Mit einer "Flüssigbatterie" in die Zukunft

"Wir entwickeln eine neue Strategie für die selektive Umwandlung und langfristige Speicherung von elektrischer Energie in flüssigen Brennstoffen"

14.06.2024
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Symbolbild

Im Zuge der raschen Umstellung auf erneuerbare Energieträger benötigt Kalifornien neue Technologien, die Strom für das Stromnetz speichern können. Die Solarenergie fällt nachts und im Winter ab. Die Windenergie ebbt ab und schwankt. Daher ist der Bundesstaat stark auf Erdgas angewiesen, um die Schwankungen der erneuerbaren Energien auszugleichen.

"Das Stromnetz verbraucht Energie in dem Maße, in dem sie erzeugt wird, und wenn man sie zu diesem Zeitpunkt nicht verbraucht und nicht speichern kann, muss man sie wegwerfen", sagte Robert Waymouth, der Robert Eckles Swain Professor für Chemie an der Fakultät für Geisteswissenschaften und Wissenschaften.

Waymouth leitet ein Team in Stanford, das eine neue Technologie für die Speicherung erneuerbarer Energien erforscht: "liquid organic hydrogen carriers" (LOHCs). Wasserstoff wird bereits als Brennstoff oder zur Stromerzeugung verwendet, aber seine Lagerung und sein Transport sind schwierig.

"Wir entwickeln eine neue Strategie für die selektive Umwandlung und langfristige Speicherung von elektrischer Energie in flüssigen Brennstoffen", sagt Waymouth, Hauptautor einer Studie, die im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde. "Wir haben auch ein neuartiges, selektives katalytisches System zur Speicherung von elektrischer Energie in einem flüssigen Brennstoff entdeckt, ohne dabei gasförmigen Wasserstoff zu erzeugen."

Flüssige Batterien

Batterien, die zur Speicherung von Strom für das Stromnetz verwendet werden, sowie Batterien für Smartphones und Elektrofahrzeuge nutzen Lithium-Ionen-Technologien. Angesichts des Umfangs der Energiespeicherung suchen Forscher weiterhin nach Systemen, die diese Technologien ergänzen können.

Zu den Kandidaten gehören LOHCs, die mithilfe von Katalysatoren und erhöhten Temperaturen Wasserstoff speichern und freisetzen können. Eines Tages könnten LOHCs in großem Umfang als "Flüssigbatterien" fungieren, die Energie speichern und sie bei Bedarf effizient als nutzbaren Brennstoff oder Strom zurückgeben.

Das Team in Waymouth untersucht Isopropanol und Aceton als Bestandteile von Systemen zur Speicherung und Freisetzung von Wasserstoffenergie. Isopropanol - oder Franzbranntwein - ist eine flüssige Form von Wasserstoff mit hoher Dichte, die über die bestehende Infrastruktur gespeichert oder transportiert werden könnte, bis es an der Zeit ist, sie als Brennstoff in einer Brennstoffzelle zu verwenden oder den Wasserstoff zur Verwendung freizugeben, ohne Kohlendioxid auszustoßen.

Die Methoden zur Herstellung von Isopropanol mit Strom sind jedoch ineffizient. Zwei Protonen aus Wasser und zwei Elektronen können in Wasserstoffgas umgewandelt werden, und ein Katalysator kann dann aus diesem Wasserstoff Isopropanol herstellen. "Aber man will kein Wasserstoffgas in diesem Prozess", sagt Waymouth. "Seine Energiedichte pro Volumeneinheit ist gering. Wir brauchen einen Weg, um Isopropanol direkt aus Protonen und Elektronen herzustellen, ohne Wasserstoffgas zu erzeugen."

Daniel Marron, der Hauptautor dieser Studie, der vor kurzem in Stanford seinen Doktortitel in Chemie erworben hat, fand heraus, wie dieses Problem gelöst werden kann. Er entwickelte ein Katalysatorsystem, mit dem zwei Protonen und zwei Elektronen mit Aceton kombiniert werden können, um den LOHC Isopropanol selektiv zu erzeugen, ohne dass Wasserstoffgas entsteht. Dazu verwendete er Iridium als Katalysator.

Die große Überraschung war, dass Kobaltocen das magische Additiv war. Kobaltocen, eine chemische Verbindung von Kobalt, einem unedlen Metall, wird seit langem als einfaches Reduktionsmittel verwendet und ist relativ preiswert. Die Forscher fanden heraus, dass Cobaltocen als Co-Katalysator in dieser Reaktion ungewöhnlich effizient ist, da es Protonen und Elektronen direkt an den Iridium-Katalysator abgibt und nicht, wie bisher erwartet, Wasserstoffgas freisetzt.

Eine grundlegende Zukunft

Kobalt wird bereits häufig in Batterien verwendet und ist sehr gefragt. Das Stanford-Team hofft daher, dass sein neues Verständnis der Eigenschaften von Kobaltocen den Wissenschaftlern bei der Entwicklung anderer Katalysatoren für diesen Prozess helfen könnte. So erforschen die Forscher beispielsweise häufiger vorkommende Nicht-Edelmetall-Katalysatoren wie Eisen, um zukünftige LOHC-Systeme erschwinglicher und skalierbar zu machen.

"Es handelt sich hier um Grundlagenforschung, aber wir glauben, dass wir eine neue Strategie für eine selektivere Speicherung elektrischer Energie in flüssigen Brennstoffen haben", so Waymouth.

Wenn sich diese Arbeit weiterentwickelt, besteht die Hoffnung, dass LOHC-Systeme die Energiespeicherung für die Industrie und den Energiesektor oder für einzelne Solar- oder Windparks verbessern könnten.

Trotz der komplizierten und anspruchsvollen Arbeit hinter den Kulissen ist der Prozess, wie Waymouth zusammenfasst, eigentlich recht elegant: "Wenn man überschüssige Energie hat und im Netz kein Bedarf besteht, speichert man sie als Isopropanol. Wenn Sie die Energie benötigen, können Sie sie als Strom zurückgeben.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

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