Redox-Flow-Batterie: Netzspeicher für die Energiewende

11.04.2018

Redox-Flow-Batterien sind nahezu beliebig skalierbar und benötigen zudem keine seltenen Rohstoffe. Bislang war es allerdings stets notwenig den Speicher auf das jeweilige Anwendungsszenarion auszulegen. Ein neuartiges Batterie-Management, das Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelten soll hier alledings nun Abhilfe schaffen.

Das Batterie-Management zum dezentralen Überwachen und Regeln von Redox-Flow-Batterien stellt das KIT vom 23. bis 27. April auf der Hannover Messe vor: auf der Leitmesse „Energy“ in Halle 27, Stand K51.

Die Energiewende braucht Speichermöglichkeiten um die Brücke zwischen Produktion und Verbrauch zu schließen. Zentralisierte Lösungen wie Pumpspeicherkraftwerke sind dabei nicht nur mit großem Platz- und Kapitalaufwand verbunden, sondern benötigen auch mehr Infrastruktur als dezentrale Alternativen. Neben den etablierten Lithium-Ionen Batterien etablieren sich zunehmend auch Redox-Flow-, die elektrische Energie in flüssigen chemischen Verbindungen speichert.

In Redox-Flow-Batterien kommt häufig ein Vanadium-Elektrolyt zum Einsatz, das in Tanks in unterschiedlichen Oxidationsstufen gespeichert wird, während der Strom ähnlich wie bei der Brennstoff-zelle an einer Membran produziert wird. Dabei bestimmt die Größe dieser Membran die Leistung, die Energie hängt wiederum von der Tankgröße ab, also der Menge der eingesetzten Flüssigkeit. Energie und Leistung kann bei der Redox-Flow-Batterie demnach unabhängig voneinander skaliert werden. Diese fast unbegrenzte Skalierbarkeit prädestiniert die Redox-Flow-Batterie zum Netzspeicher für die Energiewende.

Die Redox-Flow-Batterie eignet sich aber nicht für jede Anwendung. Aufgrund einer geringen Energiedichte sind die Batterien groß und schwer, für Elektronikgeräte oder Elektroautos sind leichte Lithium-Ionen-Akkus deshalb viel besser geeignet. „Bei der stationären Anwendung in großen und mittleren Modulen ist die Flow-Technologie aufgrund ihrer Skalierbarkeit aber überlegen“, sagt Professor Thomas Leibfried vom Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik des Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Außerdem sei das Vanadium für den gängigen Vanadium-Akkumulator eines der häufigsten Elemente, während die weltweiten Lithiumvorräte schon in wenigen Jahrzehnten ausgebeutet sein könnten. Für die Redox-Flow-Batterie spreche auch, dass sie feuersicher sei, 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. Dass ein Durchbruch der Flow-Technologie bisher nicht erfolgt sei, liege vor allem an der Schwierigkeit, sie effizient einzusetzen, erläutert Leibfried. Während in die Steuerung von Lithium-Ionen-Batterien bereits Jahrzehnte der Entwicklung investiert werde, befinde man sich bei der Redox-Flow-Batterie noch ganz am Anfang. Aktuell müsse sie deshalb noch für jedes Anwendungsszenario baulich angepasst werden.

Um das zu ändern, hat Thomas Leibfried mit seiner Forschungsgruppe nun ein automatisches Batterie-Management entwickelt, das zurzeit als Prototyp in einem Vanadium-Akkumulator am KIT getestet wird. Es stellt sicher, dass die Redox-Flow-Batterie sowohl im Lade-als auch im Entladezyklus immer an ihrem effizientesten Punkt betrieben wird, egal wofür sie eingesetzt wird. Die momentane elektrische Effizienz werde dabei vor allem durch die Pumpgeschwindigkeit bestimmt, erklärt Thomas Lüth, der den ersten Prototypen der automatischen Steuerung selbst zusammengelötet hat: „Lasse ich die Pumpe schneller laufen, sinkt der Innenwiderstand und damit auch der Verlust bei der Energieumwandlung. Allerdings benötigt das System dann mehr Energie für die Pumpe.“ Je nachdem wieviel Leistung im Betrieb eingefordert oder eingebracht werde, steuere das neue Batterie-Management hier den idealen Kompromiss an. 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. Wenn der aktuelle Prototyp seine Funktionalität bewiesen hat, soll das Batterie-Management miniaturisiert werden: In einer marktreifen Version wird es dann auf einem Mikrochip Platz finden.

Ein automatisches Batterie-Management ist ein wichtiger Schritt, um den Durchbruch der Flow-Technologie voranzutreiben. Am KIT findet weitere Forschung zudem am Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT statt. Dort werden die Degradationsprozesse an der Membran untersucht, um die eingesetzten Materialien zu optimieren. Außerdem wird am KIT auch der praktische Einsatz der Technologie erprobt, so wird eine Redox-Flow-Batterie samt neuer Steuerung gerade in das „Energy Smart Home Lab“ des Verbundprojekts iZEUS (intelligent Zero Emission Urban System) eingebundenen. Die Forschung am KIT zur Flow-Technologie zielt insgesamt auf eine neue Generation effizienter Batterie-Module für die Massenproduktion, die am Aufstellungsort nur noch angeschlossen werden müssen.

KIT

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