FeEnCap – Entwicklung einer Eisen-Slurry/Luftspeicher Batterie
Gekapselte Eisenmaterialien für Eisen-Slurry/Luft-Akkumulatoren zur stationären Energiespeicherung
In den letzten Jahren hat die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Solar- und Windenergie den Bedarf an nachhaltigen stationären Energiespeichersystemen erheblich gesteigert. Das gesamte Potenzial der erneuerbaren Energien kann jedoch erst dann ausgeschöpft werden, wenn überschüssige Energie in großem Umfang gespeichert und bei Bedarf genutzt werden kann. Zur Vermeidung zusätzlicher Umweltbelastung und Verringerung der Ressourcenabhängigkeit wurde in den letzten Jahren die Entwicklung von Batterien vorangetrieben, welche umweltfreundliche, kostengünstige und leicht verfügbare Elektrodenmaterialien verwenden. Aus diesem Grunde bieten sie für die stationäre Speicherung großer Energiemengen einige Vorteile!
Entwicklung einer Eisen-Slurry/Luftspeicher Batterie
Als eine aussichtsreiche Alternative zu herkömmlich bekannten Batteriekonzepten hat sich der Eisen-Slurry/Luftspeicher herausgestellt, in welchem Eisen als umweltfreundliche, kostengünstige und leicht verfügbare Batteriemasse im Slurry genutzt wird. Das Gemeinschaftsprojekt FeEnCap widmet sich nun der Weiterentwicklung von Eisen-Slurry/Luftspeichern als stationäre Energiespeicher.
Bei dem Eisen-Slurry/Luftspeicher handelt es sich um ein neuartiges Batteriekonzept, das im Rahmen des BMBF-Verbundprojekts FeEnergy von 2018 bis 2021 eingeführt wurde. Anstelle einer herkömmlichen festen Eisenelektrode wird eine eisenhaltige Batteriemasse während des Betriebs in Form eines Slurrys durch die Batteriezelle gefördert. Auf diese Weise ist die zusätzliche Speicherung von Energie in einem Reservoir außerhalb der Zelle möglich.
Der Slurry besteht dabei aus aktiven Partikeln auf Eisenbasis in einer alkalischen Lösung und zusätzlichen Additiven zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit. Ein Proof-of-Concept konnte die prinzipielle Funktion des Eisen Slurry/Luft-Akkumulators beweisen! Eine der größten Herausforderungen besteht nun darin, eine zufriedenstellende Wiederaufladbarkeit zu erreichen. Grund für die unzureichende Wiederaufladbarkeit sind die erheblichen Kontaktwiderstände, die durch die geringe Leitfähigkeit der entladenen Eisenpartikel und den Eisenablagerungen auf der stromableitenden Elektrode entstehen.
Die Partner im Projekt FeEnCap
Im Rahmen des gemeinsamen Projekts FeEnCap stellen sich nun die Unternehmen VARTA, IBU-tec, inprotec und Walter Lemmen den Herausforderungen der Eisen-Slurry/Luftspeicher Batterie. Wir werden dabei vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9) des Forschungszentrums Jülich und dem VDEh-Betriebsforschungsinstitut wissenschaftlich unterstützt. Einer der vielversprechenden Ansätze des Forschungsprojekts ist die Verwendung von Kern/Schale-Partikeln, die aus einem Eisenbasis-Kern und einer elektrisch leitenden Schale bestehen. So zielen wir darauf ab, den Kontaktwiderstand zwischen den Partikeln zu minimieren und die Bildung von Rückständen auf der Entladungselektrode zu verhindern. Darüber hinaus ist abzusehen, dass die Suche nach alternativen Verbundwerkstoffen und die Weiterentwicklung der Schlammzelle zu einer deutlichen Leistungssteigerung der Eisenschlammspeichersysteme beitragen dürfte. Die deutliche Verbesserung des Lade- und Entladeverhaltens der Schlämme mit dem neuen Materialdesign soll in einem kleinen, fortschrittlichen Speichersystem demonstriert werden.
Herausforderungen und Problemstellung
Fe-Slurry/Luft-Zelle als neuartiges Batteriekonzept im Forschungsprojekt FeEnergy eingeführt
Proof-of-Concept (A: 25 cm²): UCell= ca. 0,8 V, Entladung bis zu 28 % der theoretischen Kapazität
Wiederaufladbarkeit bisher noch unzureichend
Probleme bereiten die Kontaktwiderstände der entladenen Eisenpartikel und Eisenablagerungen auf der Kontaktelektrode
Ziele des Projektes
Erforschung und Einsatz alternativer Slurry-Materialien
Weiterentwicklung von Eisen-Slurry/Luft-Zellen
Aufzeigen eines deutlich verbesserten Lade- und Entladeverhaltens
Konzept und Ansatz
Einsatz von Core/Shell-Partikeln und alternativen Kompositmaterialien
Slurry-Zellen mit optimiertem Strömungsprofil und der Möglichkeit zur Verdichtung des Feststoffs (Senkung von Kontaktwiderstände).
Ablauf der Entwicklung unserer Eisen-Slurry/Luftspeicher
Das FeEnCap-Projekt stellt sich der technischen Herausforderung, eine marktfähige Eisen-Slurry/Luftspeicher Batterien zu entwickeln: von den Rohstoffen zum einbaufertigen Produkt, um dabei zu helfen, stabile und sichere Eisen-Slurry/Luft-Akkumulatoren zur stationären Energiespeicherung mit hoher Kapazität in Deutschland zu fertigen.
Der Eisen-Slurry/Luftspeicher wurde als neuartiges Batteriekonzept im Rahmen des BMBF-Verbundprojekts FeEnergy 2018 eingeführt. Ein Proof-of-Concept hat das prinzipielle Wirkungsprinzip des Eisen- Slurry/Luftspeichers bewiesen. Das FeEnCap Projekt (Förderkennzeichen 03XP0188A-F) widmet sich nun der Weiterentwicklung dieses Speichers.
Unsere Wissenschaftler beteiligen sich mit der Entwicklung und Herstellung des Gekapselte Eisen-Kupfer-Kohlenstoffmaterialien für Eisen-Slurry/Luft-Akkumulatoren zur stationären Energiespeicherung mit hoher Kapazität in einer Kombination aus Prozessschritten unseren hauseigenen Pulsationsreaktoren und im Drehrohrofen.
In den initialen Stufen wurde ein vielversprechendes Batteriesystem identifiziert und die Leistungsparameter festgelegt sowie ein konkretes Fe-Cu-C-Rohstoff ausgewählt. Während der Entwicklung der Fe/Cu/C-Slurry konnte ein regelmäßiger Ergebnisaustausch mit den Projektpartnern die Weiterentwicklung und Performance-Optimierung der Zellbestandteile zu erzielen.
Stand des Projektes FeEnCap
Nach ein Jahr Projektlaufzeit haben wir nun unsere gesetzten Meilensteine erreicht: Die Entwicklung und Produktion von aus Gekapselten sowie Komposite Eisenmaterialien der benötigten Spezifikationen für die gewünschte Performance!
