Salzwasser-Akku selbst gebaut

Lithium-Akkus sind teuer und in der Herstellung umweltschädlich. Billiger und umweltschonender speichern Salzwasserbatterien Strom.

Die Energiewende und damit einhergehende Entlastung der Umwelt gilt als das zentrale Thema der Gegenwart. Es geht dabei nicht nur darum, die eigentliche Energieerzeugung ökologischer zu gestalten, sondern alle Aspekte der Energiewirtschaft zu betrachten. Es nutzt nichts, den sauberen Solarstrom in Lithium-Ionen-Akkus zu speichern, die bei ihrer Herstellung für massive Umweltschäden sorgen. Auch das Recycling dieser Akkus gestaltet sich problematisch. Für den stationären Einsatz bietet die Salzwasserbatterie eine wirklich ökologische Alternative.

Jeden Mensch prägen sein Wissen und seine Erfahrungen. Als der Autor das erste Mal von der Energiespeicherung mit Salzwasserbatterien hörte, war der erste Gedanke: Das kann doch gar nicht funktionieren. Was ist mit der elektrochemischen Spannungsreihe, Anode und Kathode aus demselben Material? Nein, das geht nun wirklich nicht. Ein einfacher Versuchsaufbau brachte schnell Licht ins Dunkel. Spoiler-Alarm: Es funktioniert!

Versuchsaufbau

Unser recht einfach gehaltener Versuchsaufbau besteht aus drei Marmeladengläsern, in denen sich mit Taschentüchern umwickelte Bleistiftminen befinden. Als Elektrolyt befindet sich in den Gläsern eine Lösung aus Glaubersalz – ein fester Bestandteil vieler Hausapotheken.

Haben Sie kein Glaubersalz im Haus, sorgt beispielsweise Amazon für Abhilfe [1]. Glaubersalz verhält sich im Vergleich zu Lithium absolut harmlos. Das einzige, was es bei der Einnahme zuweilen verursacht ist Durchfall, weswegen es auch als natürliches Abführmittel dient.

Um viele Ionen für den Ladungstransport zu aktivieren, sollte man möglichst viel Salz im Wasser lösen. Wie Abbildung 1 erkennen lässt, lassen sich bei einer Raumtemperatur von 20 Grad Celsius etwa 20 Gramm Glaubersalz in 100 Milliliter Wasser lösen [2]. In unsere Marmeladengläser passen zufällig jeweils rund 100 Milliliter Wasser, also lösen wir 20 Gramm Glaubersalz in jedem davon auf.

Abbildung 1: Wie viel Salz sich in Wasser lösen lässt, zeigt dieses Diagramm. Die blaue Linie steht für Glaubersalz. (Wikimedia, TheKiteGuy, CC0 1.0)

Das Laden und Entladen des Akkus steuert ein Programm. Ein Relaismodul [3] schaltet die Verbindungen zum Netzteil und Verbraucher. Zum Messen des Stroms verwenden wie ein INA3221-Modul [4]. In diesem Versuch benötigen wir zwar nur einen der drei Messeingänge, aber das Modul war schon in der Bastelkiste vorhanden. Der Artikel “Unter Strom” aus RPG 02/2019 [5] beschreibt die Funktionsweise des Moduls. Den Schaltplan zum Versuchsaufbau finden Sie auf Abbildung 2, den komplette Aufbau zeigt die Abbildung 3.

Abbildung 2: Schaltplan des Versuchsaufbaus zum Messen der Lade- und Entladezyklen.

Abbildung 3: Unser Versuchsaufbau für die Salzwasserbatterie in natura.

Setup

Für das Projekt setzen wir das aktuelle Raspberry Pi OS Lite ein. Mit dem RPI-Imager [6] transferieren Sie das System auf die Speicherkarte.

Das INA2331-Modul steuern Sie über die I²C-Schnittstelle an, die Sie dazu via sudo raspi-config aktivieren müssen. In der Oberfläche navigieren Sie zu 5**Interfacing Options | P5**I2C und wählen dort JA. Nun benötigen Sie auf dem RasPi noch Java sowie einige zusätzliche Werkzeuge, die Sie mit den Kommandos aus Listing 1 einrichten.

$ sudo apt update
$ sudo apt upgrade
$ sudo apt install default-jdk i2c-tools wiringpi

Jetzt beginnen Sie mit dem Test des Versuchsaufbaus. Zunächst einmal scannen Sie den I²C-Bus, um die vorhandenen Geräte zu finden (Listing 2). Das INA2331-Modul meldet sich erwartungsgemäß unter der Adresse 0x40.

$ i2cdetect -y 1
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: 40 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- --

Mit den Kommandos aus Listing 3 testen Sie den richtigen Anschluss des Relais. Mit den Zeilen 1 und 2 versetzen Sie die GPIOs in den Ausgabemodus. Zeile 3 aktiviert das Relais 1 zum Laden an, Zeile 4 schaltet es wieder aus. Die Zeilen 5 und 6 erledigen dasselbe für das Relais 2. Die Schaltlogik des Relaismoduls arbeitet invertiert, das soll uns aber nicht weiter verwirren.

$ gpio mode 1 out
$ gpio mode 4 out
$ gpio write 1 0
$ gpio write 1 1
$ gpio write 4 0
$ gpio write 4 1

Programm zum Messen

Um die Ladung in unserer Selbstbaubatterie zu berechnen, brauchen wir ein kleines Programm, das beim Laden und Entladen den Strom und die Zeit misst. Erreicht der Entladestrom 0 Milliampere, ist die Batterie vollständig entladen.

Beim Laden verhält sich die Sache schon etwas kniffliger, da wir die Ladeschlussspannung des Akkus nicht kennen. Wir laden einfach ein gewisse Zeit mit einer Spannung von 12 Volt. Prinzipiell sollte man mit einer Spannung laden, bei der noch keine Gase aus der Batterie austreten. Falls also Ihr Aufbau zu sprudeln beginnt, nehmen Sie bitte die Ladespannung zurück.