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Redox-Flow-Batterie: Flüssige Stromspeicher für Solaranlagen

Wie funktionieren Redox-Flow-Batterien? Für welche Speicheranwendungen lohnen sich Redox-Flow-Batterien?

Redox-Flow-Batterien - auch Flüssigbatterie, Flussbatterie oder Nasszelle genannt - basieren auf einem flüssigen elektrochemischen Speicher. Da ihre Fertigung noch sehr aufwändig ist, werden Redox-Flow-Batterien eher in größeren Solaranlagen oder Windparks eingesetzt. Als Stromspeicher in Elektroautos bieten Redox-Flow-Batterien den Vorteil, dass sie mit flüssigen Elektrolyten aufgetankt werden können.

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Aufbau und Funktion einer Redox-Flow-Batterie

Anders als bei einem Blei-Akku oder einer Lithium-Ionen-Batterie werden bei der Redox-Flow-Batterie (Red für Reduktion = Elektronenaufnahme, Ox für Oxidation = Elektronenabgabe) flüssige Elektrolyte eingesetzt, die in zwei voneinander vollkommen unabhängigen Kreisläufen fließen. Die beiden Reaktionspartner liegen bei einer Redox-Flow-Batterie in flüssiger Form vor und zirkulieren in ihren Kreisläufen. Eine zwischengeschaltete Membran erlaubt dann einen Austausch von Ionen.

Um ungewollte chemische Reaktionen ausschließen zu können, wird als Boden ein Graphitfilz genutzt. Da die Energiespeicher der Elektrolyte außerhalb der Zellen in getrennten Tanks gelagert werden, spricht man bei der Redox-Flow-Batterie von einem elektrochemischen Energiespeicher, wie man das von der traditionellen Brennstoffzelle kennt. Energiemenge und Leistung können in diesem System unabhängig voneinander verändert werden und die eigentlichen Tanks lassen sich manuell befüllen und die Batterien könnten theoretisch auch so aufgeladen werden.

Die galvanische Zelle wird wie bereits erwähnt durch eine spezielle Membran geteilt. Die Elektrolyten der beiden Halbzellen fließen an der Membran vorbei und liefern dort die eigentliche chemische Reaktion, indem eine Reduktion oder Oxydation stattfindet. Die Elektroden des Systems bestehen in der Regel aus Graphit, um ein hohes elektrochemisches Spannungsfenster aufrecht halten zu können. Als flüssiger Elektrolyt wird ein ionisches Lösungsmittel verwendet. Zusammen mit der Zellspannung bestimmt die Elektrolyt-Konzentration die Energiedichte der Redox-Flow-Batterie. Titan, Chrom, Vanadium und Schwefel haben sich hier in der Praxis als Elektrolytlösungen bewährt.

Schematische Darstellung einer Redox-Flow-Batterie. (Grafik: energie-experten.org)
Schematische Darstellung einer Redox-Flow-Batterie. (Grafik: energie-experten.org)

Vor- und Nachteile von Redox-Flow-Batterien

Vorteile

Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus liefert eine Redox-Flow-Batterie einige entscheidende Vorteile, die besonders in Kombination mit PV-Anlagen zum Tragen kommen könnten. Eine Redox-Flow-Batterie kann Leistungen mehrerer Megawatt liefen, besitzt einen extrem hohen Wirkungsgrad sowie eine extrem lange Laufzeit. Außerdem können Selbstentladungen aufgrund des speziellen Aufbaus fast komplett vermieden werden. Da hier das Elektrodenmaterial nicht selbst mit den Elektrolyten chemisch reagiert, kann auch keine ungewollte Entladung stattfinden. Memory-Effekte treten bei Redox-Flow-Batterien generell nicht auf. Es sind mehr als 10.000 Ladezyklen möglich, die dann Lebensdauern von 20 Jahren und mehr garantieren.

Nachteile

Leider gibt es auch entscheidende Nachteile dieser innovativen Speichersysteme. Zum einen wiegen Redox-Flow-Batterien im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus wesentlich mehr und müssen daher auch anders installiert oder montiert werden. Zum anderen ist die Energiedichte noch relativ gering (maximal 70 Wattstunden), was dazu führt, dass die Speicher selbst relativ groß sind und so viel Platz (meistens in einem ganzen Container) einnnehmen.

Energiedichte von Redox-Flow-Batterien im Vergleich zu anderen Energiespeichern
Batterietyp/ Energiespeicher Energiedichte
Vanadium-Redox-Batterie ~ 25 Wh pro Liter
Bromid-Redox-Batterie ~ 50 Wh pro Liter
Bleiakkumulatoren ~ 80 Wh pro Liter
Dieselkraftstoff ~ 10 kWh pro Liter

Weiterer Nachteil, wenn man diesen so nennen mag, ist der aktuelle Preis von Redox-Flow-Batterien. Besonders große Leistungsklassen sind noch sehr teuer und lohnen nur bei echten XXL-PV-Anlagen.

Vor- und Nachteile von Redox-Flow-Batterien im Vergleich
Vorteile Nachteile
Keine Selbstentladung der Batterie Hohes Gewicht wg. komplexem Aufbau
Wirkungsgrade weit über 80% Erschwerte Montage und Aufstellung
Hohe Lebenserwartung Geringe Energiedichte bedingt höheren Platzbedarf
Über 10.000 Ladezyklen möglich Preise noch sehr teuer

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Anwendungsgebiete und Anbieter von Redox-Flow-Batterien

5 Kilowatt Redox-Flow-Batterie an der Ostfalia Hochschule. (Foto: Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften)
5 Kilowatt Redox-Flow-Batterie an der Ostfalia Hochschule. (Foto: Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften)
Redflow, ein australischer Anbieter von Flow-Batterien, bietet Zink-Bromid-Batterien (ZBM) an. (Foto: Redflow)
Redflow, ein australischer Anbieter von Flow-Batterien, bietet Zink-Bromid-Batterien (ZBM) an. (Foto: Redflow)

Besonders in großen und häufig auch kommerziellen PV-Systemen kommen Redox-Flow-Batterien bereits heute

  • als Pufferbatterien,
  • Reservequellen oder auch
  • als unterbrechungsfreie Stromversorgung zum Einsatz.

Und auch in einigen Mobilfunkbasisstationen in Deutschland arbeiten bereits heute sogenannte Vanadium-Redox-Akkus.

Eine der weltweit größten Redox-Flow-Batterien steht in einer japanischen Windkraftanlage und ist in der Lage, 4 Megawatt Leistung mit einer Speicherkraft von 6 MWh zu liefern. In Deutschland ist seit 2011 eine 5 Tonnen schwere Redox-Flow-Batterie an der Ostfalia Hochschule in Wolfenbüttel im Einsatz, die in China von der kanadischen Firma Prudent Energy gefertigt wurde.

In Europa bietet u.a die Gildemeister energy solutions, die die frühere Cellstrom aus Österreich übernommen hat, u.a. Vanadium-Redox-Batterien in unterschiedlichen Modellen (CellCube FB in 10, 20, 30 und 200 kW) an. Aber auch viele Start-Ups arbeiten derzeit an möglichst kleinen Redox-Flow-Modellen, bei denen organische Verbindungen in der Batterie zum Einsatz kommen.

Zukünftige Entwicklung der Redox-Flow-Batterie

Erste kleinformatige Redox-Flow-Batterie von Volterion, einem Spin-off von Fraunhofer UMSICHT, zur Solarstromspeicherung in Einfamilienhäusern. (Foto: Volterion / Fraunhofer UMSICHT)
Erste kleinformatige Redox-Flow-Batterie von Volterion, einem Spin-off von Fraunhofer UMSICHT, zur Solarstromspeicherung in Einfamilienhäusern. (Foto: Volterion / Fraunhofer UMSICHT)

Zwar können aktuell moderne Redox-Flow-Batterien preislich und aufgrund ihrer Größe noch nicht mit den etablierten PV-Stromspeichern konkurrieren, aber das wird sich in den kommenden Jahren wohl ändern und die Redox-Flow-Batterie eine ernst zu nehmende Alternative zu herkömmlichen Stromspeichern darstellen.

Z. B. lieferten Forscher der Universität Harvard letztes Jahr den Hinweis, dass sich Chione (ein organisches Molekül) als wesentlich kostengünstigere Energiespeicher nutzen lassen. Dieses Konzept besitzt das Potenzial, die Kosten zukünftiger Stromspeicher zu verringern und deren eigentliche Größe enorm zu minimieren.

Mit der Verkleinerung der Batteriegrößen und weiteren Kostenreduktionen in der Fertigung werden dann auch Redox-Flow-Batterien im privaten Bereich als PV-Stromspeicher einsetzbar sein.

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"Redox-Flow-Batterie als Stromspeicher" wurde am 11.07.2014 verfasst und am 14.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.