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Zink-Luft Demonstrator

Leistungstest Gen4b

Zink-Luft im Vergleich

Aufbauend auf den Erkenntnissen des „Entwicklungsprojekts Zink-Luft-Akkumulatoren“ wird im Rahmen dieses Projektes ein neues Zink-Luft-Akkumulator-Speichersystem entwickelt, das eine größere Leistungsdichte aufweist, um neue Anwendungsszenarien zu erschließen.

Im Rahmen des Projektes wird ein Zink-Luft-Speicher-System entwickelt, das mit hohen Lade- und Entladeströmen beschaltet werden kann. Hieraus ergeben sich für die Zink-Luft-Zelle neue Anwendungs- und Einsatzszenarien, die bislang nur teuren und sicherheitstechnisch kritischen lithiumbasierten Speichersystemen vorbehalten sind. Dabei werden vor allem die Einsatzmöglichkeiten in skalierbaren Insel- und Windparklösungen fokussiert. Bestand bislang das Optimierungsziel der Zink-Luft-Speicher-Zelle primär in einer Erhöhung der Standfestigkeit und des Wirkungsgrads, so erfordern die neuen Anwendungsszenarien eine zusätzliche Steigerung der Zellleistung um mindestens 150%, um mit lithiumbasierten Speichersystemen konkurrieren zu können. Diese notwendige Steigerung der Zellleistung wird durch das in diesem Projekt angestrebte Neudesign der Zink-Luft-Speicher-Zelle in Aussicht gestellt. Dabei wird angestrebt, dass der Volumenzuwachs der für die Steigerung der Zellleis-tung nötigt ist möglichst minimal ist. Das neue Zell-Design wird mit den Stadtwerken als Kooperationspartner in Form von verschiedenen Testreihen und funktionalen Demonstratoren in realen Einsatzszenarien evaluiert. Hieraus ergibt sich eine kurze Rückkoppelschleife und bringt die funktionalen Demonstratoren in Richtung einer zeitnahen Produktüberführung bzw. Markteinführung.

Die Aufgabenschwerpunkte der FH-Münster liegen innerhalb des Projektes in der Zelloptimierung, dem Design und Aufbau des Energiespeichers, Labortests und der Durchführung des Feldtests. 

Vorteile der Zink-Luft Technologie

Energiedichte

Die Zink-Luft-Technologie verspricht theoretisch eine dreifach höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Innerhalb der Zellen befindet sich mit Zink nur ein Reaktionspartner. Als zweiter Reaktionspartner wird der Sauerstoff der Umgebungsluft verwendet. 

Preis

Zink ist ein häufig vorkommendes Element, das im Vergleich zu Lithium besonders günstig ist. Bei gleicher Kapazität fallen die Materialkosten von Zink-Luft-Zellen 80% geringer aus.

Leichte Weiterverwertung

Eine weitere Besonderheit ist Möglichkeit der Verwendung alkalischer Elektrolyte. Da chemische Abwässer in der Regel ein Übergewicht an Säure haben, kann das Elektrolyt einer defekten Zelle zur Neutralisierung chemischer Abwasser weiterverkauft werden. Anschließend kann das verwendete Zink leicht wiederverwendet werden.

Projektziele

Im Rahmen des Projektes wird ein Zink-Luft-Speicher-System entwickelt, das mit hohen Lade- und Entladeströmen beschaltet werden kann. Hieraus ergeben sich für die Zink-Luft-Zelle neue Anwendungs- und Einsatzszenarien, die bislang nur teuren und sicherheitstechnisch kritischen lithiumbasierten Speichersystemen vorbehalten sind. Dabei werden vor allem die Einsatzmöglichkeiten in skalierbaren Insel- und Windparklösungen fokussiert. Bestand bislang das Optimierungsziel der Zink-Luft-Speicher-Zelle primär in einer Erhöhung der Standfestigkeit und des Wirkungsgrads, so erfordern die neuen Anwendungsszenarien eine zusätzliche Steigerung der Zellleistung um mindestens 150%, um mit lithiumbasierten Speichersystemen konkurrieren zu können. Diese notwendige Steigerung der Zellleistung wird durch das in diesem Projekt angestrebte Neudesign der Zink-Luft-Speicher-Zelle in Aussicht gestellt. Dabei wird angestrebt, dass der Volumenzuwachs der für die Steigerung der Zellleistung nötigt ist möglichst minimal ist. Das neue Zell-Design wird mit den Stadtwerken als Kooperationspartner in Form von verschiedenen Testreihen und funktionalen Demonstratoren in realen Einsatzszenarien evaluiert. Hieraus ergibt sich eine kurze Rückkoppelschleife und bringt die funktionalen Demonstratoren in Richtung einer zeitnahen Produktüberführung bzw. Markteinführung.

Die Aufgabenschwerpunkte der FH-Münster liegen innerhalb des Projektes in der Zelloptimierung, dem Design und Aufbau des Energiespeichers, Labortests und der Durchführung des Feldtests.

Abgeschlossene Arbeiten

Innerhalb des ersten Forschungs- und Entwicklungsprojektes wurde ein Demonstrator des neuen Zink-Luft- Akkumulators entwickelt, konstruiert und unter Praxisbedingungen getestet. Neben der Optimierung der Zellgeometrien, dem Zellaufbau und dem Stackaufbau wurde außerdem ein Batteriemanagementsystem entwickelt, das einen sicheren Zustand des Demonstrators garantiert. Das erste Forschungsprojekt wurde Juni 2019 abgeschlossen.

Nach dem erfolgreichen Projektabschluss, wird die Weiterentwicklung des Zink-Luft Speichers nun in einem anschließenden Projekt gefördert. Ein wesentlicher Aspekt des neuen Förderprojektes ist die Optimierung der Leistungsdichte der Zelle. Während unser Industriepartner, das Ingenieurbüro Kunkel und Partner, die Zellchemie hinsichtlich der Leistung optimiert, wird die Zellgeometrie von uns optimiert. Neue Geometrien werden dabei mit Hilfe von 3D gedruckten Prototypen verifiziert. Die angestrebten Ziele wurden mittlerweile bereits übertroffen. Im weiteren Verlauf des Projektes erfolgt nun die Entwicklung und der Aufbau eines Demonstrators mit einer Kapazität von mehr als 7 kWh.

Bewerbungsvideo um den Preis EFRE Stars 2022

Videomitschnitt der Vorstellung des Projektes am 9. September im Landschaftspark Duisburg-Nord

EFRE-Starts 2022 Preisübergabe

EFRE-Gewinner_Zink-Luft-Akku