könnte heute als Energiespeicher für Furore sorgen. Schweizer Ingenieure haben einen Speicher gebaut, der die Wärme des Sommers bis zum Winter speichern kann. Er funktioniert mit Natronlauge.

Feuerlose Dampflokomotive des Ingenieurs Moritz Honigmann in Aachen

In Aachen wurde die feuerlose Dampflokomotive des Ingenieurs Moritz Honigmann ein Jahr lang eingesetzt. Ihre Energie bezog die Lok aus konzentrierter Natronlauge. Der Kessel mit der Lauge ist deutlich hinter dem Lokführer zu erkennen. Jetzt wird die Technik genutzt, um einen neuen Energiespeicher für Wärme zu entwickeln.

Foto: Aachener Verkehrsbetriebe Aseag/Wikipedia gemeinfrei

Sie fuhren in den 1880-er Jahren in Aachen und in Leipzig, eine weitere feuerlose Dampflok war in Berlin-Charlottenburg unterwegs. Doch durchsetzen konnte sich die neuartige Bahn des Ingenieurs Moritz Honigmann nicht. Aber die Technik, die Honigmann nutzte, um die Fahrenergie in einem Kessel voller Natronlauge zu speichern und bei Wikipedia gut beschrieben wird, die haben nun Schweizer Ingenieure des Forschungsinstituts Empa in Zürich weiter entwickelt, um einen Wärmespeicher zu bauen.

Vier Jahre lang haben die Schweizer im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes Comtes geforscht und nun einen Speicher im Labor gebaut, der seit einigen Monaten zuverlässig arbeitet. Und wie funktioniert die Technik?

Den Schweizern geht es nicht darum, Strom zu speichern, sondern um Wärme. Sie wollen die Wärme, die im Sommer zu Genüge anfällt, so aufsparen, dass diese im Winter zum Heizen oder für die Erzeugung von Warmwasser zur Verfügung steht.

Technik von Honigmann weiter entwickelt

Ähnlich wie Honigmann vor 130 Jahren nutzen die Schweizer Ingenieure eine chemische Reaktion. Die Idee: Gießt man in ein Becherglas mit festem Natriumhydroxid (NaOH) Wasser, dann wird die Mischung heiß. Die Verdünnungsreaktion ist also exotherm: Chemische Energie wird in Form von Wärme frei.

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1883 meldete der Ingenieur Moritz Honigmann seine feuerlose Dampflok zum Patent an. Durch das Einleiten von Wasserdampf in konzentrierte Natronlauge wurde starke Wärme frei, die Honigmann nutzte um heißen Dampf für den Antrieb zu erzeugen.

Foto: Mähr, Vergessene Erfindungen/TU Berlin

Zugleich ist Natronlauge stark hygroskopisch und kann Wasserdampf aufnehmen. Die so gewonnene Kondensationsenergie heizt die Natronlauge weiter auf. Diese Wärme lässt sich also nutzen. Es ist die gleiche Wärme, mit der Honigmann seine feuerloses Dampfloks betrieben hat.

Sommerwärme im Speichertank

Auch der umgekehrte Weg ist möglich. Führt man verdünnter Natronlauge Energie in Form von Wärme zu, verdampft das Wasser, die Natronlauge wird konzentriert und speichert auf diese Weise die ihr zugeführte Energie. Diese konzentrierte Natronlauge lässt sich über Monate und sogar Jahre aufbewahren. Die Energie geht nicht verloren. Wird der Natronlauge später wieder Wasser zugeführt, wird wieder Wärme frei.

Besonders interessant ist, dass sich die Natronlauge in Tanks transportieren lässt. Genau dies hatte ja Honigmann in seinen Lokomotiven genutzt: Diese mussten keine Kohle hinter sich herziehen, sondern die Lokomotive ließ sich einfach mit konzentrierter Lauge wieder aufladen.

Die Empa-Forscher Robert Weber und Benjamin Fumey hatten sich nun das Ziel gesetzt eine Anlage zu entwickeln, mit der sich ein Einfamilienhaus mit Wärme versorgen lässt. Der erste Prototyp funktionierte zunächst nicht richtig. Die Wissenschaftler hatten auf einen so genannten Fallfilmverdampfer gesetzt. Diese werden in der Lebensmittelindustrie verwendet, um Orangensaft zu Konzentrat einzudicken. Doch die zähflüssige Natronlauge umfloss den Wärmetauscher nicht richtig, sondern bildete dicke Tropfen. Die Natronlauge nahm zu wenig Wasserdampf auf, die übertragene Wärmemenge blieb zu gering.

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Ingenieur Benjamin Fumey an seiner Versuchsanlage im Empa-Labor in der Schweiz: Seit Herbst 2016 funktioniert der Wärmezyklus im Energiespeicher aus Natronlauge zuverlässig. Er kann Wärme über Monate und Jahre speichern. So lässt sich beispielsweise die Sommerwärme nutzen, um im Winter eine Fußbodenheizung zu betreiben.

Foto: Empa

Fumey hatte dann die rettende Idee: Das zähflüssige Speichermedium Natronlauge müsste langsam und spiralförmig entlang eines Rohrs hinabfließen, auf dem Weg Wasserdampf aufnehmen und die entstehende Hitze an das Rohr abgeben. Der umgekehrte Weg – das Aufladen des Mediums – sollte mit der gleichen Technik funktionieren, nur andersherum. Diese Idee funktionierte. Das Beste: Die Ingenieure konnten spiralförmige Wärmetauscher aus handelsüblichen Durchlauferhitzern nutzen.

Ideal für eine Fußbodenheizung

Allerdings mussten die Ingenieure erst einmal herausfinden, wie Lauge und Wasserdampf optimal arbeiten. Welche Konzentrationsschwankungen sind für den Wirkungsgrad optimal? Welche Temperaturen soll das zu- und das ablaufende Wasser haben? Für das Entladen des Speichers ist Wasserdampf mit einer Temperatur von 5 bis 10 °C optimal. Diese Temperatur erreichen die Schweizer mit Wärme aus einer Erdsonde.

Dabei läuft 50-prozentige Natronlauge außen über das Spiralrohr des Wärmetauschers nach unten und wird in der Wasserdampfatmosphäre auf 30 % verdünnt. Dabei erhitzt sich das Heizungswasser im Inneren des Rohrs auf rund 50 °C. Das wäre zum Beispiel ideal für eine Fußbodenheizung.

Wärmeenergie lässt sich über lange Zeit speichern

Beim Wiederaufladen des Speichers sickert die 30-prozentige, „entladene“ Natronlauge um das Spiralrohr herum nach unten. Im Inneren des Rohrs strömt 60 °C heißes Wasser, das  zum Beispiel aus einem Solarkollektor stammen kann. Das Wasser aus der Natronlauge verdunstet. Der Wasserdampf wird abgezogen und kondensiert. Die Natronlauge, die den Wärmetauscher nach dem Aufladen verlässt, ist wieder auf 50 % aufkonzentriert, also mit Wärmeenergie „geladen“.

Wärmetauscher aus Durchlauferhitzern brachten die Lösung: Die Natronlauge läuft spiralförmig am Rohr entlang, nimmt Wasserdampf auf und gibt Wärme ab.

Foto: Empa

„Auf diese Weise lässt sich Solarenergie in Form chemischer Energie vom Sommer bis in den Winter speichern“, sagt Empa-Forscher Fumey. Jetzt suchen die Schweizer Forscher nach Industriepartnern, die aus dem Labormodell eine kompakte Hausanlage bauen.

Eine ebenfalls ungewöhnliche Idee für einen Energiespeicher hatten Ingenieure der Universitäten in Frankfurt und Saarbrücken. Sie wollen Betonkugeln im Meer versenken, um den hohen Druck für die Speicherung von Offshore-Strom zu nutzen. Die ersten Kugeln werden derzeit auf dem Grund des Bodensees getestet.

Von Axel Mörer-Funk
Quelle: http://www.ingenieur.de/Themen/Energiespeicher/Wie-Natronlauge-Sommerwaerme-fuer-Winter-speichert
vom 20.01.2017

Puffer für Windstrom | Energiespeichertechnik

Ein Steinhaufen wird zur Batterie

In Hamburg werden Stromanbietern demnächst extra Steine in den Weg gelegt. Was das soll? Die Steine sollen überschüssigen Strom speichern, nachdem er in hochwertige Wärme umgewandelt wurde. Bei Bedarf wird die heiße Energie in Strom zurückverwandelt.

Siemens baut gemeinsam mit Forschern der Technischen Universität Hamburg-Harburg einen Speicher für überschüssigen Wind- und Solarstrom. Er besteht aus Natursteinen, die wärmeisoliert werden.

Siemens baut gemeinsam mit Forschern der Technischen Universität Hamburg-Harburg einen Speicher für überschüssigen Wind- und Solarstrom, der konkurrenzlos günstig ist. Die elektrische Energie wird in heiße Luft umgewandelt, die einen schlichten Haufen Natursteine auf eine Temperatur von mehr als 600 °C erhitzt. Damit die Wärme nicht verlorengeht ist der Speicher optimal wärmeisoliert.

Um die gespeicherte Energie bei Strommangel zu nutzen, wird Luft durch die Schüttung gepresst. Sie erhitzt sich und gibt ihre Energie in einem Wärmetauscher an einen Wasser-Dampf-Kreislauf ab. „Weil wir hier mit erprobten thermischen Komponenten und einer seriengefertigten Dampfturbine arbeiten, können wir innerhalb weniger Jahre eine praxistaugliche Lösung anbieten“, sagt Siemens Projektleiter Till Barmeier. Denn der erzeugte Dampf hat die gleichen Eigenschaften wie der in einem Kohlekraftwerk.

Besser als Wasser und Flüssigsalz

Wasser und flüssiges Salz speichern pro Volumeneinheit zwar mehr Energie. Doch Steine haben entscheidende Vorteile: Sie lassen sich im Gegensatz zu Wasser drucklos auf die gewünschte Temperatur bringen. Mit Salz wiederum lassen sich nur relativ niedrige Temperaturen erreichen, die ausschliesslich in teuren Spezial-Turbogeneratoren genutzt werden können.

Speicher für 36 Megawattstunden

Bereits experimentiert haben die Entwickler an einem wärmeisolierten Steinhaufen in Hamburg-Bergedorf. Sie wollten herausfinden, wie er sich erhitzen lässt und wie die gespeicherte Wärme wieder ausgekoppelt werden kann. Die gespeicherte Wärmeenergie wird dort noch nicht zu Stromerzeugung genutzt.

Der in Hamburg entwickelte thermische Speicher für Windenergie ist ein Gemeinschaftsprojekt von Siemens, Hamburg Energie und der TUHH. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert die Forschung.

Foto: Siemens

Nachdem diese Tests erfolgreich abgeschlossen werden konnten, steht jetzt der Bau eines kompletten Speichers auf dem Gelände der Aluminiumhütte Trimet in Hamburg-Altenwerder auf dem Programm. Im Herbst nächsten Jahres soll die Anlage in Betrieb gehen. Geplant ist ein Behälter mit einem Volumen von 2000 Kubikmetern. Darin lassen sich 36 MWh speichern. Das ist zwar nur der durchschnittliche Jahresstromverbrauch von zehn Haushalten. Doch der Speicher kann Dutzende oder gar mehr als 100 Mal pro Jahr aufgeladen und in Schwachstromzeiten wieder genutzt werden.

Batterien sind viel teurer

Die derzeit größten Puffer für überschüssigen Strom sind Pumpspeicherkraftwerke. Wasser wird in ein hoch gelegenes Becken gepumpt, wenn es an Verbrauchern fehlt. In Schwachstromzeiten stürzt es wieder zu Tal und treibt dabei Turbogeneratoren an. Eine weitere Möglichkeit ist die Zwischenspeicherung in Batterien, die allerdings sehr teuer sind. Trotzdem rentieren sie sich, denn die Netzbetreiber zahlen in Schwachstromzeiten schon mal mehr als einen Euro pro kWh. An der Börse kostet Strom dagegen meist weniger als vier Cent pro kWh.

Von Wolfgang Kempkens
Quelle: http://www.ingenieur.de/Themen/Energiespeicher/Ein-Steinhaufen-Batterie vom 19.10.2016