Weil Strom aus Sonne und Wind nicht gleichmäßig anfällt, sind neue effiziente Energiespeicher nötig. Aber auch für die dezentrale Stromversorgung entlegener Gebiete werden Lösungen gebraucht. Einen Ansatz dafür hat nun ein internationales Forscherteam optimiert und vorgestellt: eine solare Flüssigbatterie. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus einer Silizium-Perowskit-Solarzelle mit einem chemischen Energiespeicher in Form zweier Elektrolytflüssigkeiten. Mit einem Wirkungsgrad von 20 Prozent und einer Lebensdauer von 500 Zyklen ist diese neue Solar-Flow-Batterie deutlich leistungsfähiger als frühere Versionen.
Vor allem die Solarenergie gilt als naheliegende und einfach zu nutzende Ressource für die dezentrale Gewinnung von Strom. Denn viele ländliche Gebiete ärmerer Länder sind bis heute nicht ans Stromnetz angeschlossen, gleichzeitig steht die Sonne als Energiequelle in vielen dieser Regionen reichlich zur Verfügung. Schon kleinere Photovoltaikanlagen könnten Familien oder auch ganze Dörfer mit Strom versorgen. Bisher allerdings kommen solche Systeme nicht ohne zusätzliche Stromspeicher in Form von Blei- oder Lithiumionen-Batterien aus. “Geräte, die die Stromgewinnung aus Solarenergie und die Stromspeicherung in einer Einheit vereinen, wären aber gerade für solche Heim-Solarsysteme attraktiver”, sagen Wenjie Li von der University of Wisconsin in Madison und seine Kollegen. Sie forschen deshalb schon seit einigen Jahren an Systemen, die dies leisten können.
Solarstrom aus der Flüssigbatterie
Eines mögliche Lösung haben die Forscher nun vorgestellt. Dabei handelt es sich um eine neue Variante der sogenannten Solar-Flow-Batterie. Diese besteht aus der Kombination einer Solarzelle mit einer Flüssigbatterie – einem auch als Redox-Flow-Batterien bezeichneten Akkumulator, der die eingespeiste elektrische Energie in chemischer Form speichert und durch chemische Reaktionen wieder abgibt. Konkret werden in solchen Systemen zwei Lösungen an beiden Seiten einer halbdurchlässigen Membran vorbeigeleitet, durch die Elektronen von einer in die andere Flüssigkeit übertreten können. Jede dieser Zellen ist zudem mit einer Elektrode verbunden. Wird nun Strom angelegt, nehmen die Flüssigkeiten durch chemische Oxidation oder Reduktion Energie auf – die Flüssigbatterie wird geladen. Um die Energie wieder abzurufen, leitet man die Flüssigkeiten erneut an der Membran vorbei und löst so chemische Reaktionen aus, die die aufgenommenen Elektronen wieder freisetzen, so dass diese von den Elektroden abgeleitet werden können.
Solche Redox-Flow-Batterien können Wirkungsgrade von bis zu 80 Prozent erreichen und gelten als sehr langlebig. Weil sie allerdings eine geringe Energiedichte haben, werden gerade bei höheren Leistungen relativ große Flüssigkeitsvolumen benötigt. Doch für dezentrale Anlagen in ländlichen Räumen ist das Platzproblem meist eher sekundär, wichtiger ist vielmehr, dass sie robust und kostengünstig sind. Deshalb haben Li und sein Team nun ein System entwickelt, das eine günstige, auf organischen Elektrolyten beruhende Flüssigbatterie mit einer Solarzelle verbindet. “Die Photovoltaikzellen wandeln das Sonnenlicht in Elektrizität um und die Flow-Batterien werden durch die Solarzellen geladen, um diese Energie zu speichern”, erklärt Co-Autor Leo Liu von der Utah State University.
20 Prozent Wirkungsgrad für das gesamte System
Die Forscher optimierten das Design der Solar-Flow-Batterie, indem sie als Solarzelle eine Kombination von Silizium und Perowskit-Halbleitern nutzten. Perowskite erreichen Wirkungsgrade von bis zu 25 Prozent, weil sie ein breiteres Strahlungsspektrum als Silizium ausnutzen können. Silizium wiederum ist stabiler und auch chemisch widerstandsfähiger als Perowskit. “Indem wir beide Materialien kombinieren, bekommen wir eine hohe Effizienz mit guter Stabilität”, erklärt Li. Um die optimalen Elektrolyten für die gekoppelte Flüssigkeitsbatterie zu finden, nutzten er und sein Team elektrochemische Modellierungen. Das Ergebnis ist eine Solar-Flow-Batterie, die in ersten Tests einen Wirkungsgrad von 20 Prozent erreichte. “Diese Effizienz bezieht sich auf alle Nutzungsformen”, betont Lis Kollege Song Jin. “Man kann den Solarstrom am Tag direkt nutzen und bekommt 20 Prozent, aber man kann auch am Abend die gespeicherte Energie abzapfen und bekommt ebenfalls 20 Prozent.”
Nach Ansicht der Forscher eröffnet diese Technologie damit vielversprechende Möglichkeiten für eine dezentrale Stromversorgung vor allem in ärmeren Regionen. “Unsere Ergebnisse stellen einen großen Fortschritt hin zu einer Nutzung von integrierten Solar-Flow-Batterien in solaren Heimsystemen und anderen dezentralen Systemen für die solare Stromerzeugung und -speicherung dar”, konstatieren Li und seine Kollegen. Allerdings räumen sie auch ein, dass bis zum praktischen Einsatz noch einiges an Optimierung nötig sein wird. So muss die Lebensdauer der Batterien noch gesteigert werden und die bislang eher kleinen Laborversionen müssen zu größeren, für die Versorgung ganzer Gebäude geeigneten Systemen hochskaliert werden.
Quelle: Wenjie Li (University of Wisconsin, Madison) et al., Nature Materials, doi: 10.1038/s41563-020-0720-x
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