Luft als Energiequelle

30.06.2016 Erfolgsgeschichten

Zukunftstechnologien wie die Elektromobilität und die Speicherung von regenerativen Energien erfordern leistungsfähige und kostengünstige Batterien. Konventionelle Lithium-Ionen-Batterien haben noch nicht den notwendigen Energiegehalt für hohe Fahrzeugreichweiten und Speicherdauern. Daher intensivieren sich weltweit die Forschungsaktivitäten auf der Suche nach alternativen Batteriespeichern.

Lithium-Luft-Batterien sind interessant, weil sie von allen Batterien den größten Energiegehalt besitzen – theoretisch fast so hoch wie von Benzin, praktisch fünfmal mehr als Lithium-Ionen-Batterien. Neben Lithium wird hier Luftsauerstoff als chemische Energiequelle verwendet. Gewicht und Kosten der Batterie reduzieren sich, weil Sauerstoff aus der Luft „umsonst“ ist. Bis zur Markteinführung sind jedoch noch viele Hürden zu meistern (Lebensdauer, Wirkungsgrad, Leistungsdichte), die allesamt mit den komplexen chemischen Reaktionen in der Batterie zusammenhängen.

Das Institut für Energiesystemtechnik der Hochschule Offenburg arbeitet daher gemeinsam mit der amerikanischen Colorado School of Mines daran, die chemischen Reaktionen aufzuklären, die in Lithium-Luft-Batterien stattfinden. Dafür werden Methoden der Computersimulation eingesetzt.

Potenzielle künftige Anwendungsgebiete der Lithium-Luft-Technologie können sowohl stationäre Energiespeicher (z.B. für regenerative Energien oder zur Netzstabilisierung) wie auch Elektromobilität sein. Bereits seit 2011 ist die Arbeitsgruppe um Prof. Bessler der Hochschule Offenburg auf dem Gebiet der Lithium-Luft-Batterie tätig. Im BMBF-finanzierten Verbund-Forschungsprojekt „Strom aus Luft und Lithium (LuLi)“ (2011–2014) wurde an elektrochemischen Batteriemodellen für die positive Sauerstoffelektrode geforscht. Darauf aufbauend wird im aktuellen Projekt der Fokus auf den elektrochemischen Reaktionsmechanismus gelegt. Weitergeführt werden die Aktivitäten der Hochschule Offenburg seit Januar 2016 im neuen „Batterie 2020“-Projekt „Lithium-Batterien mit Luft/Sauerstoffelektrode (LiBaLu)“ (2016–2018). In diesem Projekt soll unter anderem der Projektpartner Varta erste Lithium-Luft-Batteriedemonstratoren herstellen. Die Hochschule Offenburg entwickelt hierfür das Zelldesign.

Mehrwert der internationalen Zusammenarbeit

Prof. Kee der Colorado School of Mines (USA) ist einer der weltweit führenden Experten im Bereich der Simulation komplexer chemischer Systeme. Bereits in den 1980er Jahren entwickelte er entsprechende Computerprogramme, seinerzeit für die Verbrennungsforschung. Heute ist er einer der Hauptentwickler und Anwender (gemeinsam mit dem renommierten Massachussetts Institute of Technology, MIT, und den Sandia National Laboratories) der Open-Source-Software CANTERA. Diese Software ist für die Simulation von Lithium-Luft-Batterien geeignet. Der internationale Austausch ermöglichte einen Wissens-Aufbau über die CANTERA-Software, die nun an der Hochschule Offenburg weiterentwickelt wird.

Im Rahmen des Projekts fanden bereits mehrere Reisen statt, u.a. ein dreimonatiger Aufenthalt des deutschen Projektdoktoranden in Colorado, ein zweiwöchiger Aufenthalt von Prof. Bessler sowie Reisen von Prof. Kee nach Deutschland. Ein Highlight des Projekts war ein eintägiger Workshop zum Thema „CANTERA und Lithium-Luft-Batterien“, der im Herbst 2015 in Colorado mit acht Teilnehmern von der Colorado School of Mines, Hochschule Offenburg, Sandia National Laboratories sowie zwei amerikanischen Industriefirmen stattfand.