Neue Natrium-Brennstoffzelle verspricht Durchbruch für E-Flugzeuge

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Sektoren sauberer machen, in denen es schwierig ist, fossile Brennstoffe zu ersetzen: Diesem Ziel will ein US-Forscherteam mit einer neuartigen Brennstoffzelle auf Basis von flüssigem Natrium näher kommen. Das Gerät soll eine Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien darstellen und ähnelt konzeptionell eher Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen.

Die Natrium-Luft-Brennstoffzelle wurde von einem Team unter der Leitung von Yet-Ming Chiang, einem Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen am Massachusetts Institute of Technology (MIT), entwickelt. Die Entwicklung hat eine höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien und erfordert nicht die extrem niedrigen Temperaturen oder hohen Drücke wie bei Wasserstoff, was sie für den Transport-Sektor möglicherweise praktischer macht. Speziell im Auge haben Chiang und sein Team die Elektrifizierung im Schienenverkehr, in der regionalen Luftfahrt und im Kurzstreckenverkehr.

Das Design des in der Fachzeitschrift "Joule" veröffentlichten Geräts ist mit der Technologie von einem von Chiangs Unternehmen verwandt: Form Energy. Dieses baut Eisen-Luft-Batterien für große Energiespeicheranlagen, wie jene, die zur Speicherung von Wind- und Solarenergie im Stromnetz beitragen könnten. Die Batterien von Form Energy basieren auf Wasser, Eisen und Luft. Chiang ist in Bezug auf Ausgründungen sehr umtriebig, besonders im Bereich der Batterie-Entwicklung.

Auftanken statt Aufladen

Eine technische Herausforderung für Metall-Luft-Batterien ist seit jeher die Reversibilität. Die chemischen Reaktionen einer Batterie müssen leicht umkehrbar sein, damit sie in der einen Richtung Strom erzeugen und die Batterie entladen, während bei der anderen Richtung Strom in die Batterie fließt und sie über die gegenläufigen Reaktionen aufgeladen wird.

Wenn die Reaktionen einer Batterie ein sehr stabiles Produkt erzeugen, kann es schwierig sein, die Batterie ohne Kapazitätsverlust wieder aufzuladen. Um dieses Problem zu umgehen, hat das Team von Form Energy darüber nachgedacht, ob ihre Batterien nicht wiederaufladbar sein könnten, sagt Chiang. Die Idee war, das System einfach in eine Richtung laufen zu lassen, dann mehr Ausgangsmaterial hinzuzufügen und den Vorgang zu wiederholen, anstatt die Reaktionen umzukehren. Also gewissermaßen auftanken statt aufladen.

Letztlich entschied sich das Unternehmen für ein traditionelleres Batteriekonzept, aber Chiang behielt die Idee im Hinterkopf. Er beschloss, zu erforschen, ob sie mit anderen Metallen zu verwirklichen wäre und kam so auf die Idee einer Brennstoffzelle auf Natriumbasis.

Konzept wie beim Wasserstoff-Brennstoffzellen-Auto

In diesem Brennstoffzellen-Format nimmt das Gerät Chemikalien auf, deren Reaktionen Strom erzeugen, die Produkte werden am Ende entfernt. Dann wird frischer Brennstoff zugeführt, um das Ganze erneut zu starten – ohne dass eine elektrische Aufladung erforderlich ist. Dieses Konzept ist von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeugen wie dem Toyota Mirai bekannt.

Chiang und sein Team machten sich daran, eine Brennstoffzelle zu bauen, die mit flüssigem Natrium betrieben wird, das eine viel höhere Energiedichte haben könnte als bestehende kommerzielle Technologien, sodass sie klein und leicht genug wäre, um etwa in elektrischen Regionalflugzeugen oder im Kurzstreckenverkehr eingesetzt zu werden.

Das Forschungsteam baute kleine Testzellen zur Erprobung und ließ sie laufen, um zu zeigen, dass sie das auf Natrium basierende System zur Stromerzeugung nutzen können. Da Natrium bei etwa 98 Grad Celsius flüssig wird, arbeiteten die Zellen bei moderaten Temperaturen zwischen 110 Grad Celsius und 130 Grad Celsius, was laut Chiang für den Einsatz in Flugzeugen oder Schiffen praktisch sein könnte.

Viermal so leistungsfähig wie Lithium-Ionen-Batterien

Aus ihrer Arbeit mit diesen Versuchsgeräten schätzten die Forschenden die Energiedichte auf etwa 1.200 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Das ist viel höher als die etwa 300 Wh/kg, die kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien erreichen können. Wasserstoff-Brennstoffzellen schaffen ebenfalls eine hohe Energiedichte, dazu muss allerdings der Wasserstoff unter hohem Druck und oft bei sehr niedrigen Temperaturen gespeichert werden.

"Es ist ein interessantes Zellenkonzept", sagt Jürgen Janek vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Gießen, der nicht an der Forschung beteiligt war. In der Vergangenheit wurde bereits an Natrium-Luft-Batterien geforscht, sagt der Wissenschaftler, aber diese Art von Chemie in einer Brennstoffzelle zu verwenden sei neu.

"Einer der kritischen Punkte bei dieser Art von Zellkonzept ist die Sicherheitsfrage", so Janek. Natrium reagiert sehr stark mit Wasser, wie zahlreiche Videos belegen, in denen Natriumblöcke mit dramatischem Effekt in einen See geworfen wurden. Doch Chiang zufolge stellt die Konstruktion der Zelle sicher, dass das bei den Reaktionen entstehende Wasser kontinuierlich entfernt wird. Dadurch sei nicht genügend Wasser vorhanden, um schädliche Reaktionen auszulösen. Der Festelektrolyt, ein keramisches Material, helfe auch, Reaktionen zwischen Wasser und Natrium zu verhindern.

Eine weitere Frage lautet, was mit dem problematischen Endprodukt Natriumhydroxid geschieht. Die Industriechemikalie ist eine Lauge und wird etwa in flüssigen Abflussreinigern verwendet. Ein Vorschlag der Forschenden besteht nun darin, das Natriumhydroxid zu verdünnen und in die Atmosphäre oder den Ozean freizusetzen, wo es mit Kohlendioxid reagieren und es in einer stabilen Form einfangen würde, sodass es nicht zur globalen Erwärmung beiträgt. Einige Forschungsgruppen führen Feldversuche mit genau dieser Chemikalie für die Kohlenstoffentfernung im Meer durch, auch wenn einige davon Kontroversen ausgelöst haben. Die Forschenden haben auch das Potenzial für ein geschlossenes System dargelegt, in dem die Chemikalie gesammelt und als Nebenprodukt verkauft werden könnte.

Wie sieht die Versorgung mit Natrium für die Brennstoffzelle aus?

Es gibt wirtschaftliche Faktoren, die für Systeme auf Natriumbasis sprechen, auch wenn der Aufbau der benötigten Versorgungsketten einige Arbeit erfordern würde. Natrium wird heute nicht in großen Mengen hergestellt. Es lässt sich jedoch aus Natriumchlorid, also billigem Kochsalz, herstellen. Dazu wurde es in der Vergangenheit in größeren Mengen produziert, da es bei der Herstellung von verbleitem Benzin verwendet wurde. Es gibt also einen Präzedenzfall für eine größere Versorgungskette, und es ist möglich, dass eine Ausweitung der Produktion von Natriummetall es billig genug für die Verwendung in Brennstoffzellensystemen machen würde, sagt Chiang.

Chiang ist Mitgründer des Unternehmens Propel Aero, das die Forschungsergebnisse vermarkten soll. Das Projekt wurde im Rahmen des ARPA-E-Programms Propel-1K gefördert, das auf die Entwicklung neuer Formen von Hochleistungsenergiespeichern für Flugzeuge, Züge und Schiffe abzielt.

Der nächste Schritt besteht darin, die Forschung fortzusetzen, um die Leistung und Energiedichte der Zellen zu verbessern und mit der Entwicklung kleinerer Systeme zu beginnen. Eine mögliche frühe Anwendung sind Drohnen. "Wir würden gerne innerhalb des nächsten Jahres etwas zum Fliegen bringen", sagt Chiang. "Wenn die Leute es nicht verrückt finden, wäre ich ziemlich enttäuscht", fügt er hinzu. "Denn wenn eine Idee am Anfang nicht verrückt klingt, ist sie wahrscheinlich nicht so revolutionär, wie man denkt. Glücklicherweise halten mich die meisten Leute in diesem Fall für verrückt."

Dieser Beitrag ist zuerst bei t3n.de erschienen.

(vza)