BioLyte: Entwicklung von Elektrolyten für Redox-Flow-Batterien auf Basis pflanzlicher redoxaktiver Verbindungen in bio-basierten Lösungsmitteln und einer angepassten galvanischen Zelle für die technische Umsetzung

Stationäre Energiespeicher sind ein notwendiger Bestandteil eines zukünftigen Stromversorgungssystems mit hohen Anteilen volatiler regenerativer Energien. Eingesetzt in dezentralen Anwendungen tragen sie zur Steigerung der Ressourceneffizienz und gleichzeitig zur Minimierung der Kosten der Stromversorgung bei. Weitere Einsatzmöglichkeiten für Energiespeicher bieten sich bei privaten, industriellen sowie gewerblichen Anwendern an, um einerseits ihren selbst erzeugten erneuerbaren Strom (z.B. Photovoltaik) zwischenzuspeichern und andererseits, um punktuelle Spitzenlasten zu glätten und damit Stromvertragskosten zu senken.

Die für diese Anwendungen am meisten eingesetzten Energiespeicher sind elektrochemischer Natur in Form von Batterien bzw. Akkumulatoren. Für stationäre Energiespeicherung sind dabei kurz- und mittelfristig vor allem sogenannte Redox-Flow-Batterien (RFB) geeignet (Abb1). Hierbei sind die elektrochemisch aktiven Verbindungen in Flüssigkeiten gelöst, die Elektrolyte werden in großen Tanks gelagert und kontinuierlich durch eine Elektrodeneinheit gepumpt, in der das Laden und Entladen stattfindet. Der Vorteil dieser Bauart liegt darin, dass die Leistung durch die Größe der Elektroden skalierbar ist und die Energiemenge durch die Menge der gespeicherten Elektrolyte in den Tanks unabhängig davon eingestellt und modular skaliert werden kann.

Abbildung 1: Darstellung einer Redox-Flow-Batterie (RFB)

Als Elektrolyten kommen meist Metallsalze oder synthetisch aus petrochemischen Erzeugnissen hergestellte organische Verbindungen zum Einsatz. Einerseits ist die Gewinnung bzw. Herstellung dieser Materialien meist nicht nachhaltig und umweltschädlich, anderseits stellen sie durch ihre meist giftigen, korrosiven und umweltschädlichen Eigenschaften auch beim Betrieb und der Entsorgung der Batterie ein Umwelt- und Gesundheitsrisiko dar.

 Ziel dieses Projektes ist daher die Entwicklung einer nachhaltigen, umweltschonenden auf biologischen Verbindungen basierende Alternative für die Elektrolyten der RFB. Als Aktivsubstanzen sollen einerseits pflanzliche Anthrachinone und andererseits ebenfalls aus Pflanzen extrahierte Flavonoide eingesetzt werden (Abb2). Um nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion zu stehen, sollen diese Verbindungen vorzugsweise aus Rest- und Abfallströmen der Nahrungs- und Futtermittelindustrie gewonnen werden.

Abbildung 2: Die für die geplante bio-basierte Batterie maßgeblichen Redoxreaktionen von Anthrachinonen (oben) und Anthocyanen (unten) am Beispiel des im Rhabarber vorkommenden Rheins und des z.B. in Kirschen enthaltenem Cyanidins

Das in der Vergangenheit bei diesem Ansatz aufgetretene Problem der geringen Wasserlöslichkeit dieser Verbindungen wird durch ein alternatives Lösungsmittelsystem adressiert, den sogenannten natural deep eutectic solvents (NaDES), welche sich ebenfalls aus bio-basierten Stoffen zusammensetzen. Diese so hergestellten Elektrolyten sind somit vollständig bio-basiert und können daher nachhaltig und umweltschonend gewonnen werden, außerdem sind sie ungiftig, nicht korrosiv und biologisch abbaubar.

Erste Teilaufgabe des Projektes ist die systematische Entwicklung dieses bio-basierten Elektrolytsystems für RFB sowie eines optimierten Extraktionsverfahrens, um diese Stoffe aus dem Pflanzenmaterial zu gewinnen. Die neuen Lösungsmittel sollen dabei auch umfangreich charakterisiert werden, um ihre potentielle Eignung für andere Anwendungen evaluieren zu können. Zudem soll ein Prototyp für eine spätere technische Umsetzung (BioLyteCell) inkl. Herstellungsverfahren entwickelt werden welcher für die technische Anwendung geeignet ist und die gewonnenen Stoffe als Elektrolyt verwendet.

Förderkennzeichen: 031B1103B