Nachhaltige Energiespeicher auf Holzbasis
Die Entwicklung nachhaltiger Energiespeicher schreitet voran. Ein Forscherteam arbeitet an einer praxistauglichen Batterie, deren Elektrolyt auf einer pflanzlichen Verbindung aus Holz basiert. Die CMBlu Energy AG optimiert hierfür ein Verfahren zur Elektrolytgewinnung aus Lignin.
Lignin fällt als Nebenprodukt des Holzaufschlusses in Papier- und Zellstofffabriken in großen Mengen an. Elektrolyte auf Holzbasis sind erneuerbar, nicht brennbar und nicht explosiv. Sie ermöglichen die Speicherung von Energie in stationären Redox-Flow-Batterien im großtechnischen Maßstab, der für die Energiewende erforderlich ist.
Herkömmliche Redox-Flow-Batterien verwenden Elektrolyte mit gelösten Metallionen, deren Gewinnung und Recycling aufwendig und oft mit Umweltproblemen verbunden sind. Diese Stoffe sind zudem häufig knapp und teuer. Organische Verbindungen pflanzlichen Ursprungs bieten hier eine Alternative. Sie versprechen nicht nur eine höhere Wirtschaftlichkeit, sondern sind auch regenerierbar und potenziell nachhaltiger als metallische Verbindungen. Lignin, einer der drei chemischen Hauptbestandteile von Holz, ist eine solche Quelle.
Optimierung der Elektrolytgewinnung aus Lignin
Die CMBlu Energy AG und ihre Partner konnten bereits die grundlegende Machbarkeit Lignin-basierter Elektrolyte demonstrieren. Im aktuellen Vorhaben soll das Verfahren gemeinsam mit sechs Partnern aus Wissenschaft und Industrie unter Umwelt- und Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten weiter optimiert werden.
Das kontinuierliche Verfahren, das wir in FOREST II mit unseren Partnern erarbeiten möchten, erschließt eine nachhaltige und nahezu unbegrenzte Quelle zur Gewinnung von Ausgangsstoffen für unsere organischen Elektrolyte.
Das Projektteam plant unter anderem die Entwicklung spezieller Filtrationsmembranen und die Erprobung elektrochemischer Syntheserouten, um die Ausbeute der Zielmoleküle bei der Produktion der Elektrolyte aus Lignin zu erhöhen.
Im gesamten Prozess von der Ligninfragmentierung bis zur Elektrolytproduktion entstehen diverse Nebenströme, die unter anderem Furfural, Vanillin und Syringasäure enthalten. Die Forscher wollen Trennverfahren zur Gewinnung dieser verwertbaren Stoffe entwickeln. Dies könnte Zellstofffabriken ermöglichen, zu Bioraffinerien ausgebaut zu werden, die in einem integrierten System Cellulose zu Zellstoff sowie Lignin zu Ausgangsstoffen für Elektrolyte und weitere Chemikalien umwandeln.
Die aus dem Lignin abgetrennten Zielmoleküle sind chemisch gesehen Chinone. Diese bieten aufgrund ihrer Eigenschaften ein hohes Potenzial für eine wirtschaftliche Batterieproduktion. Chinone lassen sich mit günstigeren Elektrodenmaterialien als herkömmliche Aktivmaterialien kombinieren. Zudem handelt es sich im Vergleich zu Metallionen um größere Moleküle, was den Einsatz günstigerer Membranen für den Ladungsausgleich in den Batteriezellen ermöglicht. Die organischen Elektrolyte sind zudem weder brennbar noch explosiv.
Hintergrund und Projektpartner
Die CMBlu Energy AG entwickelt skalierbare, stationäre Stromspeicher, sogenannte Organic-Flow-Batterien, die bis in den Gigawattbereich reichen können. Bislang werden hierfür organische Moleküle auf Basis fossiler Rohstoffe eingesetzt. Mit Elektrolyten auf Lignin-Basis könnten diese Großstromspeicher einen nachhaltigen Beitrag zur Energiewende leisten, auch hinsichtlich ihrer eigenen Rohstoffbasis. Angesichts kritischer Diskussionen um Batterierohstoffe findet dieses Projekt in der Energiewirtschaft Beachtung.
Die einzelnen Projektpartner konzentrieren sich auf unterschiedliche Schwerpunkte:
- CMBlu erforscht die Reaktionsführung und -optimierung im kontinuierlichen Membranreaktor, Substituenten für Elektrolyte auf Ligninbasis zur Verbesserung der Wasserlöslichkeit und Verschiebung des elektrochemischen Potenzials sowie optimierte Elektroden für Chinonelektrolyte.
- Die Technische Hochschule Mittelhessen konzentriert sich auf die Abtrennung von Zielprodukten (Syringaldehyd, Vanillin) und Nebenprodukten (z.B. Furfural, Syringasäure, Vanillinsäure) mittels keramischer Membranen sowie auf Verfahren zur Regeneration verbrauchter Elektrolyte.
- Die MANN+HUMMEL GmbH entwickelt keramische Membranen und Membranmodule für die Aufbereitung und Filtration des Lignins sowie die thermisch-chemische Umwandlung zu Zwischen- und Endprodukten der Elektrolytherstellung. Diese Membranen erfordern eine hohe Beständigkeit gegenüber Prozesstemperaturen und chemischen Substanzen.
- Die AG Janek / Nachwuchsgruppe Schröder an der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) beschäftigt sich mit der Charakterisierung der eingesetzten Elektrodenmaterialien und der elektrochemischen Analyse der organischen Aktivmaterialien in verschiedenen Lösemitteln.
- Die AG Wegner der JLU befasst sich mit der Synthese neuer Leitstrukturen organischer Aktivmaterialien, deren Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und der metallfrei katalysierten Ligninspaltung.
- In der AG Mollenhauer der JLU werden quantenchemische Rechnungen zur Optimierung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Elektrolyten und zum Verständnis möglicher Degradationsmechanismen durchgeführt.
- Die Johannes Gutenberg-Universität Mainz entwickelt elektrochemische Syntheserouten zur effizienteren und nachhaltigeren Gewinnung Chinon-basierter Aktivmaterialien und stellt Analyseverfahren zur Erforschung von Degradationsmechanismen bereit.
Das Vorhaben „Neuartige Lignin-basierte Elektrolyte für den Einsatz in Redox-Flow-Batterien (FOREST II)“ wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) gefördert.
Redox-Flow-Batterien – Funktionsweise und Vorteile
Redox-Flow-Batterien eignen sich für die stationäre Energiespeicherung, da ihre Speicherkapazität unabhängig von ihrer elektrischen Leistung skaliert werden kann. Die beiden Elektrolyte für die negative und positive Elektrodenseite werden in separaten Tanks gelagert. Die Speicherkapazität wird somit durch die Größe der Tanks und die Menge der Elektrolyte bestimmt.