Fortschritte bei Protonenbatterien mit grünem Wasserstoff gemeldet

Jun 15, 2023

Neue Protonenbatterien können heute kleine blaue Ventilatoren antreiben, morgen Elektrofahrzeuge, wenn alles nach Plan läuft.

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Fans von grünem Wasserstoff haben einen weiteren Grund zum Jubeln: neue Protonenbatterien, die Strom in Elektroden aus hydriertem Kohlenstoff speichern. Ein Forschungsteam der australischen RMIT University hat in den letzten fünf Jahren in Zusammenarbeit mit einem weltweit führenden Automobilzulieferer an der Feinabstimmung seiner Protonenbatterietechnologie gearbeitet. Sie haben einen weiteren Durchbruch zu vermelden, und neue Batterien für Elektrofahrzeuge könnten dabei sein.

Die RMIT-Forschung erregte bereits 2018 die Aufmerksamkeit des Weltwirtschaftsforums, das sich über das Potenzial von Protonenbatterien freute, die Lithium-Ionen-Technologie zu überholen.

„Die RMIT-Protonenbatterie kann wie jede andere wiederaufladbare Batterie an einen Ladeanschluss angeschlossen werden. Was dann passiert, ist bemerkenswert einfach: Der Strom aus der Stromversorgung spaltet Wassermoleküle und erzeugt Protonen, die sich mit Kohlenstoff in der Elektrode der Batterie verbinden“, stellte das WEF begeistert fest.

Vor fünf Jahren schien die Wasserspaltung vielleicht bemerkenswert, als der globale Markt für grünen Wasserstoff nur ein Augenzwinkern war, aber seitdem hat sich alles verändert.

Grüner Wasserstoff wird aus Wasser durch Elektrolyse hergestellt, wobei Strom aus erneuerbaren Ressourcen zur „Spaltung“ von Wasser genutzt wird. Die Kosten für Wind- und Solarenergie sind seit 2018 gesunken, ebenso wie die Kosten für Elektrolysesysteme, was erklärt, warum grüner Wasserstoff in den Jahren seit 2018 mehr Aufmerksamkeit von Investoren erhalten hat.

Der Zusammenhang zwischen Wasserstoff- und Protonenbatterien ist ziemlich einfach. Ein Wasserstoffatom besteht aus einem positiv geladenen Proton und einem negativ geladenen Elektron. Gelingt es dem Wasserstoffatom irgendwie, sein Elektron zu verlieren, wandert es als Proton durch das Universum.

Wie von RMIT beschrieben, ist die Speicherung von Wasserstoff in einer hydrierten Kohlenstoffelektrode eine Energieeinsparung im Vergleich zur Herstellung von grünem Wasserstoffgas. Die Alternative wäre die Speicherung des Wasserstoffs unter hohem Druck für den Einsatz in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle.

Grob gesagt sind Elektrolysesysteme das Gegenteil von Brennstoffzellen. Daher ist es keine Überraschung, dass sich Protonenbatterien über Brennstoffzellen entladen, jedoch ohne den energieraubenden Speicherschritt, der mit Wasserstoff-Brennstoffzellen verbunden ist.

Wie der leitende Forscher des RMIT-Teams, Professor John Andrews, erklärt, geben Protonenbatterien während des Entladezyklus ihre Protonen von der Kohlenstoffelektrode ab. Sie passieren eine Membran und treffen auf Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Bei der Reaktion entstehen sowohl Wasser als auch Strom.

„Unsere Protonenbatterie hat viel geringere Verluste als herkömmliche Wasserstoffsysteme und ist daher in Bezug auf die Energieeffizienz direkt mit Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar“, fügt Andrews hinzu (weitere Berichterstattung über Protonenbatterien von CleanTechnica finden Sie hier).

Das RMIT-Team arbeitet seit 2018 an seinem Protonenbatterie-Forschungsprojekt mit dem führenden italienischen Autoteilezulieferer Eldor Group zusammen und die Zusammenarbeit wurde um weitere zwei Jahre verlängert.

Eldor ist eher für seine Arbeit auf der konventionellen Seite der Automobilindustrie bekannt, aber das Unternehmen ist der Elektrifizierung und Dekarbonisierung auf der Spur und konzentriert sich weiterhin auf die Verbesserung der Effizienz von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

Wenn Eldor auf Protonenbatterien setzt, um das Elektrofahrzeug der Zukunft anzutreiben, muss es möglicherweise lange warten. Bisher ist aus der Zusammenarbeit mit RMIT eine Protonenbatterie hervorgegangen, die „mehrere kleine Ventilatoren und ein Licht mehrere Minuten lang mit Strom versorgen kann“.

Das hört sich nicht nach viel an, aber der Nutzen könnte enorm sein, da im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge geringere Kosten für Elektrofahrzeugbatterien und eine nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen anfallen. Schließlich ist Kohlenstoff praktisch überall, Lithium jedoch nicht.

In einem Update zum Projekt vom 27. Juli stellte RMIT fest, dass die Speicherkapazität ihres neuen Prototyps 2,2 Gew.-% Wasserstoff beträgt (Gew.-% bezieht sich auf die Messung der Wasserstoffspeicherung in einem Material). Das war fast das Dreifache der Kapazität ihres ersten Prototyps vor fünf Jahren.

Laut RMIT übertraf der neue Prototyp auch andere elektrochemische Wasserstoffspeichersysteme und erreichte mehr als das Doppelte der von anderen gemeldeten Kapazität.

Die Verbesserungen gegenüber dem Prototyp von 2018 werden in der Studie „Steigerung der Leistung einer Protonenbatterie“ detailliert beschrieben, die letzten September im Journal of Power Sources veröffentlicht wurde. Unter anderem entwickelte das Team einen alternativen Modus zum Entladen von Protonenbatterien, um die direkte Erzeugung von Wasserstoffgas zu ermöglichen.

„Unsere Batterie hat eine Energie pro Masseneinheit, die bereits mit kommerziell erhältlichen Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar ist, ist aber viel sicherer und besser für den Planeten, da weniger Ressourcen aus dem Boden entnommen werden“, betont Andrews und nimmt dies zur Kenntnis die Schnellladefähigkeit des Akkus.

Wenn alles nach Plan verläuft, werden die nächsten Schritte die Skalierung von Watt auf Kilowatt und schließlich auf Megawatt sein. Die Zusammenarbeit zielt auf eine Reihe von Anwendungen ab, darunter Elektrofahrzeuge sowie Energiespeicher im Versorgungsmaßstab.

Wenn Ihnen das alles einfällt, denken Sie vielleicht an ein neues Zinkbatterieprojekt der Oregon State University. Die OSU-Zinkbatterie integriert ein Wasserstofferzeugungssystem, um eine parasitäre Reaktion in herkömmlichen Zinkbatterien auszumerzen und sinnvoll zu nutzen.

Ein weiteres Beispiel für die Batterie-plus-Wasserstoff-Technologie ist eine Wasserstoff-Eisen-Durchflussbatterie, die derzeit von der Firma Proton Energy Systems entwickelt wird. Das Unternehmen erhielt von 2010 bis 2020 Unterstützung von ARPA-E, der hochmodernen Finanzierungsstelle des US-Energieministeriums.

„Dieses Mehrzweckgerät kann mit erneuerbarem Netzstrom aufgeladen werden und entweder den Wasserstoff speichern oder als Durchflusszellenbatterie umgekehrt betrieben werden, wenn Strom benötigt wird“, erklärt ARPA-E.

Bei der letzten Aktualisierung im Jahr 2020 ging ARPA-E davon aus, dass das Team von Proton Energy Systems kostengünstige, aber hocheffiziente Katalysatoren entwickeln würde, um einen Wirkungsgrad von 80 % oder mehr zu erreichen. „Durch den Betrieb mit viel höheren Wirkungsgraden als herkömmliche Elektrolyseure könnte diese Technologie mehrere Wertströme bieten und so eine weit verbreitete Einführung der verteilten Speicherung und der Wasserstoffbetankung ermöglichen“, bemerkte ARPA-E.

Wenn Sie ein Update zu diesem Projekt haben, hinterlassen Sie uns eine Nachricht im Kommentarthread. In der Zwischenzeit ist ARPA-E bereits auf dem Weg zum nächsten großen Projekt: einer neuen protonenleitenden Oxidmembran, die bei Columbia Engineering entwickelt wird.

„Der bahnbrechende Charakter dieser Technologie beruht auf der Materialforschung, um diese Oxidmembranen wirklich dünn zu machen – zwei bis vier Größenordnungen dünner als herkömmliche Membranen – und dadurch ihren Widerstand um etwa eine Größenordnung zu verringern“, stellte die Schule letztes Jahr fest Das Projekt erhielt 3,4 Millionen US-Dollar von ARPA-E.

„Diese Fortschritte würden eine sprunghafte Steigerung der Stromdichte und der Gesamteffizienz bei der Wasserstofferzeugung im Vergleich zu heutigen kommerziellen Polymerelektrolyt-Membran-Elektrolyseuren ermöglichen“, fügten sie hinzu.

Sobald die neue Membran im Labor getestet wird, stehen die Unternehmen Forge Nano und Nel Hydrogen bereit, sie in einen Elektrolyseur zu integrieren und die Technologie schnell zu erweitern. Bleiben Sie also auf dem Laufenden, um mehr darüber zu erfahren.

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Foto: Protonenbatterien bieten nachweislich emissionsfreien Strom für kleine Ventilatoren (mit freundlicher Genehmigung der RMIT University).

Tina ist spezialisiert auf militärische und unternehmerische Nachhaltigkeit, fortschrittliche Technologie, neue Materialien, Biokraftstoffe sowie Wasser- und Abwasserfragen. Die geäußerten Ansichten sind ihre eigenen. Folgen Sie ihr auf Twitter @TinaMCasey und Spoutible.

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