Zn/O-Brennstoffzelle

Zinc-Air Cell plus ZnO-Recycler ("ZAC+")

Einführung

Bei diesem Projekt geht es um die Entwicklung einer möglichst langfristigen Speicherlösung für elektrische Energie. Das Projekt besteht aus zwei Elementen:

1. Zink-Luft Brennstoffzelle: Die Zelle besteht aus einer Kohlenstoff-Kathode, welche den Luftsauerstoff weiterleitet und einer Zink-Anode. Als Elektrolyt wird in Wasser gelöstes Kaliumhydroxid (Kalilauge) verwendet. Das Zink wird hier quasi als Treibstoff kalt "verbrannt", d.h. oxidiert und es entsteht Zinkoxid (ZnO). Das theoretische Maximum der ZAC-Energiedichte liegt bei rund 1,3KWh/Kg.

2. ZnO-Recycler: Um den verbrauchten Treibstoff wieder zu regenerieren bzw. wiederaufzuladen muss das Zinkoxid unter Aufwendung von Energie wieder zu Zink reduziert werden. Dies kann auf verschiedenem Wege geschehen, z.B. bei hohen Temperaturen (>1200°C) unter Kohlenstoffzufuhr, oder einfacher, in einem galvanischen Prozess, was der hier angestrebte Lösungsansatz wäre.

Das ZAC+ bietet insbesondere im Vergleich mit allen anderen Arten von Akku-Systemen (Blei-Säure, Lithium, usw) eine Vielzahl von Vorteilen, u.a. folgende:

• Unbegrenzte Zyklenanzahl
• Unbegrenzte Lagerfähigkeit
• Unempfindlich gegen Tiefentladung und Überladung
• Simple und überall und günstig erhältliche Komponenten
• Komponenten sind absolut unschädlich für die Umwelt
• Mit Abstand die höchste Energiedichte

Einordnung; ähnliche Technologien

ZAC+ stellt als OSEG-Projekt eine interessante Alternative zu dem in der Top50-Liste von OSE-US aufgeführten Nickel-Eisen-Akku ("Edison-Batterie") dar. Im Gegensatz zu diesem ist aber die Technologie klarer und überschaubarer (insbesondere was die Herstellung betrifft) und die Komponenten sind einfacher zu beschaffen und vergleichsweise ungiftig und damit besser handhabbar.

Das Prinzip der Zink-Luft-Batterie ist schon seit Ende WW2 gut bekannt, kommt aber interessanterweise bislang nur als Primärzelle zur kommerziellen Anwendung bei Batterien für Hörgeräte. In neuerer Zeit erfreut es sich aber eines zunehmenden Interesses, wohl besonders aufgrund der extrem hohen Energiedichte und somit im Hinblick auf Elektromobilität. Die mögliche Eignung als stationäre Anwendung zur Langzeitspeicherung alternativ erzeugter Energie ist vielleicht aus marktpolitischen Gründen nicht sonderlich erwünscht ;)

Dennoch gibt es auch in diesem Bereich Forschung, da wäre insbesondere das Großprojekt SFERA zu nennen, bei dem als ein Teilprojekt (Solzinc) und im Rahmen einer Kooperation von Prof. Aldo Steinfeld von der ETH Zürich und dem Weizmann Institut in Israel versucht wird, hohe Temperaturen mittels einer großen Anzahl von Solarspiegeln, welche auf die Spitze eines Turmes fokussiert sind, zu erzeugen und in einer speziellen Brennkammer und unter Kohlenstoffzufuhr das Zinkoxid wieder zu reduzieren.

Es gibt einige Firmen, die versuchen eine Zink-Luft-Batterie als Akku auszulegen und dabei eine möglichst hohe Zyklenanzahl zu erreichen. Zu nennen wären dabei u.a. Leo Motors Inc., Zinc Air Inc., Revolt, Powerzinc und EOS Energy Storage. Insbesondere letztere scheinen dabei recht innovativ zu sein und auch Langzeitspeicherung mit anzupeilen.

Was die Anwendung als Brennstoffzelle angeht, so scheint hier besonders John Cooper vom Lawrence Livermore National Laboratory federführend zu sein, inzwischen ist er wohl dabei, seine Entwicklung zusammen mit ZincAir Inc. zu kommerzialisieren.

Rahmenbedingungen

Wünschenswert wäre eine saisonale Speicherung (einer großen Energiemenge) von Sommer zu Winter. Es wird u.a. Gegenstand des Projektes sein, herauszufinden, ob dies in einem ökonomisch vertretbaren Rahmen möglich ist. Zumindest eine Speicherung von einigen Tagen oder Wochen sollte dagegen relativ problemlos machbar sein.

Desweiteren gilt es festzustellen, welcher Wirkungsgrad erreicht werden kann, , bzw. diesen zu verbessern. Dabei gibt es vierschiedene Ansätze für Optimierungen, sowohl auf Seiten der ZAC, als auch auf Seiten des ZnO-Recyclers. Bei letzterem ist besonders die Frage des angewendeten Verfahrens entscheidend bzw. bietet noch Raum für weitere innovative Ansätze, man muss halt irgendwie den Sauerstoff aus dem ZnO rausbekommen, z.B. mittels eines "Scrubber".

Anwendungen

• stationär, als Langzeitspeicher für vorzugsweise Solar-Strom bzw. sonstige alternative Energien. Solange die Primärenergie kostenlos verfügbar ist, ist die Frage nach dem Wirkungsgrad zweitrangig.

• Elektro-Mobilität. Diese Art der Anwendung könnte ev. noch interessant sein für die Elektro-Variante des OSE-Car Projekts.

Nebenaspekte / Überlegungen / Ausblick

Die Komponenten sind einfach zu beschaffen und die Technologie ist recht gut überschaubbar und handhabbar, auch im Hinblick auf Weiterentwicklungen und auf die Ausgangsmaterialien bzw. Rohstoffe.Man braucht nicht viele High-Tech-Komponenten. Einzige Ausnahme dabei ist die Gasdiffusions-Elektrode aus Kohlenstoff. Hier kann wäre eine eigene Entwicklung deutlich kostensenkend. Oder man entwickelt einfachere Varianten, (z.B. gepresste Aktivkohle) und versucht dazu ein paar Eckwerte zu ermitteln um einzuschätzen, ob sich diese in einem sinnvollen ökonomischen Rahmen anwenden lassen.

Darstellung einer Zink-Luft Batterie

Als erster Milestone soll eine einfache Zink-Luft-Batterie nachgebaut werden, die in etwa einer handelsüblichen Knopfzelle entspricht. Dazu wird zunächst ein einfaches Testsystem entwickelt, welches es ermöglicht, einzelne Komponenten auszutauschen und so die detaillierte Zusammensetzung zu ermitteln. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung der Kathode als Gasdiffusions-Elektrode (GDE bzw. GDL = Gas Difusion Layer). GDLs gibt es auch zu kaufen, da sie bei einigen Brennstoffzellentypen gebräuchlich sind, aber die Preise dafür sind enorm hoch, so das es sich lohnen könnte, hier etwas eigenes zu entwickeln.

• Zink-Luft Batterie
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  Zink-Luft Batterie Testsystem, Entwurf

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  Zink-Luft Batterie Testsystem

Die Gasdiffusions-Elektrode

auch: Gas- oder Luft-Kathode

Die Zink-Anode

Die Zinkanode kann aus Zinkplatten bestehen oder auch aus feinem Zinkpulver, zwecks größerer Oberfläche. beides wird z.B. in Batterien eingesetzt. Bei Brennstoffzellen kommen auch sog. Zink-Pellets von ca. 1mm Körnung zum Einsatz.

Der Kathodentester

Zunächst soll eine einfache Zelle als Testsystem für Gaskathoden entwickelt werden. Diese Zelle verfügt über keinerlei Zuführungen und Ableitungen für Zink, Elektrolyt und Luft sondern wird manuell befüllt.

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  Zink-Luft Batterie Testsystem, Entwurf

Das ZACmeter - Messung der Kapazität und Entlade-Charakteristik

Ergänzend zum Testsystem wird auch ein Mess-System benötigt, mit welchem sich die Kapazität genau bestimmen lässt und z.B. Entladungskurven aufzeichnen lassen.

Der ZAC-Prototyp

Verschiedene Entwürfe und Varianten für einen ersten Prototyp.

Der ZnO-Recycler

Das beim Entladen der Zelle entstandene Zinkoxid (ZnO) muss wieder recycelt werden zu Zink, um den Kreislauf zu schliessen.

Organisatorisches

Entwickler-Team

Oliver Schlüter (Hauptverantwortlicher Ansprechpartner)

Roadmap and Log

• 29.07.2012 Projektstart
• 30.07.2012 Projekt-Seite im Wiki erstellt
• 17.08.2012 Seite für Zink-Luft Batterie erstellt
• 16.11.2012 Literatur- und Link-Sammlung, Referenzen zu externen Projekten erstellt
• 08.01.2013 Seite für Kathodentester und ZAC-Prototyp eingerichtet

Aktueller Entwicklungs-Status

17.08.2012 Das Projekt befindet sich noch in der Planungs- und Evaluierungs-Phase. Als Einstieg wird zunächst eine einfache Zink-Luft Batterie entwickelt, als proof-of-concept.

16.11.2012 Herstellung von Gasdiffusions-Elektrode, verschiedene Versuchsansätze

ToDo next

• Seite f. Gaskathodenherstellung einrichten
• Seite f. ZAC Testsystem einrichten
• Rüttelsieb bauen, für Herstellung von größeren Mengen Carbonpulver zum testen
• GDL-Herstellung: Test mit Hermanns Thermodruckpresse
• Berechnung d. theoretisch maximal möglichen Energie ins Wiki einpflegen.
• Vergleich kommerzieller Gaskathoden, Wertetabelle, Bilder, Herstellerinfos, etc.

Open Tasks

• Herstellung von Gaskathode
• Darstellung der ZAC
  • Einfache Zelle als Testsystem für Gaskathoden entwickeln
• Darstellung des Recyclers
  • Herstellung von ZnO (Zinkoxid) für Recycling-Test
• Wiki-Projektseite:
  • Bildmaterial, Grafiken, Skizzen
  • Ausführliche Beschreibung des Projekes:
    • Details zur Funktion und technischen Prinzipien
    • Details zum Konstruktions- und Herstellungsprozess
  • Problembehandlung: Wo klemmts gerade, was hindert besonders?
  • Entwurf, Planung, Design
  • Entwicklung und Konstruktion
  • Prototyp testen, Meßdaten, Optimierung
  • Bill of Materials
  • Dokumentation
  • Release-Versionen, Erweiterungen
  • Verbreitung, User-Gallerie

Spenden

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Kontakt

• Oliver Schlüter - persönliche Nachricht
• Forum - Diskussion

Literatur und Links

Referenz	Beschreibung
[1]	"A refuelable zinc/air battery for fleet electric vehicle propulsion", F.J.Cooper,D.Fleming,D.Hargrove,R.Koopman,K.Peterman, 1995
[2]	"The Refuelable Zinc-air Battery: Alternative Techniques for Zinc and Electrolyte Regeneration", JF.Cooper, R.Krueger, 2006.
[3]	"Core testing of zinc/air refuelable battery modules", F.J.Cooper,R.Krueger,R.Smith,F.Tokarz, 1998.
323 - Lourens.pdf www.satnac.org.za/proceedings/2006/papers/No 323 - Lourens.pdf	"Development of a zinc-air fuel cell for telecommunication systems" D.Lourens, M.J.Case, H.C.v.Zyl Pienaar, 2006. Enthält u.a. Beschreibung des Aufbaus einer ZAFC einschliesslich Aspekte einer kontinuierlichen Zink-Zuführung. (Achtung: der URL enthält Leerzeichen darum funktiert draufklicken nicht. Stattdessen URL manuell in Adresszeile kopieren!)
[4]	"Zinc-Air Cell with KOH-Treated Agar Layer between Electrode and Electrolyte Containing Hydroponics Gel", R.Othman,A.H.Yahaya,A.K.Arof, 2002. Betrachtung des Einsatzes von Agar als Gel zur Einbettung von Zinkpartikeln.
[5] www.zinc-air.org	Blog mit vielen Literaturhinweisen und Links zum Thema Zink-Luft Zelle.
[6]	"Regeneration of zinc particles for zinc–air fuel cells in a spouted-bed electrode", V.Jiricny, S.Siu,A.Roy,J.W.Evans, 2000. Paper über Recycling von verbrauchten Zinkelektroden.
[7]	Kurzbeschreibung des aktuellen BMBF-Projektes "AKUZIL" der TU Braunschweig
[8]	"ZOXY Zink-Luft-Batteriesystem für ortsfeste Anwendungen". Ein Paper von 1997 des "Institut für Solare Energieversorgungstechnik" (ISET) der Uni Kassel, in welchem die Einsatzmöglichkeit für saisonale Energiespeicherung betrachtet wird.
[9]	Kurzübersicht über ZOXY Technologietransfer beim Paul-Scherrer Institut, ca. von 1999 bis 2003
[10]	IPRO313, Studentenprojekt zum Bau eines ZAFC betriebenen Autos, Diverse Berichte und Präsentationen aus 2012
[11]	IPRO313, Studentenprojekt zum Bau eines ZAFC betriebenen Autos, Diverse Berichte und Präsentationen aus 2011
[12]	J.Romero-Zabaleta, 2011, Master Thesis, u.a. Infos zum Recycling Prozess.
[13]	Thread im OSEG-Forum
[14]	Allgemeine, aber sehr umfassende Infos zu Energiespeicherung, Batterien etc. auf Electropedia
[15]	Buch der Synergie, von A.Khammas
[16]	Bericht/Übersicht über ein vom BMWi und BMBF gefördertes interdisziplinäres Forschungsprojekt namens "ZnPLUS" (von 2012 bis 2015) zur systematischen Evaluation möglicher Konzepte für einen großtechnischen Zink-Luft-Speicher im MWh-Bereich, unter Beteiligung verschiedener Firmen und Hochschulen.

Presse

Referenz	Beschreibung
[17]	Erste öffentliche Vorstellung der ZAC+ auf der Makerfaire 2013 in Hannover