Überall auf der Welt wird viel über grüne Energie gesprochen. Das Pariser Abkommen schafft Anreize für den Umstieg auf erneuerbare Energiequellen, und in der Tat scheint grüne Energie sehr attraktiv zu sein, da sie keine Umweltverschmutzung und keine Notwendigkeit zur Förderung fossiler Brennstoffe verspricht. Die Sonne und der Wind sind da, und wir müssen sie nur nutzen, um Strom zu erzeugen. Auf den ersten Blick sollten diese Faktoren auch die Produktion von grüner Energie billiger machen.
Was also steht der Umstellung unserer Energieproduktion auf diese nachhaltigen Quellen im Wege? Und warum ist die Welt noch nicht auf erneuerbare Energien umgestiegen?
Eine der Herausforderungen bei der Umstellung der Energieerzeugung auf Sonne und Wind ist deren Unregelmäßigkeit: Der Wind nimmt zu oder lässt nach. Die Sonne geht auf und unter, oder sie wird von Wolken verdeckt. Zu manchen Zeiten ist die Energieerzeugung mit diesen Quellen effektiv, zu anderen Zeiten sinkt die Produktion, der Verbrauch aber nicht. Ein Kraftwerk, das nur tagsüber Strom liefert, kann beispielsweise nicht den Bedarf einer Bevölkerung decken.
Daraus folgt, dass Energie dann produziert werden muss, wenn es möglich ist, und dass sie gespeichert werden muss, um dann freigesetzt zu werden, wenn sie benötigt wird. Im Grunde genommen müsste ein Solarkraftwerk tagsüber große Batterien aufladen, um sie nachts zu nutzen. Batterien dieser Größenordnung sind jedoch sehr teuer, sowohl bei den Anschaffungskosten als auch bei der Wartung.
Um zu verstehen, warum Batterien so teuer sind, ist ein genauerer Blick auf ihre Funktionsweise erforderlich. Für den kommerziellen Einsatz werden Durchflussbatterien verwendet. Sie unterscheiden sich von Trockenbatterien (häufig in Heimgeräten verwendet) und Zitronenbatterien (bekannt aus Schulversuchen) dadurch, dass die beiden Elektrolyte (Flüssigkeiten mit gelösten positiv und negativ geladenen Teilchen) nicht statisch sind, sondern durch das System gepumpt werden. Eine selektive Membran, die die beiden Flüssigkeiten trennt, verhindert die Selbstentladung. Die wechselwirkenden Chemikalien an zwei Gegenelektroden erzeugen den elektrischen Strom.
Die Membran ist leider das teuerste Element des Batteriestapels. Ihr Preis macht bis zu 40 % der Anschaffungskosten des Batteriestapels aus. Zudem ist die Membran wartungsintensiv und muss aufgrund von Verschleiß ständig ausgetauscht werden. Die Elektrolyte hingegen können 20 Jahre und länger halten. Eine Senkung des Preises der Membran oder ein Weg, sie zu eliminieren, würde die Wirtschaftlichkeit von nachhaltiger Energie deutlich erhöhen.
Genau das wollte die Technion M.Sc. Studentin Lihi Amit erreichen, unter der Aufsicht von Technion Faculty of Mechanical Engineering Professor Matthew Suss vom The Nancy and Stephen Grand Technion Energy Program, und in Zusammenarbeit mit Danny Naar, Dr. Robert Gloukhovski, in Zusammenarbeit mit Dr. Gerardo Jose la O’ von Primus Power Inc. Ihr aktueller Artikel in ChemSusChem wurde auf dem Titelblatt der Zeitschrift vorgestellt.
Der Ansatz der Forscher war es, die Membran komplett zu eliminieren. Wenn die beiden Elektrolyte zusammenfließen könnten, ohne sich zu vermischen, ähnlich wie Öl und Wasser sich einen Behälter teilen können, ohne sich zu vermischen, und nur auf kontrollierte Weise miteinander interagieren, um einen elektrischen Strom zu erzeugen, würde die Notwendigkeit für die Membran entfallen.
Das Team konstruierte eine Durchflussbatterie unter Verwendung von Brom und Zink – billige und leicht verfügbare Materialien – und verwendete einen nicht-eigenen Komplexbildner. Der Komplexbildner schloss das Brom in blasenartigen Tröpfchen ein, wodurch ein Öl-und-Wasser-Effekt entstand und nur so viel Brom freigesetzt wurde, wie zu einem bestimmten Zeitpunkt für die Aufrechterhaltung des elektrischen Stroms erforderlich war. Im Endeffekt wurde die teure Membran der Batterie durch die billige und flüssige Membran jedes einzelnen Tröpfchens ersetzt.
Die Studie bewies die Machbarkeit dieses neuartigen Ansatzes für Durchflussbatterien und charakterisierte seine Leistung – ein notwendiger Schritt auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung. Es bleibt zu hoffen, dass in Zukunft billige membranlose Flow-Batterien den weit verbreiteten Einsatz von nachhaltigen, aber unbeständigen Energiequellen ermöglichen.
English Version
There is much talk about green energy throughout the world. The Paris Agreement incentivizes switching to renewable energy sources, and indeed, green energy appears very attractive, with its promises of no pollution and no need to extract fossil fuels. The sun and the wind are there, and all we need to do is harness them to produce electricity. On the face of it, those same factors should also make green energy cheaper to produce.
What then stands in the way of shifting our energy production to these sustainable sources? And why hasn’t the world already shifted to renewable energy?
One of the challenges of switching energy production to sun and wind is their irregularity: wind rises or dies down. The sun rises and sets, or it is obscured by clouds. At times, energy production using these sources is effective, but at other times, production falls while consumption does not. A power plant that only provides electricity during the daylight hours, for example, cannot answer a population’s needs. It follows that energy must be produced when it can be, and stored, to be released when it is needed. In essence, a solar power plant would need to charge big batteries during the day, to be used during the night. Batteries of such scale, however, are very expensive, both in initial costs and in maintenance.
Understanding why batteries are so expensive requires a closer look at how they function. For commercial use, flow batteries are used. They differ from dry batteries (commonly used in home devices) and lemon batteries (familiar from school experiments) in that the two electrolytes (liquids with dissolved positively and negatively charged particles) are not static, but pumped through the system. A selective membrane separating the two liquids prevents self-discharging. The interacting chemicals on two counter electrodes produce the electric current.
The membrane, unfortunately, is the most expensive element of the battery stack. Its price accounts for up to 40% of the initial costs of the battery stack. Furthermore, the membrane requires maintenance and must be replaced continually due to wear. The electrolytes, in contrast, can last 20 years or more. Reducing the price of the membrane, or else finding a way to eliminate it, would provide a significant boost to the cost-effectivity of sustainable energy.
This is exactly what Technion M.Sc. student Lihi Amit set out to achieve, under the supervision of Technion Faculty of Mechanical Engineering Professor Matthew Suss from The Nancy and Stephen Grand Technion Energy Program, and working together with Danny Naar, Dr. Robert Gloukhovski, in collaboration with Dr. Gerardo Jose la O’ from Primus Power Inc. Their recent article in ChemSusChem was featured on the journal’s cover.
The researchers’ approach was to entirely eliminate the membrane. If the two electrolytes could flow together without intermixing, in a similar way to how oil and water can share a container without mixing, and only interact with each other in a controlled manner to produce an electric current, the need for the membrane would be eliminated. The team constructed a flow battery using bromine and zinc – cheap and readily available materials — and used a non-propriety complexing agent. The complexing agent trapped the bromine in bubble-like droplets, producing an oil-and-water effect, and releasing only as much bromine as was necessary at any given moment for maintaining the electric current. In effect, the expensive membrane of the battery was replaced with the cheap and fluid membrane of each individual droplet.
The study proved the feasibility of this novel approach to flow batteries and characterized its performance – a necessary step on the way to commercial use. One can hope that in the future cheap membrane-less flow batteries will permit the widespread use of sustainable but inconstant energy sources.
Pressrelease by Technion (übersetzt und ausgewählt in das Deutsche von Glocalist)