Stromgewinnung aus Elektrochemie von Batterien anstelle von Druck oder Membranen

Stanford-Forscher nutzen “blaue” Energie aus Mischung von Süß- und Meerwasser

“Salz ist Macht”, beginnt Rob Jordan von der Stanford University seinen Artikel über eine neue Form der Energiegewinnung: “Es mag wie Alchemie klingen, aber die Energie an Orten, an denen sich Salz- und Süßwasser vermischen, könnte eine ergiebige Quelle für Erneuerbare Energien sein. Stanford-Forscher haben eine erschwingliche, langlebige Batterie-Technologie entwickelt, die diese sogenannte blaue Energie nutzen kann.” Das bereits am 08.07.2019 in ACS Omega der American Chemical Society veröffentlichte Papier beschreibt die Batterie und empfiehlt, mit ihr Küstenkläranlagen energieunabhängig zu machen., und nicht nur die.

Die Hyperion Wasseraufbereitungsanlage an der Santa Monica Bay in Los Angeles ist ein Beispiel für eine Küstenabwasserbehandlung, die Energie aus der Mischung von Meerwasser und behandeltem Abwasser gewinnen könnte – Foto © Doc Searls/Flickr

“Blue Energy ist eine immense und unerschlossene Quelle erneuerbarer Energien”, sagte Studien-Koautor Kristian Dubrawski, Postdoc-Forscher für Bau- und Umweltingenieurwesen in Stanford. “Unsere Mischungsentropie-Batterie ist ein wichtiger Schritt, um diese Energie praktisch ohne Membranen, bewegliche Teile oder Energiezufuhr zu erfassen.”

Dubrawski arbeitet im Labor des Studien-Ko-Autors Craig Criddle, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen, bekannt für interdisziplinäre Feldprojekte mit energieeffizienten Technologien. Die Idee zur Entwicklung einer Batterie, die Salzgradienten nutzt, entstand aus der Zusammenarbeit mit den Studien-Koautoren Yi Cui, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, und Mauro Pasta, Postdoc in Materialwissenschaften und Ingenieurwesen zum Zeitpunkt der Forschungsarbeiten. Die Anwendung dieses Konzepts auf Küstenkläranlagen war Criddles Idee, geboren aus seiner langjährigen Erfahrung in der Entwicklung von Technologien zur Abwasserbehandlung.

Die Forscher testeten einen Prototyp der Batterie, überwachten seine Energieproduktion und spülten sie abwechselnd stündlich mit Abwasser aus der regionalen Wasserqualitätskontrollanlage Palo Alto und Meerwasser aus der Half Moon Bay. Über 180 Zyklen hinweg hatten die Batteriematerialien eine Effektivität von 97 Prozent bei der Erfassung der Salzgradientenenergie beibehalten.

Die Technologie könnte natürlich überall eingesetzt werden, wo sich Süß- und Meerwasser mischen, aber Kläranlagen bieten eine besonders wertvolle Fallstudie. Die Abwasserbehandlung ist energieintensiv und macht etwa drei Prozent der gesamten elektrischen Leistung der USA aus. Der für die Gesundheit der Bevölkerung unerlässliche Prozess ist auch durch die Abschaltung des Stromnetzes gefährdet. Die Energieunabhängigkeit der Kläranlagen würde nicht nur den Stromverbrauch und die Emissionen senken, sondern sie auch gegen Stromausfälle immun machen – ein großer Vorteil in Orten wie Kalifornien, wo die jüngsten Waldbrände zu großen Blackouts geführt haben.

Wasserkraft

Jeder Kubikmeter Süßwasser, der sich mit Meerwasser mischt, produziert etwa 65 Kilowattstunden Energie – genug, um ein amerikanisches Durchschnittshaus etwa 30 Minuten lang zu versorgen. Weltweit beträgt die theoretisch rückgewinnbare Energie aus Küstenkläranlagen etwa 18 Gigawatt – genug, um mehr als 1.700 Haushalte ein Jahr lang zu versorgen.

Die Batterie der Stanford-Gruppe ist nicht die erste Technologie, die es schafft, blaue Energie einzufangen, aber sie ist die erste, welche die Elektrochemie der Batterie anstelle von Druck oder Membranen verwendet. Wenn es im Maßstab funktioniert, würde die Technologie eine einfachere, robustere und kostengünstigere Lösung bieten.

Dabei werden zunächst Natrium- und Chloridionen aus den Batterieelektroden in die Lösung abgegeben, so dass der Strom von einer Elektrode zur anderen fließt. Ein schneller Austausch von Abwasser mit Meerwasser führt dann dazu, dass die Elektrode Natrium- und Chloridionen wieder einbaut und den Stromfluss umkehrt. Die Energierückgewinnung erfolgt sowohl während der Süß- als auch der Meerwasserspülung, ohne Vorab-Energieinvestitionen und ohne Aufladung. Das bedeutet, dass der Akku ständig entladen und wieder aufgeladen wird, ohne dass Energie verbraucht wird.

Langlebige und kostengünstige Technologie

Während Labortests zeigten, dass die Leistungsabgabe pro Elektrodenfläche immer noch gering ist, wird das Scale-Up-Potenzial der Batterie aufgrund ihres geringen Platzbedarfs, ihrer Einfachheit, ihrer konstanten Energieerzeugung und des Fehlens von Membranen oder Instrumenten zur Ladungs- und Spannungskontrolle als besser realisierbar angesehen als bisherige Technologien. Die Elektroden bestehen aus Preußischblau, einem Material, das häufig als Pigment und Medizin verwendet wird und weniger als 90 €-Cent pro Kilogramm kostet, und Polypyrrol, einem Material, das experimentell in Batterien und anderen Geräten verwendet wird und das für weniger als € 2,70 pro Kilogramm in großen Mengen verkauft wird.

Keine beweglichen Teile erforderlich

Außerdem sind die Materialien relativ robust, eine Polyvinylalkohol- und Schwefelbernsteinsäurebeschichtung schützt die Elektroden vor Korrosion und es sind keine beweglichen Teile erforderlich. Bei einer Skalierung könnte die Technologie für jede Küstenbehandlungsanlage ausreichend Spannung und Strom bereitstellen. Die überschüssige Stromerzeugung könnte sogar in einen nahegelegenen Industriebetrieb, wie beispielsweise eine Entsalzungsanlage, umgeleitet werden.

“Es ist eine wissenschaftlich elegante Lösung für ein komplexes Problem”, sagte Dubrawski, “und muss im Groß-Maßstab getestet werden.” Um das volle Potenzial der Batterie für Kläranlagen abzuschätzen, arbeiten die Forscher an einer skalierten Version, um zu sehen, wie das System funktioniert, wenn mehrere Batterien gleichzeitig arbeiten.

->Quellen: