Intention

Das „Freiburger Energielabor“
 
Die Abteilung Chemie der Pädagogischen Hochschule Freiburg hat im Rahmen des Großprojektes „Perspektiven nachhaltiger Energieversorgung" das Gebiet der Speichertechnologien und Energiekonversion in den letzten Jahren intensiv ausgebaut.
 
Es ist Anliegen des Forschungs- und Entwicklungsprojektes das Themenfeld der Speichersysteme und der Energiekonversion für Studierende an der Hochschule und auch für Schülerinnen und Schüler im Chemieunterricht oder durch externe Veranstaltungen zugänglich zu machen, denn sie werden die Generation sein, die diese Entwicklung mitgestalten wird bzw. mitgestalten muss.
 
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sind in der vergangenen Zeit völlig neuartige Experimente zu Themenfeldern rund um die Energiewende in Theorie und Praxis entwickelt worden.
 
Das Energielabor soll in erster Linie Schülerinnen und Schülern aber auch Lehrerinnen und Lehrern und der interessierten Öffentlichkeit die Möglichkeit bieten, Einblicke und Verständnis hinsichtlich verschiedener Themen rund um die Energiegewinnung, Energiespeicherung und Energiekonversion zu bekommen. Dahingehend soll im Energielabor eine fließende Vernetzung zwischen theoretischen Grundlagen, experimenteller Praxis im Labor und Einblicke in reale experimentelle Forschungsarbeiten erfolgen.
 

Im Energielabor sollen Schulexperimente zum Einsatz kommen, die tatsächliche Einblicke in Reaktionsprozesse ermöglichen bzw. diese visualisieren. Beispielsweise stellt neben den Themenbereichen Brennstoffzellen und Metall-Luft -Batterien das Themenfeld der Lithium-Ionen-Akkumulatoren eine besonders innovative Thematik im workshop I dar. In der Abteilung Chemie der Pädagogischen Hochschule Freiburg ist es gelungen, Experimente zu entwickeln, anhand derer die verschiedenen Prozesse mit schulrelevanten Materialien und Chemikalien veranschaulicht werden können. Inzwischen lassen sich der vollständige Lade- und auch Entladevorgang visuell über eine Verfärbung der Elektrode veranschaulichen und das Themenfeld umfassend für den Chemieunterricht erschließen. Im Hinblick auf das Energielabor würden die Schülerinnen und Schüler theoretische Kenntnisse über Lithium-Ionen-Akkumulatoren gewinnen und anschließend im Energielabor dazu entsprechende Experimente selbst durchführen.

 

 

Was kommt nach der aktuellen Lithium-Ionen-Akkumulatortechnologie? Legierungs-Akkumulatoren und die Entwicklung von Natrium-Ionen-Akkumulatoren sind wichtige experimentelle Bausteine der die Post-Lithium-Ionen-Technologie.

 

 

Als eine Alternative zu kohlenstoffbasierten Anodenmaterialien kommen geeignete Lithium-Metalllegierungen zum Einsatz. Lithium besitzt die interessante Eigenschaft, mit zahlreichen Metallen wie z.B. Al, Si, Sn, Pt, Ag, Au usw. Legierungen zu bilden, die auch bei Raumtemperatur reversibel Lithium-Ionen aufnehmen bzw. abgeben können. Die Leistung eines entsprechenden Akkumulators im Vergleich zu den zurzeit kommerziell eingesetzten Systemen ließe sich um den Faktor 10 steigern!

 

 

Mit der Verabschiedung des Gesetzes zu erneuerbaren Energien (EEG 2017) macht es sich die Bundesrepublik zum Ziel, den Anteil des gewonnenen Stroms aus erneuerbaren Energiequellen bis 2050 auf mindestens 80% zu erhöhen. Doch dieses Vorhaben ist mit großen Herausforderungen verbunden. Erneuerbare Energiequellen, wie Wind- und Sonnenenergie sind nicht jederzeit abrufbar, sondern eher fluktuativ nutzbar. An sehr sonnigen und windigen Tagen wird der Energiebedarf durch erneuerbare Energiequellen überschritten, an wolkigen und windstillen Tagen (sogenannten Dunkelflauten) kann der Strombedarf jedoch nicht gedeckt werden. Um das Gelingen des Vorhabens im EEG 2017 zu gewährleisten, muss der gewonnene überschüssige Strom gespeichert und an dunklen Flauten zur Stromnutzung wieder verfügbar gemacht werden. Aus diesem Grund spielen Energiespeicher eine immer größere Rolle für unsere hochtechnisierte Gesellschaft.

 

 

Anders als bei herkömmlichen Energiespeichern muss der Schwerpunkt nicht in hoher Energie- und Leistungsdichte oder in einem einfachen und kompakten Aufbau liegen. Viel wichtiger für den Einsatz als stationäre Netzspeicher sind zuverlässige und langlebige Speicher mit niedrigen Kosten bei Speicherzeiten von mehreren Stunden. Redox-Flow-Batterien bieten mit einer unabhängigen Skalierbarkeit von Energie und Leistung, einem modularen Aufbau und kostengünstigen Energiespeichermaterialien das Potential für Energiespeicher im Netzmaßstab.

 

Wie in den meisten Batterien finden auch in Redox-Flow-Zellen reversible Reaktionen an den Elektroden mittels Energieumwandlung statt. Die besondere Eigenschaft von Redox-Flow-Batterien ist, dass die redoxaktiven Substanzen fließende Medien (Flüssigkeiten, Suspensionen, etc.) sind. Dadurch ist es erst möglich, eine voneinander unabhängige Skalierbarkeit von Energie und Leistung gewährleisten zu können. Das heißt, die umzusetzenden Elektrolyte werden in einem Energiewandler entlang der Elektroden geleitet, dort oxidiert/reduziert und können im Anschluss in ihrem geladenen bzw. entladenen Zustand in separate Tanks weitergeleitet werden. In faszinierenden Experimenten werden im workshop II die Schülerinnen und Schüler Hybrid- und Full-Redox-Flow-Batterien kennenlernen und die Funktionsweise dieser stationären Energiespeicher erforschen.

 

Wenn elektrische Energie schnell abgerufen oder gespeichert werden sollen kommen sog. Superkondensatoren zum Einsatz. Daher werden in diesem workshop ebenfalls Experimente rund um die hochleistungsfähigen elektrischen-Doppelschicht-Kondensatoren (Superkondensatoren) experimentell und konzeptionell vorgestellt. Unter anderem werden die Unterschiede zwischen rein kapazitiven Effekten und Faraday’schen Prozessen erläutert, sowie erste elektrochemische Kenndaten dieses spannenden Systems mit schulischen Mitteln identifiziert und die positive bzw. negative Polarisation der Elektroden und die damit verbundene Adsorbtion von Ionen an der Elektrodenoberfläche eindrucksvoll nachgewiesen.

 

Das mit Abstand beste Material für diese Art von Superkondensatoren wäre Graphen – eine einschichtige Graphenfläche. Graphen stellt möglicherweise das Elektrodenmaterial des 21. Jahrhunderts dar. Durch Graphen können Superkondensatoren hergestellt werden, die die Energiedichte herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkumulatoren um das doppelte übertreffen würden.

 

Der Abteilung Chemie der Pädagogischen Hochschule Freiburg ist es gelungen, mit einem verblüffend einfachen und effektiven elektrochemischen Syntheseweg Graphen zu synthetisieren. Im workshop III soll experimentell eine kostengünstige, schnelle und umweltfreundliche Methode vorgestellt werden, mit der sich Graphen für die Schule und Hochschule mit einfachen Mitteln herstellen und eindeutig charakterisieren lässt. Zudem werden faszinierende physikalische und chemische Eigenschaften des Graphens experimentell untersucht und technische Einsatzmöglichkeiten diskutiert.


Ein ebenfalls wichtiger Baustein chemischer und elektrochemischer Speicher ist die Speicherung regenerativer Energien in Wasserstoff und anderen Gassystemen, sodass die Energie möglichst zeit- und auch ortsunabhängig genutzt werden kann.

 

Diese Grundidee wird in dem bundesweiten Projekt „Power to Gas“ verfolgt. Der wesentliche Gedanke des „Power to Gas“ - Konzeptes besteht darin, den durch Elektrolyse gewonnenen Wasserstoff in einem weiteren Schritt zur Methanisierung (Sabatier-Reaktion) einzusetzen. Diese „Dreamreaction“ - aus dem unerwünschten Kohlenstoffdioxid und (Solar-/Wind-)Wasserstoff leicht speicherbares Methan herzustellen – wird im workshop III mit schulrelevanten Materialien experimentell erarbeitet, es werden Nachweisuntersuchungen durchgeführt und die Bedeutung sowie Grenzen dieses Verfahrens für die Energieversorgung der Zukunft diskutiert.