Redox-Flow-Batterien - Der alternative Akku

Autor: Petra Dotzauer, ZAE Bayern (Stand: Dezember 2016) Internationale Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an Redox-Flow-Systemen haben Pilotanlagen mit Leistungen im kW- und MW-Bereich hervorgebracht. Demnach eignen sich Redox-Flow-Batterien sehr gut als stationäre Speichersysteme zur Zwischenspeicherung von fluktuierenden erneuerbaren Stromquellen [1].  Hauptunterschied einer Redox-Flow-Batterie gegenüber anderen Batteriesystemen ist, dass bei Redox-Flow-Batterien das Speichermedium in externen Tanks gelagert wird (Abb. 1). Beim bekanntesten System, der Vanadium-Flow-Batterie, handelt es sich beim Speichermedium um Vanadium-Ionen welche in unterschiedlichen Oxidationstufen in einer wässrigen Schwefelsäure (Elektrolyt) gelöst vorliegen. Während des Batteriebetriebs wird der Elektrolyt durch die Zellen eines Stack gepumpt, um das Medium zu laden bzw. entladen. Die Zellen sind je aus zwei porösen Kohlenstoff-Elektroden aufgebaut, zwischen denen sich eine Ionenaustauschmembran, z.B. aus Nafion befindet. An den Oberflächen der durchströmten Elektroden finden beim Laden folgende Reaktionen statt [2]:

Negative Elektrode:    V3+ + e- → V2+ Positive Elektrode:     VO2+ + H2O →  VO2+ + 2 H+ + e-

Beim Entladen laufen die Reaktionen in der umgekehrten Richtung ab. Bei 25°C und Ladezustand 50% ergibt sich eine Spannung von 1.4 V. Die an die negative Elektrode abgegeben Elektronen können dann in einem äußeren Kreislauf durch einen Verbraucher genutzt werden. Um in der Zelle einen Ladungsausgleich zu gewähren, diffundieren gleichzeitig Protonen (H+) über die Austauschmembran [2]. Der H+-Transport geschieht mittels H3O+ - Ionen, also gleichsam „huckepack“ auf H2O-Molekülen:

Durch die Trennung von Energiewandler-Einheit und Speichermedium ergibt sich der Vorteil, dass die Batterieanlage flexibel gestaltet und an ihre jeweilige Anwendung hinsichtlich Energie und Leistung angepasst werden kann. Die Leistung des Systems hängt von der Konzentration der Vanadium-Ionen sowie der Fläche und Anzahl der Energiewandler ab, wohingegen sich die Speicherkapazität durch das Volumen des Speichermediums bestimmt. Vorteilhaft für einen Einsatz als Netzspeicher sind ferner die lange Lebenszeit des Speichermediums und der modulare Aufbau [3].

Steigerung der Rentabilität erforderlich

Wegen der zunehmenden Relevanz von Energiespeichern ist die technische Optimierung der Redox-Flow-Batterie und damit die Steigerung der wirtschaftlichen Rentabilität von großer Bedeutung. Potenzielle Anwendungen erstrecken sich von PV-Anlagen mit Speicher zur Eigenverbrauchssteigerung im Heimbereich bis zur Industrieanwendung, in der zusätzliche Netzdienstleistungen von der Batterie übernommen werden können.

Schematischer Aufbau einer Redox-Flow-Batterie
Abb. 1: Schematischer Aufbau einer Redox-Flow-Batterie. (Bildnachweis: Bayern Innovativ)

Seit 2012 ist auf dem Werksgelände Redox-Flow-Batterieherstellers Sumitomo Electric in Yokohama, Japan eine 1 MW/5 MWh Vanadium-Flow-Batterie in Kombination mit einem 100 kW PV-System installiert, welche erfolgreich für das Fabrik Energiemanagement eingesetzt wird [4]. In einem aktuell laufenden Projekt des Fraunhofer ICT wird im Rahmen eines öffentlich geförderten Projekts durch das Land Baden-Württemberg und das Bundesministerium für Bildung und Forschung eine 2 MW/20 MWh Pilotanlage aufgebaut, welche dazu dient, die Kopplung mit einer 2 MW Windturbine zu untersuchen. Ein solcher Verbund könnte eine attraktive Lösung für Inselsysteme beispielsweise von industriellen Standorten oder Energiedörfern darstellen [5]. Dieses Jahr wurde ferner von Rongke Power der Bau der weltweit größten Batterie mit 200 MW und 800 MWh in Nordchina angekündigt. Die Batterie soll ab 2020 für Netzdienstleistungen eingesetzt werden [6]. 

Im Rahmen des Projekts ZAE-ST (gefördert durch das Bayerische Wirtschaftsministerium) werden am ZAE Bayern Redox-Flow-Batteriesysteme in ihre Anwendung als Netzspeicher technisch und  ökonomisch analysiert. Ziel ist, Betriebsbedingung und ein optimiertes Zelldesign für einen effizienten Betrieb zu entwickeln. Hierfür werden zunächst die Verlustmechanismen in der Batterie experimentell identifizieren und analysiert. In einem weiteren Schritt werden die experimentellen Daten der Batterie mit einem Kostenmodell verknüpft, um eine umfassende techno-ökonomische Analyse der Redox-Flow-Batterie für verschiedene Anwendungsfälle zu ermöglichen.

Flexibler Redox-Flow-Batterieprüfsystem am ZAE Bayern
Abb. 2: Flexibler Redox-Flow-Batterieprüfsystem am ZAE Bayern zur Untersuchung von Einzelzellen, Industrie-Stacks und Prototypen (Bildnachweis: ZAE Bayern)
Nyquist-Diagramm einer Impedanzmessung an einer Redox-Flow-Zelle
Abb. 3: Nyquist-Diagramm einer Impedanzmessung an einer Redox-Flow-Zelle mit 2160 cm² Zellfläche zur Bestimmung der ohmschen und Aktivitätsverluste. (Bildnachweis: Bayern Innovativ)

Für die technischen Untersuchungen wurde am ZAE Bayern ein Redox-Flow-Batterietestsystem entwickelt, mit dem sich industrielle Wandlereinheiten sowie eigene Prototypen und Testzellen in einem Leistungsbereich bis zu 15 kW vermessen und charakterisieren lassen (Abb. 2). Elektrochemische Impedanzspektroskopie (Abb.3) an den Zellen sowie Spannungs-Strom-Kennlinien ermöglichen, Spannungsverluste zu bestimmen. Über Sensorik im Testsystem werden ferner die thermischen und hydraulischen Verluste quantifiziert.

Aktuelle Forschungsschritte sind eine detaillierte Aufstellung der Batteriekosten auf Komponentenebene und unter Berücksichtigung von Herstellungsverfahren sowie die technische Prüfung neuer Materialien für Membranen und Elektroden im Labormaßstab, um weitere Leistungssteigerungen der Zellen zu ermöglichen.

LITERATURANGABEN [1] G. Kear, A. A. Shan, & F. C. Walsh, Development of the all-vanadium redox flow battery for energy storage: a review of technological, financial and policy aspects, International journal of Energy Research, Vol. 36, 2012, pp. 1105-1120. [2] J. Fricke, W. L. Borst, Essentials of Energy Technology: Sources, Transport, Storage, Conservation, Weinheim 2013 [3] G. Soloveichik, Battery Technologies for Large-Scale Stationary Energy Storage, Annual review of chemical and biomolecular engineering, Vol. 2, 2011, pp. 503-527 [4] global-sei.com/sn/2014/443/8a.html (Stand: 01.12.2016) [5] www.ict.fraunhofer.de/de/komp/ae/RFBWind.html (Stand: 01.12.2016) [6] www.uetechnologies.com/news/72-unienergy-technologies-strategic-partner-to-deliver-world-s-largest-battery (Stand: 01.12.2016)