Erneuerbare Energien als Schlüssel zur nachhaltigen Energieversorgung

Es gilt mittlerweile als allgemein akzeptiert, dass erneuerbare Energiequellen wie Windkraft und Photovoltaik (PV) eine wesentliche Rolle beim Übergang zu einer nachhaltigen Energieversorgung spielen. 

Die Herausforderung: Schwankende Stromproduktion

Eine große Herausforderung liegt jedoch im schwankenden Auftreten dieser Energiequellen, das insbesondere bei der PV zu Tragen kommt. Photovoltaik liefert in der Mittagszeit ein Maximum an Energie ins Netz und hat am Abend Schwierigkeiten die Nachfrage zu decken. Im Lastprofil eines Stromnetzes führt dies zu einer charakteristischen Kurvenform, die oft als "Duck-Curve" bezeichnet wird (siehe Abb. 1). In einigen Regionen führt das bereits dazu, dass Stromerzeuger weniger geneigt sind, PV-Kapazitäten auszubauen, da diese nur wenig zusätzlichen Gewinn abwerfen. Diese Entwicklung stellt ein wachsendes Problem dar, da sie die dringend notwendige Dekarbonisierung des Stromerzeugungssektors behindert.

Die Speicherung von elektrischer Energie in Batterien ist ein geeigneter Ausweg aus diesem Dilemma, da große stationäre Batterien in der Lage sind, große Energiemengen von den Mittags- auf die Abendstunden zu verschieben. Die derzeitigen elektrochemischen Speicherlösungen stoßen jedoch auf mehrere Probleme, was zu einer hohen Nachfrage nach neuartigen, innovativen Batteriekonzepten mit Schlüsseleigenschaften wie hohe Sicherheit, Ungiftigkeit, Verwendung reichlich vorhandener Materialien und niedriger Preis führt.

Eine neue Batterietechnologie: Die Sauerstoffionenbatterie (OIB)

Sauerstoffionenbatterien (OIBs) sind eine neuartige Batterietechnologie, die kürzlich am Forschungsbereich Technische Elektrochemie der TU Wien entwickelt wurde. [https://www.tuwien.at/tu-wien/aktuelles/news/news/neue-erfindung-die-sauerstoff-ionen-batterie]. Eine OIB ist eine elektrochemische Festoxidzelle, die Sauerstoff-Stöchiometrie-Änderungen in ihren keramischen Elektroden nutzt, um Energie bei erhöhten Temperaturen von 300 - 500 °C reversibel zu speichern. 

Sicher, umweltfreundlich und ressourcenschonend

Die ausschließlich aus anorganischen Oxiden bestehenden OIBs sind – im Gegensatz zu den gängigen Batterietypen – nicht brennbar und kommen ohne giftige Bestandteile aus. Außerdem können sie in erster Linie aus sehr häufig vorkommenden chemischen Elementen hergestellt werden, wodurch die sozioökonomischen Probleme der derzeitigen Batterietechnologien vermieden werden. 

Um dieses noch recht junge Batteriekonzept zu einem "Game Changer" für die stationäre Stromspeicherung zu machen, müssen OIBs zu Hochleistungszellen weiterentwickelt werden, die auf reichlich vorhandenen Materialien basieren und mit industriell skalierbaren und kostengünstigen Methoden hergestellt werden können.

Forschung im Christian Doppler Labor für Sauerstoffionenbatterien

Das CD Labor für Sauerstoffionenbatterien treibt diese Entwicklung voran, indem es mit gezielter Grundlagenforschung OIBs auf ein Technologiereifelevel bringt, das sie für die großskalige, mehrstündige Stromspeicherung geeignet macht. Das Team, bestehend aus zwei Doktoranden, zwei PostDocs und Alexander Opitz als Leiter des CD Labors (siehe Abb. 1), konzentriert sich dabei auf die Entwicklung neuartiger, reichlich vorhandener Elektrodenmaterialien mit hoher Kapazität und Spannung für die Integration in skalierbare OIBs mittels pulverbasierter Herstellungsverfahren. 

Mit fortschrittlicher Analytik, einschließlich in-situ-Messungen der chemischen Dehnung und Röntgenabsorptionsmessungen an Elektrodenmaterialien, wird die Elektro-Chemo-Mechanik dieser Elektroden aufgeklärt. Gemeinsam mit dem Industriepartner VERBUND sollen Speicherprototypen aufgebaut und getestet werden, wobei Materialinnovationen, maßgeschneiderte Verarbeitungsmethoden und fortschrittliche Charakterisierung kombiniert werden.

Beitrag zur Energiewende

Mit diesem Ansatz wollen wir die Entwicklung von OIBs von derzeitigen Modellzellen zu einer skalierbaren, hochleistungsfähigen Stromspeicherlösung ermöglichen. Das CD Labor für Sauerstoffionenbatterien wird durch ein tiefgreifendes Verständnis der bei Verarbeitung und Betrieb von OIBs wesentlichen physikalischen, elektrischen und chemischen Phänomene einen wesentlichen Beitrag dazu leisten, OIBs als Eckpfeiler für die dringend benötigte stationäre Stromspeicherung zu etablieren und damit als Beschleuniger für den Ausbau erneuerbarer Energiequellen dienen.