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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. 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.

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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.

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

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.

Vollverschweißter Redox-Flow-Batterie-Stack mit 5 Batteriezellen und einer Leistung von ca. 450 Watt (Foto: Fraunhofer UMSICHT)
Vollverschweißter Redox-Flow-Batterie-Stack mit 5 Batteriezellen und einer Leistung von ca. 450 Watt (Foto: Fraunhofer UMSICHT)

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.

Überblick über praxisnahe Redox-Flow-Batteriesysteme mit protischen Elektrolyten
einphasig (flüssig) zweiphasig (hybrid)
Vanadium/Vanadium (All-Vanadium) Zink/Brom
Vanadium/Brommonochlorid Zink/Chlor
Chrom/Eisen Zink/Vanadium
Schwefel/Brom Zink/Cer
Chinone/Brom Vanadium/Sauerstoff
Blei/Blei

Vor- und Nachteile der Redox-Flow-Technik im Vergleich

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.

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.

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/ EnergiespeicherEnergiedichte
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
VorteileNachteile
Keine Selbstentladung der BatterieHohes Gewicht wg. komplexem Aufbau
Wirkungsgrade weit über 80% Erschwerte Montage und Aufstellung
Hohe Lebenserwartung, über 10.000 Ladezyklen möglichGeringe Energiedichte bedingt höheren Platzbedarf
Umweltfreundlich, sicher und recycelbarPreise aufgrund des Entwicklungsstands noch sehr teuer
Speicherkapazität unabhängig von ihrer elektrischen Leistung skalierbarAls Stromspeicher für Elektronikgeräte oder Elektroautos eher ungeeignet

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Anwendungsgebiete und Anbieter von Redox-Flow-Batterien

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.

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)

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.

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)

Mit der Verkleinerung der Batteriegrößen sind auch Redox-Flow-Batterien im privaten Bereich als PV-Stromspeicher einsetzbar. Kleinformatige Redox-Flow-Batterien wurden u.a. von Volterion, einem Spin-off von Fraunhofer UMSICHT, entwickelt.

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)

Die VoltStorage GmbH, ein 2016 in München gegründetes Startup, bietet seit Anfang 2018 kleine Redox-Flow-Batterien mit 6,8 kWh Speicherleistung an. "VoltStorage SMART" ist mit jedem Hausanschluss und jeder Photovoltaik-Anlage kompatibel. Mit Speicherkosten von 10 Cents pro kWh macht er Lithium-Ionen Stromspeichern ernsthafte Konkurrenz.

Der VoltStorage SMART ist mit 6,8 kWh ein Redox-Flow-Stromspeicher für kleinere Solaranlagen. Mit Speicherkosten von 10 Cents pro kWh macht er Lithium-Ionen Stromspeichern ernsthafte Konkurrenz. (Foto: VoltStorage GmbH)
Der VoltStorage SMART ist mit 6,8 kWh ein Redox-Flow-Stromspeicher für kleinere Solaranlagen. Mit Speicherkosten von 10 Cents pro kWh macht er Lithium-Ionen Stromspeichern ernsthafte Konkurrenz. (Foto: VoltStorage GmbH)

Zukünftige Entwicklung der Redox-Flow-Batterie

Da Redox-Flow-Batterien gerade bei großen Leistungen und großen Kapazitäten im Megawatt- bzw. Megawattstunden-Bereich Vorteile bieten, richten sich die Forschungsbemühungen primär auf die kostengünstige Herstellung und Optimierung auf unterschiedliche Anwendungsfälle.

Entwicklung von Bipolarplatten

So stellt u.a. derzeit noch die Herstellung von großformatigen, dünnen und gleichzeitig mechanisch stabilen Bipolarplatten eine Herausforderung dar, mit denen Einzelzellen zu Stacks zusammengefügt werden, um eine Redox-Flow-Batterie mit technisch nutzbaren Spannungs- und Leistungswerten zu konfigurieren.

Fraunhofer UMSICHT hat eine Bipolarplatte entwickelt, die kostengünstig im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden kann. (Foto: Fraunhofer UMSICHT)
Fraunhofer UMSICHT hat eine Bipolarplatte entwickelt, die kostengünstig im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden kann. (Foto: Fraunhofer UMSICHT)

Forschung an neuen Elektrolyten

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.

Batteriezelle eines Organic-Flow-Systems auf Lignin-Basis (Foto: CMBlu Projekt AG)
Batteriezelle eines Organic-Flow-Systems auf Lignin-Basis (Foto: CMBlu Projekt AG)

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.

Verbesserung des Batterie-Managements

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.

Das am KIT entwickelte Batterie-Management zum dezentralen Überwachen und Regeln von Redox-Flow-Batterien macht einen einfachen „stand alone“-Betrieb möglich. (Foto: Markus Breig, KIT)
Das am KIT entwickelte Batterie-Management zum dezentralen Überwachen und Regeln von Redox-Flow-Batterien macht einen einfachen „stand alone“-Betrieb möglich. (Foto: Markus Breig, KIT)

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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"Redox-Flow-Batterie als Stromspeicher" wurde am 03.12.2018 das letzte Mal aktualisiert.