Technologie vor 117 Tagen

bi-ION – Energie der Zukunft

nanoFlowcell Flusszellen-Energie ist saubere und umweltgerechte Energie. Produziert wird diese aus bi-ION, einer salzigen Elektrolytlösung, die entgegen mancher Vermutung aber nichts mit Meerwasser zu tun hat. bi-ION ist das Ergebnis von zwei Jahrzehnten Forschung und Entwicklung im Bereich der molekularen Nanotechnologie.

Was haben wir Menschen mit einer nanoFlowcell® Flusszelle gemeinsam? Beide brauchen Elektrolyte. Menschen brauchen Elektrolyte zum Funktionieren, denn Elektrolyte sind für unseren Körper und dessen Wasserhaushalt lebenswichtig. Elektrolytmangel führt, oft zusammen mit Flüssigkeitsmangel, schnell zu gesundheitlichen Beschwerden und lebensbedrohlichen Zuständen. Die nanoFlowcell® braucht Elektrolyte, um ihre Funktion zu erfüllen, indem sie damit Elektrizität produziert; saubere und umweltgerechte Energie, um den durch die "schmutzigen", fossilen Energieträger verursachten, zunehmend lebensbedrohlichen Zustand unserer Umwelt, zukünftig zu verbessern.

Die Technologie

Die nanoFlowcell® arbeitet nach dem Prinzip einer Redox-Flow-Batterie (RFB) oder Flusszelle und wird häufig auch als Flüssigbatterie bezeichnet. Diese Bezeichnung weist auf eine wichtige Eigenschaft der nanoFlowcell® hin: sie produziert Elektrizität mittels Flüssigkeiten. Im Zusammenhang mit Flusszellen werden diese Flüssigkeiten Elektrolytlösungen genannt.

Im Falle von bi-ION besteht diese Elektrolytlösung aus einer leitfähigen Flüssigkeit - dem Lösungsmittel Wasser sowie hierin gelösten anorganischen und organischen Salze - und dem eigentlichen Elektrolyten, ein im DigiLab der nanoFlowcell Holdings Ltd entwickeltes, nanotechnisch verändertes Molekül. Oder anders ausgedrückt: Nanopartikel.

Das Größenverhältnis von einem Nanopartikel in bi-ION zu einem Fußball ist ähnlich dem von einem Fußball zur Erde

In herkömmlichen Redox-Flussbatterien sind es gelöste Redox-Salze, die den Energietransfer verantworten. Im bi-ION sind die Energiespeicher suspendierte Nanopartikel, die eine wesentlich höhere Energiedichte pro Volumen zulassen, als reguläre Redox-Elektrolytflüssigkeiten.

Die Zusammensetzung dieses Moleküls (Elektrolyt) sowie seine realisierbare Konzentration in der Lösung erlauben eine für Elektrolytlösungen sehr hohe Energiedichte (> 600Wh/l). Der Elektrolyt speichert elektrische Energie in chemischen Verbindungen. Er enthält die für den Reaktionsprozess entscheidenden Ionen und ist die chemische Verbindung in bi-ION, die Ionen dissoziiert. Die genaue Molekularstruktur ist ein Firmengeheimnis der nanoFlowcell Holdings und Gegenstand der fortdauernden Flusszellen-Forschung des Unternehmens. Denn anders als andere Forschungseinrichtungen, ist die Arbeit der nanoFlowcell Holdings rein privatfinanziert. Daher will das Unternehmen die chemische Zusammensetzung des bi-ION Elektrolyten und die Membranstruktur der nanoFlowcell® erst mit Beginn der Kommerzialisierung zum Patentschutz anmelden und anderen Forschungsinstituten Einblick in seine Forschungsergebnisse gewähren. Nach Einschätzungen des Unternehmens besteht noch ein komfortabler technologischer Vorsprung zu konkurrierenden Redox-Flusszellensystemen. (>)

bi-ION Elektrolytlösungen. Hier eingefärbt um positiv- und negativ-geladene Lösungen voneinander zu unterscheiden

Die in der nanoFlowcell® verwendete spezielle Elektrolytlösung heißt nicht von ohne her bi-ION: Das Wort bi-ION steht für "bi" wie zwei und "ION" wie Ionen. Denn obwohl pauschal immer von DER Elektrolytflüssigkeit bi-ION gesprochen wird, handelt es sich dabei um zwei Elektrolytflüssigkeiten - ein positiv geladener Elektrolyt und ein negativ geladener Elektrolyt. Trotz dieser Ladungen ist die leitende Flüssigkeit selbst elektrisch neutral.

Die zwei energiespeichernden Elektrolyte zirkulieren in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen denen in der galvanischen Zelle der nanoFlowcell® mittels einer speziellen Membran der Austausch der positiven und negativen Ionen erfolgt. In der Zelle findet die eigentliche chemische Reaktion in Form einer Reduktion oder Oxidation statt, wobei elektrische Energie frei wird. Kurz formuliert: chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.

Die Elektrolyte werden dabei neutralisiert. Anders als bei herkömmlichen Redox-Flusszellen, in denen der Entladungsvorgang reversible ist, also die Elektrolyte wieder "geladen" werden können, ist der Vorgang in der nanoFlowcell® irreversibel. Nach der Entladung ist bi-ION nicht wieder aufladbar.

Im Vergleich mit den reversiblen Elektrolytlösungen in herkömmlichen Redox-Flusszellen gelang es, durch diese Bedingung eine wesentlich höhere Energiedichte zu realisieren. nanoFlowcell kombiniert dabei den Komfort einer betankbaren Batterie mit der Energieleistung einer Festkörperbatterie.

Das nanoFlowcell®-System kann verschieden designt, sich den Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen anpassen. Bei mobilen Anwendungen hat man sich für ein offenes System entschieden. Die energiespeichernden Elektrolyte werden außerhalb der Zelle in getrennten Tanks aufbewahrt. Um die verbrauchten Elektrolyte nicht unnötig mitzuführen und damit die Tanks sich entleeren, wird die verbrauchte Elektrolytlösung in einem nanoFlowcell®-betriebenen Elektroauto während der Autofahrt freigesetzt. Das heißt, die verbrauchte Elektrolytlösung wird gefilterte, die geringe Menge Feststoffe im Filter gelagert und die verbleibende Flüssigkeit als reines Wasser an die Atmosphäre abgegeben. Nach rund 10.000 Kilometern Fahrtstrecke oder einer Durchflussmenge von etwa 1.500 bis 2.000 Liter bi-ION muss der Filter getauscht werden. Je nach Anwendungsanspruch, lässt der Filter sich so konstruieren, dass er zu 100 Prozent recyclingfähig ist.

Die Tanks können an Tankstationen wieder befüllt und der Akkumulator so mit frischem bi-ION wieder "geladen" werden. Kein umständliches Austauschprozedere der Elektrolytflüssigkeiten, oder gar Tausch des gesamten Akkumulators mit Wandlertechnik und Gehäuse.

Eine Besonderheit der nanoFlowcell® (auch Tertiärzellen) im Vergleich zu Primärzellen (Batterien) und Sekundärzellen (Akkumulatoren) ist nicht nur die Speicherung der chemischen Energieträger außerhalb der Zelle, sondern dass diese von außen kontinuierlich zur Verfügung gestellt werden können. Durch die freie und unabhängig voneinander einstellbare Skalierbarkeit von Energiemenge und Leistung ist die kontinuierliche Zuführung von Elektrolytlösungen möglich, was einen kontinuierlichen und im Prinzip zeitlich unbeschränkten Betrieb der nanoFlowcell® und somit einen zeitlich unbegrenzten Energiefluss zulässt - eine Eigenschaft, die die nanoFlowcell® für terrestrische Anwendungen zunehmend interessant macht (Stichwort "Small-Grid").

Obendrein hat das nanoFlowcell®-System eine sehr geringe Selbstentladung und eine hohe Standzeit. Letztere basiert darauf, dass die Membran bei der Reaktion des Elektrolyten selbst chemisch nicht reagiert und damit nicht degeneriert. Das Unternehmen gibt eine Garantie auf die Hardware der nanoFlowcell® von 50.000 Betriebsstunden. In einem Elektrofahrzeug entspricht das einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 45 km/h einer Fahrleistung von 2,25 Millionen Kilometern.

Wir Tanken wie bisher. Doch für die Umwelt ändert sich mit bi-ION viel.

Energiekosten

Die Produktion von bi-ION erfordert einen sehr komplexen Verfahrensablauf mit mehreren Produktionsstufen. Das bi-ION, das aktuell noch auf Laborebene entsteht, kann ohne Einschränkungen auch industriell erzeugt werden. Eine erste Prototypenanlage hat eine Produktionskapazität, um mehr als 40 Tanklaster mit bi-ION zu befüllen - täglich. Sämtliche chemischen Substanzen werden im Laufe des Produktionsprozesses gesundheits- und umweltneutral verwertet. Es entstehen keine giftigen oder gefährlichen Neben- und Abfallprodukte. Produktionsrückstände werden der Produktion wieder zugeführt.

Für die Produktion von bi-ION ist Energie nötig. Die genauen Energiewerte sind abhängig von der Gestaltung der Produktionsanlagen. In einem ideal angeordneten Produktionsablauf wird deutlich weniger als ein kWh Strom eingesetzt, um die Menge bi-ION mit dem energetischen Gegenwert von einem kWh zu produzieren (Anm. d. Red.: wie bei anderen Energieträgern auch, beinhaltet dies nicht die Erschließung der Rohstoffe). Bei großtechnischer Produktion liegen die reinen Produktionskosten (inklusive der verwendeten Rohstoffe) bei unter 0,10 Euro pro Liter bi-ION Elektrolytlösung. Eine beispielhafte Produktionsanlage für bi-ION hätte ein Produktionsvolumen von rund 2 Millionen Liter täglich (etwa 1,2 MW). Ein solches Produktionsvolumen ist ausreichend um kontinuierlich rund 300.000 nanoFlowcell-betriebene Elektrofahrzeuge mit bi-ION zu versorgen.

Die für die Produktion von bi-ION benötigten Rohstoffe sind fast überall auf der Welt gut verfügbar, unterliegen keinerlei Beschränkungen und sind wirtschaftlich zu erschließen. Somit ist bi-ION - im Gegensatz zu Erdöl, Kohle oder auch Lithium-Ionen-Batterien - ein unpolitischer Energieträger. Wenn es nach der nanoFlowcell Holdings geht wird jedes Land vor Ort sein eigenes bi-ION produzieren können, um unabhängig den lokalen Energiebedarf im mobilen und terrestrischen Bereich zu decken. Die Vertriebsinfrastruktur könnte analog zu der von Benzin- und Dieselkraftstoffen sein; Autofahrer können zukünftig ihre nanoFlowcell-betriebene Fahrzeuge wie gewohnt an Tankstellen bequem innerhalb weniger Minuten betanken - nur mit sauberem bi-ION anstatt mit fossilen Kraftstoffen.

Eine wichtige Frage ist: wieviel Energie muss ich einsetzen und wieviel Kosten muss ich aufwenden, um Energie mobil zu machen? Im Vergleich zu herkömmlichen Batterien und Wasserstoff, ist bi-ION ein sehr effizienter Energieträger.

Vorsicht vor Milchmädchenrechnungen, wenn es um die Energieeffizienz geht!

Beim Aufladen von Lithium-Ionen-Batterien entstehen Ladeverluste, die bis zu 20 Prozent betragen können. Um eine 50 kWh Li-Ion-Akku aufzuladen braucht man also etwa 60 kWh Ladestrom. Viele Faktoren bestimmen die Effizienz des Ladens: Eine Schnellladung führt demnach zu höheren Defiziten als eine mehrstündige Normalladung. Für eine Reichweite von 100 Kilometern braucht ein herkömmliches Elektroauto rund 16 kWh (>).

Zum Vergleich benötigt ein Brennstoffzellenfahrzeug für die gleiche Reichweite von 100 Kilometern etwa ein Kilogramm Wasserstoff. Für die Produktion von einem Kilogramm Wasserstoff mittels Elektrolyse müssen jedoch 100 kWh Energie eingesetzt werden. (>). Denn bei Wasserstoff gehen von der Elektrolyse bis zur Wasserstofftankstelle mindestens 50 Prozent der Energie verloren - für Kompression, Verflüssigung, Transport, Umfüllen usw. Ohne die nachgelagerten Ineffizienzen werden zur reinen Herstellung von einem Kilogramm Wasserstoff etwa 55 kWh Strom benötigt.

Wenn man bedenkt, dass lediglich 50 Prozent des für die Elektrolyse benötigten Stroms als nutzbarer Wasserstoff zur Verfügung steht, wird sich der aus Strom gewonnene Wasserstoff aufgrund der Ineffizienz der Wasserstoffkette sicherlich nicht durchsetzen (>).

Die Vorteile

Im Vergleich zu der scheinbar überlegeneren Lösung mit Lithium-Ionen-Batterien als Antriebsenergie in Elektroautomobilen, weiß nanoFlowcell® als das effizientere, praktischere und umweltgerechtere System zu überzeugen. Da die Produktion von bi-ION an keine räumlichen und geographischen Vorgaben gebunden ist, sind Produktionsorte mit regenerativen Energiequellen (Sonne, Wind, Gezeiten, etc.) prädestiniert für eine umweltgerechte und nachhaltig organisierte Produktion von bi-ION. Anders als bei regulären E-Fahrzeugen, die ihren Strom "aus der Steckdose" beziehen, der derzeit nahezu exklusiv aus Kohle- oder Nuklearkraftwerken bezogen wird, müssen für bi-ION keine fossilen Energieträger verbrannt werden. Die nanoFlowcell Holdings unterstützt regenerative Energien zur Erzeugung der für die bi-ION-Produktion benötigten Elektrizität.

Daher hat bi-ION das Potential, einer der wesentlichen Energieträger der Zukunft zu werden. Seine Energiedichte ist überzeugend. Wasserstoff oder Lithium-Ionen-Akkus verlagern derzeit lediglich die CO2-Emissionsproblematik, wohingegen bi-ION diese erst gar nicht entstehen lässt. Bei der Produktion und der Nutzung von bi-ION in der nanoFlowcell entstehen keine übermäßigen oder gar schädlichen Treibhausgase. Im Gegenteil: Regenerativ erzeugt, leistet bi-ION Energie einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz.

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