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).

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 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, vielleicht gibt es ja ausser den bereits bekannten Methoden noch weitere Möglichkeiten.

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.

Entwickler-Team

Oliver Schlüter (Hauptverantwortlicher Ansprechpartner)

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Darstellung einer Zink-Luft Batterie

Reaktor-Gefäß

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.

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Roadmap / Log:

• 29.07.2012 Projektstart
• 30.07.2012 Projekt-Seite im Wiki erstellt

Aktueller Entwicklungs-Status: Das Projekt befindet sich noch in der Planungs- und Evaluierungs-Phase

ToDo next:

Wiki-Projektseite:

• Bildmaterial, Grafiken, Skizzen
• Ausführliche Beschreibung des Projekes:
  • Details zur Funktion und technischen Prinzipien
  • Details zum Konstruktions- und Herstellungsprozess
• Material- und Info-Sammlung, Grundlagenwissen, Referenzen zu externen Projekten
• 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

Open Tasks:

• Herstellung von KOH (Kaliumhydroxid)
• Darstellung der Zink-Luft-Batterie
• Darstellung der ZAC
• Herstellung von ZnO (Zinkoxid) für Recycling-Test
• Darstellung des Recyclers