Alternativer Energietransport, Natrium und Nickelchlorid

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1 Alternativer Energietransport, Natrium und Nickelchlorid von Andreas Kuehn Am Leuchtturm Lemwerder Datum der letzten Korrektur : Die vorliegende Arbeit wurde am im Jahr 2009 angefertigt. 1

2 Einleitung und Zielsetzung Die Natrium-Nickelchloridbatterie oder auch Zebrazelle genannt, gehört zu den Hochtemperaturbatterien. ZEBRA = Abkürzung (Zero Emission Battery Research). Die Betriebstemperatur der Batterie liegt bei 270 bis 350 C, darunter ist sie nicht einsatzfähig. Als Separator zwischen den Reaktionspartnern Natrium und Nickchlorid wird ein Keramikbecher (Beta-Alumina) verwendet. Na-beta-Aluminiumoxid ist ein Natriumionen leitender Festelektrolyt, der aus einer zweidimensionalen Schichtstruktur aufgebaut ist. Dicht gepackte spinellähnliche Al2O3-Blöcke sind durch lose gepackte Na-O-Schichten getrennt, die die Leitungsebenen bilden. NBA (Abgekürzt für Na-beta-Aluminiumoxid) zeigt bereits bei relativ niedrigen Temperaturen (T < 500 C) eine hohe ionische Leitfähigkeit, die aus der hohen Konzentration der Na-Ionen und der Diffusivität der Ladungsträger in den Leitungsebenen resultiert und das Material als festen Elektrolyten für verschiedene Anwendungen interessant macht. Abb.1 (Kathode ) (Anode) Die negative Elektrode besteht aus flüssigem, elementarem Natrium, welches sich im Zellbecher (Edelstahl) um die Keramik herum befindet. Natrium wird heute als billiges Reduktionsmittel (Preis ca. 1 Euro/kg, nicht als Feinchemikalie!!) zur Metallherstellung eingesetzt. Im Labor kann es als Trockenmittel für organische Lösungsmittel (keine Halogenierten!!!!) eingesetzt werden. Es wird als Kühlmittel in Kernreaktoren wegen seiner guten thermischen Leitfähigkeit eingesetzt, ebenso in den thermischen, parabolisch gebogenen Solarspiegeln eines Solarkraftwerks. Da die Keramik des Elektrolyten der Batterie bei höheren Temperaturen für Na + -Ionen leitfähig ist, diffundieren diese bei der Endladereaktion ins Innere als Natriumaluminat, wo dieses dann mit dem Nickelchlorid zu Kochsalz reagiert. Zusätzlich zum Nickelchlorid befindet sich noch NaAlCl 4 (im Gleichgewicht mit NaCl und AlCl 3 ) im Keramikbecher, welches vor allem im entladenen Zustand, wenn die Nickelkonzentration gering ist, für den elektrischen Kontakt zum Stromableiter (Nickelmetallstift) in der Mitte sorgt. Die Ruhespannung der ursprünglichen, nach diesem Prinzip aufgebauten Natrium-Nickelchloridbatterie beträgt über den gesamten Ladezustand konstant 2.58V bei 300 C. Ist bei der Ladung der Natrium-Nickelchloridbatterie das NaCl verbraucht, so wird in der Überladereaktion der Leitzusatz verbraucht. 2

3 U 0 =3.05V U 0 =1.58V Nickel(II)-chloride-hexahydrate Abb. 2 Nickel(II)-chlorid Hexahydrat Für eine geladene Batterie sind also Natrium und Nickelchlorid notwendig. Die beiden Rektanden werden durch einen Elektrolyten separiert. Bei den herrschenden Betriebstemperaturen sind die beiden Rektanden flüssig und der Elektrolyt fest, umgekehrt als z.b. bei der Brennstoffzelle. Um Natrium und Nickelchlorid für eine geladene Batterie vor zu legen kann entweder Natriumchlorid und Nickel vorgelegt werden, um dann durch die elektrische Ladung Natrium und Nickelchlorid daraus zu erzeugen, in der Zebrabatterie. Oder aber Natrium und Nickelchlorid, was den Rektanden einer geladenen Batterie entsprechen würde. Die Idee ist nun die elektrische Energie verlustfrei von dem Ort der Batterieladereaktion zu einem anderen Ort zur Batterieentladereaktion zu transportieren. Dazu soll die gesamte elektrische Energie umgeformt werden in die chemische Energie des Natriummetalls und dann in dieser Form drucklos und verlustfrei transportiert werden, um dann wieder in einer Art Zebrazelle in elektrische Energie umgeformt zu werden. Der Transport der gesamten Batterie inkl. der Keramikbecher wird wegen deren Gesamtmasse abgelehnt. Erst die Summe aller Komponenten kann eine Batterie bzw. einen Akkumulator ergeben. Während des Transports oder der Lagerung ist kein Strom nötig und somit kann man sich auf den Transport einzelner Komponenten oder den Reaktionspartner beschränken, was die Gesamtmasse positiv reduziert. Die Natrium-Nickelchloridbatterie wird (seit 1999 wurde) unter der Bezeichnung ZEBRA als Antriebsbatterie für Elektrofahrzeuge vermarktet. Dabei wird die Energie nicht nur ohne die Anwesenheit von Sauerstoff geliefert. Aus der Zebrazelle wird die für den Vortrieb des Fahrzeugs benötigte Energie bereitgestellt, indem bei der Entladereaktion das Natrium mit dem Nickelchlorid zu Natriumchlorid und Nickel reagiert. Zur erneuten Endladung wird dann in einer Regenerationsphase (Batterieladereaktion) wieder Natrium und Nickelchlorid erzeugt, da das Nickel zwar an der Reaktion teilnimmt, aber nicht verbraucht wird verhält es sich wie ein Katalysator zur Energiewandlung. Eine geladene Batterie enthält also Natrium und Nickelchlorid. Diese Rektanden sind das Transportmittel der elektrischen Energie und werden zu beliebiger Zeit an einem beliebigen Ort wieder zurückgewandelt in die Reaktionsprodukte Nickel und Salz. Ein Blick auf die Preise wirkt bei Natriumchloridsalz, wie auch anderswo, erhellend: Rohsalz, ob es nun aus dem Bergwerk oder der industriell betriebenen Meerwassersaline stammt, hat einen Weltmarktpreis von 0,015 0,15 Euro pro Kilogramm. Ab hier jedoch werden die Gewinnspannen astronomisch. 3

4 Abb.3 Industriesalz Salz z.b. auch das Salz aus der Meerwasserentsalzung, ist ein strategischer Rohstoff der chemischen Industrie und kann am Ort der Batterieendladung praktisch als Beiprodukt verbleiben, da das Salz über das Meerwasser neu vorgelegt werden kann, da dieses Produkt ursprünglich auch aus einer Meerwasserentsalzung stammt. Da sich der Prozess der Endladereaktion zur Gewinnung der elektrischen Energie umkehrt bei der Ladereaktion, empfiehlt sich zur Gewinnung von elementarem Natrium ein Gemisch aus Natriumchlorid und Nickelpulver durch ein Keramikrohr zu fördern und das dadurch gewonnene Natrium im Außenraum und Nickelchlorid im Innenraum zu sammeln und für eine folgende Endladereaktion an einem anderen Ort z.b. eine Seestadt, bereit zu halten. Auch sinkt dadurch die thermische Energie, da sonst die Temperatur bei der Schmelzflusselektrolyse doppelt so hoch ist. Aus Natriumchlorid und Nickel wird also Nickelchlorid und Natrium. Der Energiegewinn ist Sauerstoffunabhängig und deswegen auch z.b. unter Wasser geeignet oder an anderen Orten, an denn kein Sauerstoff verbrannt werden kann. Alternativ könnte ein Nickelpulvertransport z.b. nach Teneriffa erfolgen und da vor Ort mit dem Salz einer Meerwasserentsalzungsanlage (die Enercon hat bereits schon 1997 so eine Anlage auf Teneriffa installiert ) ergänzt werden, um dort dann in der Batterieladereaktion Nickelchlorid und Natrium zu produzieren. Das Natrium und Nickelchlorid könnte dann z.b. nach Bremerhaven transportiert werden, um dort entladen zu werden, um dann in der Batterieentladereaktion daraus wieder Nickel und Salz herzustellen. Das Nickel würde von dem Salz getrennt werden und wieder zum wiederholten Energietransport nach Teneriffa gebracht werden und der Kreislauf wäre geschlossen. Die Preise, der Rohstoffe, die über Jahre im Kreislauf erhalten bleiben, ergeben einen Ausblick, wobei sich der Preis mit jedem erfolgten Zyklus zum Energietransport ja halbiert, da die Endprodukte des Kreislaufs, die Eingangsprodukte eines erneutem Zyklus sind und keinen erneuten Finanzbedarf erfordern. 4

5 Stand der Technik Stand der Technik ist die Gewinnung von elementarem Natrium durch die Schmelzflusselektrolyse und nicht die elektrochemische Speicherung der regenerativ gewonnenen Energie in dem elementarem Natriummetall. Der Natrium/Natriumchloridzyklus H 2 O Generations step H 2 für Brennstoffzelle Na, (NiCl 2 ) Cl 2,Ni Für Zebrazelle NaCl, Ni Regenerationsstep Regenerative Energie. Abb. 5 Natrium/Natriumchloridzyklus Die ZEBRA-Batterie, die neueste Natrium-/Nickelchlorid-Batterietechnologie für Anwendungen im Bereich der Schifffahrt, bietet mit einer wartungsfreien Batterie in Leichtbauweise und Hochenergie-/ Hochleistungsdichte-Ausführung, höhere Leistung, verbesserte Nutzbarkeit und ein höheres Sicherheitsniveau. Deshalb ist dieser Batterietyp als Energiespeicher interessant nicht nur im Automobilbau sondern auch im Unterseebootbau. Als Schiffsantrieb wird dieser Typ z.b. von der Fa. Rolls-Royce umgesetzt. Interessant wären Speichereinheiten in z.b. Unterseebooten als Tankschiffe um zu setzen, die eine Ladung durch Windkraftanlagen auf schwimmenden Fundamenten ermöglichen Abseits und Außerhalb der küstennahen Nutzfläche. Bei der Ladung würde dann aus Kochsalz und Nickel, Natrium und Nickelchlorid entstehen. Unter Transportverlust würde dann ohne ein Seekabel die Energie von dem Unterseeboot im Hafen entladen werden können. 5

6 Literatur: 1.) Wasserelektrolyse: 2.) Salzelektrolyse : (Gewinnung und Darstellung) 3.) 4.) 5.) 6.) 7.) 8.) 9.) DEA/Electric_Energy_storage.pdf Datei: alternativer Energietransport.doc 6

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