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)
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.
Die Schwierigkeit bei der GDL liegt dabei darin, eine möglichst große Oberfläche zu erzeugen, welche die Bedingungen der sogenannten Drei-Phasen-Zone aufweist. Denn nur in diesem Grenzbereich zwischen fester (Elektrode), flüssiger (Elektrolyt) und gasförmiger (Luftsauerstoff) Phase kann die Sauerstoffreduktion erfolgen. D.h., je größer dieser Bereich ist, desto mehr Strom kann erzeugt werden bzw. desto mehr Milliampere fliessen und desto größer die Kapazität der Batterie in Amperstunden.
Als günstiges und leicht verfügbares Ausgangsmaterial gelangt hier Aktivkohle zum Einsatz, welche eine hohe Oberfläche aufweist.
Zitat aus Wikipedia: ([1])
Aktivkohle besteht überwiegend aus Kohlenstoff (meist > 90 %) mit hochporöser Struktur. Die Poren sind wie bei einem Schwamm untereinander verbunden (offenporig). Die innere Oberfläche beträgt zwischen 300 und 2000 m²/g Kohle, damit entspricht die innere Oberfläche von vier Gramm Aktivkohle ungefähr der Fläche eines Fußballfeldes. Die Dichte von Aktivkohle liegt im Bereich von 200 bis 600 kg/m³.
Die Porengröße und die Porengrößenverteilung teilt man in drei Größenordnungen ein: Mikroporen (< 2 nm), Mesoporen, auch Übergangsporen genannt, (2 bis 50 nm) und Makroporen (> 50 nm).[1]
Die Makroporen sind die Hauptzugangswege für Gase oder Flüssigkeiten in das Innere der Kohlen und haben für die Adsorption praktisch keine nennenswerte Bedeutung. Der überwiegende Anteil der Adsorption erfolgt am Kohlenstoffmaterial an der Oberfläche der Mikroporen. Dieser Bereich ist die wirksame Oberfläche und bestimmt die Adsorptionseigenschaften einer Kohle. Die Größe der inneren Oberfläche im Verhältnis zum Volumen einer Aktivkohle zeigen die nachfolgenden Daten. Bei einem Würfel mit einer Kantenlänge von 1 cm übersteigt die innere Oberfläche die äußere um mehr als den Faktor 10.000.
Das zu lösende Problem besteht nun darin, dass die Aktivkohle aufgrund der hohen Porosität und damit verbundenen Kapillarität sich mit flüssigem Material wie dem Elektrolyten komplett vollsaugt, also sozusagen unter Wasser steht. Damit verringert sich die Drei-Phasen-Zone ausschliesslich auf den Bereich der äussersten Oberfläche und die wertvolle große innere Oberfläche geht verloren.
Der Arbeitsansatz besteht nun darin die Aktivkohle partiell zu hydrophobieren und somit zu versuchen, die Drei-Phasen-Zone zu vergrößern.
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