Redox-Flow-Batterie: Flüssige Stromspeicher für Solaranlagen

Redox-Flow-Batterien - auch Flüssigbatterie, Flussbatterie oder Nasszelle genannt - basieren auf einem flüssigen elektrochemischen Speicher. Dieser besteht aus einem Elektrolyt (häufig Vanadium), der in Tanks in unterschiedlichen Oxidationsstufen gespeichert wird. Der Strom wird ähnlich wie bei der Brennstoffzelle an einer Membran produziert. Die Größe der Membran bestimmt die Leistung (kW), die Energie (kWh) hängt von der Tankgröße ab - der Menge der eingesetzten Flüssigkeit.

Bisher ist ihre Fertigung noch sehr aufwändig, den Redox-Flow-Stromspeichern wird jedoch ein großes Potenzial als Netzspeicher für die Energiewende, etwa zur Verschiebung von Sonnenenergie für den Verbrauch während der Nacht, prognostiziert.

• Energie und Leistung können bei der Redox-Flow-Batterie unabhängig voneinander skaliert werden.
• Redox-Flow-Batterien benötigen zur Herstellung keine seltenen Rohstoffe wie z. B. Lithium. Das Vanadium für den gängigen Vanadium-Akkumulator gehört zu einem der häufigsten Elemente.
• Redox-Flow-Batterien sind feuersicher, weil ein „thermal runaway“, also eine unkontrollierte Erhitzung, ausgeschlossen werden kann.
• Zudem sei sie weniger giftig und auch ein Recycling sei im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterie kein Problem.
• Aufgrund einer geringen Energiedichte sind die Batterien groß und schwer und für Elektronikgeräte oder Elektroautos eher ungeeignet.

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.

Bis heute wurden mehr als 60 verschiedene Redox-Flow-Batterie-Systeme in der Fachliteratur beschrieben. Nur wenige wurden jedoch kommerzialisiert bzw. werden als wirtschaftlich einsetzbare Batterietypen angesehen.

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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.

Die Speicherkapazität von Redox-Flow-Batterien kann unabhängig von ihrer elektrischen Leistung skaliert werden kann. Denn die beiden Elektrolyte für die negative und positive Elektrodenseite werden in separaten Tanks gelagert. Damit ist die Speicherkapazität im Prinzip nur durch die Größe der Tanks und die Menge der Elektrolyte limitiert.

Redox-Flow-Batterien benötigen zur Herstellung zudem keine seltenen Rohstoffe wie z. B. Lithium. Das Vanadium für den gängigen Vanadium-Akkumulator gehört zu einem der häufigsten Elemente. Sie sind außerdem feuersicher, weil ein „thermal runaway“, also eine unkontrollierte Erhitzung, ausgeschlossen werden kann und weniger giftig. Auch ein Recycling sei im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterie problemlos möglich.

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.

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.

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Zudem wird an kostengünstigeren und umweltfreundlicheren Elektrolyten geforscht. Im Gegensatz zu herkömmlichen, metall-basierten Systemen werden hierzu organische Moleküle als Elektrolyt herangezogen.

Ein Grundstoff für organische Elektrolyte kann Lignin als Bestandteil der Struktur einer jeden Pflanze und Abfallprodukt der Zellstoff- und Papierproduktion bilden. Nach einer elektrochemischen und chemo-katalytischen Lignin-Spaltung werden Chinone gewonnen, die dann als Elektrolyt fungieren.

Neben Chinonen werden auch Ferrocyanide als organische Elektrolyten für Redox-Flow-Stromspeicher erforscht. Diese nicht-toxischen und nicht-korrosiven Ionen sind bereits im Eisen gebunden und somit ungefährlich. Sie werden u.a. auch in der Lebensmittelindustrie als Zusatzstoff und als Düngemittel eingesetzt.

Redox-Flow-Batterien müssen bisher für jedes Anwendungsszenario neu angepasst werden. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt daher derzeit ein automatisches Batterie-Management, mit dem die Redox-Flow-Batterie sowohl im Lade- als auch im Entladezyklus immer an ihrem effizientesten Punkt betrieben werden kann. Die elektrische Effizienz werde dabei vor allem durch die Pumpgeschwindigkeit bestimmt: Läuft die Pumpe schneller laufen, sinkt der Innenwiderstand und damit auch der Verlust bei der Energieumwandlung et vice versa.

Allerdings benötigt das System dann mehr Energie für die Pumpe. Je nachdem wieviel Leistung benötigt wird, regelt das Management der Redox-Flow-Batterie-Management einen Kompromiss beider Zielgrößen ein. Eine weitere wichtige Komponente für einen effizienten Betrieb sei außerdem das thermische Management, weil auch eine Kühlung Energie kostet und zur richtigen Zeit erfolgen muss.

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