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Die Eisenzeit sehnt sich nach Jahrhunderten im Schatten nach einem Comeback, und die Energiewende beschert ihr endlich einen Neuanfang. Eisen ist der Hauptbestandteil neuer groß angelegter, langfristiger Energiespeicherplattformen, die mehr erneuerbare Ressourcen in das Netz einspeisen und so Widerstandsfähigkeit und Zuverlässigkeit gewährleisten, selbst wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht.

Warum brauchen wir überhaupt neue Energiespeicherplattformen?

Lithium-Ionen-Batterie-Arrays sind zur bevorzugten Energiespeichertechnologie für erneuerbare Ressourcen geworden. Sie gleichen die Schwankungen der von Windkraftanlagen und Solarpaneelen erzeugten Elektrizität für einige Stunden aus, was ausreicht, um die meisten täglichen Netzverwaltungsaufgaben zu bewältigen und bei Bedarf auch Notstrom zu liefern.

Dennoch bringt das US-Energieministerium dieses Jahr einen neuen, 75 Millionen US-Dollar teuren, hochmodernen Beschleuniger für Energiespeichertechnologie namens Grid Storage Launchpad auf den Markt, und die große Frage ist, warum. Lithium-Ionen-Batterien können bis zum Netzmaßstab skaliert werden, wie das Beispiel zeigt 750-Megawatt Lithium-Ionen-Batterie-Array von Moss Landing in Kalifornien.

Das US-Energieministerium hat eine Antwort parat. Sie haben den Fall vorangetrieben lange Dauer Energiespeicherplattformen, die mindestens 10 Stunden oder viel länger halten können, um ein mit intermittierenden Energieressourcen gesättigtes Netz aufzunehmen. So groß die Moss Landing-Anlage auch ist, sie ermöglicht nur eine Entladungsdauer von vier Stunden.

„Während derzeit Speicher mit kürzerer Laufzeit installiert werden, um das heutige Niveau der erneuerbaren Energieerzeugung zu unterstützen, werden Speichertechnologien mit längerer Laufzeit benötigt, da mehr erneuerbare Energien im Netz eingesetzt werden“, erklärt das Energieministerium.

Neben der Verlängerung der Laufzeit des Systems strebt das Energieministerium auch eine Kostensenkung um 90 % an, unter anderem durch den Einsatz von auf der Erde reichlich vorhandenen Materialien, die keinen hohen Kosten, Lieferkettenrisiken, Toxizitätsproblemen und Brandgefahren ausgesetzt sind.

Eine bewährte Alternative steht bereits zur Verfügung, und zwar in Form von Pumpspeichersysteme für Wasserkraft. Ihre Anwendung ist jedoch aufgrund der Wasser- und Höhenanforderungen geografisch begrenzt. Aber auch soziokulturelle und ökologische Probleme können Hindernisse darstellen Umnutzung alter fossiler Energiestandorte kann eine weniger umstrittene Option anbieten.

Wieder die Rückkehr des Eisenzeitalters

Die Eisenzeit ist ein Relikt der Geschichtsschreibung des 19. Jahrhunderts, die die frühe Menschheitsgeschichte in drei chronologische Perioden unterteilt, die durch ein Schlüsselmaterial definiert werden: die Steinzeit, die Bronzezeit und die Eisenzeit. Natürlich hat keines dieser Materialien jemals die Szene vollständig verlassen. Insbesondere Eisen (chemisches Symbol Fe) spielt in der modernen Industriewirtschaft eine herausragende Rolle, da es unter anderem in der Stahlherstellung eingesetzt wird. Auch die Tatsache, dass es das vierthäufigste Element auf der Erdoberfläche ist, hilft.

Eisen hat bereits begonnen, in den Bereich der Energiespeicherung im kleinen Maßstab vorzudringen, ein Beispiel ist das neue Lithium-Eisenphosphat-Batterie für Elektrofahrzeuge entwickelt von der bekannten chinesischen Firma CATL.

Mit Unterstützung des Energieministeriums beginnen auch große Innovatoren im Bereich der Energiespeicherung, Eisen wiederzuentdecken. Ein Beispiel ist das US-Startup ESS. Das Unternehmen erhielt bereits 2012 vom ARPA-E-Büro des Energieministeriums Mittel für Projekte mit hohem Risiko und hohem Ertrag, um die Kommerzialisierung seiner neuen eisenbasierten Durchflussbatterie zu unterstützen.

Flow-Batterien nutzen die Fähigkeit zweier spezialisierter Flüssigkeiten, Strom zu erzeugen, wenn sie nebeneinander fließen und durch eine dünne Membran getrennt sind. ESS nahm den Ball und rannte damit.

„ESS hat es präsentiert Volleisen-Flow-Batterie auf der Intersolar North America im Jahr 2017 und erreichte 2019 einen weiteren Meilenstein, als das US-Verteidigungsministerium – ein großer Fan von sauberer Technologie – installierte die Energy Warehouse™-Flow-Batterie des Unternehmens im Marine Corps Base Camp Pendleton in San Diego“, SauberTechnica in 2021 vermerkt.

ESS war seitdem ziemlich beschäftigt. Neben anderen jüngsten Entwicklungen kündigte das Unternehmen im vergangenen Herbst eine neue strategische Zusammenarbeit mit Honeywell an.

„Die Beziehung baut auf der Entwicklung von Energiespeichersystemen beider Unternehmen auf und vereint das marktführende, patentierte IFB-Design (Iron Flow Battery) von ESS mit Honeywells fortschrittlicher Material- und Energiesystemkompetenz“, erklärte ESS.

Kohlestaat vernichtet Kohle mit Energiespeicherung

Form Energy ist ein weiteres US-Unternehmen, das Eisen zur langfristigen Energiespeicherung nutzt. Sein Beitrag auf diesem Gebiet ist eine Eisen-Luft-Batterie, die die Fähigkeit von Eisen nutzt, zu rosten und sich zu reformieren. „Eisen-Luft-Batterien funktionieren buchstäblich, indem sie Eisen einem Luftstrom aussetzen.“ SauberTechnica notiert im Jahr 2021. „Mit Hilfe eines Elektrolyten und einer Membran entsteht elektrischer Strom und ein Rosthaufen.“ Den Akku aufladen Es geht lediglich darum, elektrischen Strom anzulegen und den Rost wieder in Eisen umzuwandeln.“

Das ist eigentlich nicht so einfach, aber Form ist bereit, seine neue Energiespeicherplattform zu kommerzialisieren. Das Unternehmen baut seine erste Fabrik in West Virginia und wählt aus einem Pool von 500 anderen vorgeschlagenen Standorten die Industriestadt Weirton am Ohio River aus.

„Die Attraktion bestand zum Teil in der Verfügbarkeit einer geeigneten Brachfläche, dem verlassenen Weirton Steel-Werk am Ohio River.“ SauberTechnica beobachtet. „Ein weiterer Faktor war der Zugang zu Fluss-, Schienen- und Autobahntransportkorridoren.“

West Virginia blickt auf eine lange und tiefgreifende Geschichte in der fossilen Energiebranche zurück und gehört nach wie vor zu den Bundesstaaten mit der höchsten Kohle- und Erdgasproduktion in den USA. Daher ist es ein wenig ironisch zu sehen, dass West Virginia ein Energiespeicherprojekt beherbergt, das direkt auf die Kohleverdrängung abzielt der US-amerikanischen Stromerzeugung und Erdgas obendrein.

Dennoch haben einige Beamte in West Virginia die Zeichen auf der Wand der Energiewende gesehen. Ein weiterer Faktor, der die Entscheidung von Form, sich in West Virginia niederzulassen, beeinflusst, ist ein Anreizpaket in Höhe von 290 Millionen US-Dollar, das vom Ministerium für wirtschaftliche Entwicklung des Bundesstaates zusammengestellt wurde.

Anscheinend hat der republikanische Staatsschatzmeister Riley Moore nicht das gleiche Memo erhalten. Obwohl sein Heimatstaat bald eine Fabrik beherbergen wird, die neue Langzeit-Energiespeichertechnologien in das ganze Land vertreiben wird, kandidiert Moore derzeit für den Kongress mit einer protektionistischen Plattform für fossile Energien. „Ich habe die aufgeweckte Unternehmensagenda gestoppt, dem Hintertür-Waffenregister ein Ende gesetzt, für die Schulwahl gekämpft und mich gegen die radikale Öko-Energie-Lobby für unsere Jobs eingesetzt“, heißt es auf Moores Kampagnen-Website.

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Mehr und bessere Energiespeicher auf Eisenbasis für die USA

So viel dazu. Unterdessen entwickeln Forscher des Energieministeriums am Pacific Northwest National Laboratory ein neues Wasserbasierte Flow-Batterie auf Eisenbasis, mit dem Ziel, die Kosten zu senken, die Lieferkette zu vereinfachen und gleichzeitig die Leistung zu verbessern.

„Die Forscher berichten Nature Communications veröffentlicht dass ihre eisenbasierte Batterie im Labormaßstab über tausend aufeinanderfolgende Ladezyklen eine bemerkenswerte Zyklenstabilität aufwies und dabei 98.7 Prozent ihrer maximalen Kapazität beibehielt“, erklärt PNNL.

„Zum Vergleich: Frühere Studien zu ähnlichen eisenbasierten Batterien berichteten über eine um zwei Größenordnungen höhere Verschlechterung der Ladekapazität bei weniger Ladezyklen“, fügen sie hinzu.

Wie von PNNL beschrieben, ist die neue Batterie einzigartig, weil sie eine Industriechemikalie verwendet, die üblicherweise in großen Mengen verfügbar ist und als stickstoffhaltiges Triphosphonat, Nitrilotrimethylphosphonsäure oder NTMPA bezeichnet wird. NTMA wird unter anderem zur Korrosionsverhinderung in Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt.

„Phosphonate, einschließlich NTMPA, sind eine große chemische Familie, die auf dem Element Phosphor basiert. Viele Phosphonate lösen sich gut in Wasser und sind ungiftige Chemikalien, die unter anderem in Düngemitteln und Reinigungsmitteln verwendet werden“, stellt PNNL fest.

Mit NTMPA formulierte das Forschungsteam einen flüssigen Elektrolyten, der Eisen unter Umgebungsbedingungen aufnimmt und so dazu beiträgt, die Technologie zu vereinfachen und die Kosten zu senken. Bisher hat das Team eine Energiedichte von bis zu 9 Wattstunden pro Liter (Wh/L) erreicht. Das liegt weit unter der Dichte kommerziell erhältlicher Stoffe Vanadium-Flow-Batterien. PNNL geht jedoch davon aus, dass seine Iron-Flow-Batterie auf eine vergleichbare Leistung skaliert werden kann, ohne dass übermäßige Kosten entstehen.

Bleiben Sie dran, um mehr darüber zu erfahren. Das neue Grid-Storage-Launchpad startet später in diesem Jahr mit dem Ziel, neue Energiespeichertechnologien wie die neue PNNL-Flow-Batterie so schnell wie möglich in die kommerzielle Anwendung zu bringen.

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Bild: Energiespeicherforscher am Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums arbeiten daran eine eisenbasierte Flow-BatterieZiel ist es, Lithium-Ionen-Batterien hinsichtlich Dauer und Kosten zu übertreffen.

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• Quelle: https://cleantechnica.com/2024/04/01/energy-storage-innovators-plumb-iron-age-for-new-coal-killing-batteries/