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Von Volterion entwickelter 4-kW-Flow-Batterie-Stack mit integrierter Messelektronik (Quelle: Energie Agentur NRW (Frank Wiedemeier))
Energietechnik/-Anwendungen | Regenerative/Alternative Energien | Energiespeicher, Batterieanlagen

Aus dem Facharchiv: Elektropraxis

Redox-Flow-Batterien

09.03.2022

Im Schatten des Booms der Lithium-Ionen-Batteriespeicher entwickeln sich auch alternative Technologien weiter, unter anderem wird die Energiedichte 
gesteigert und die Produktionskosten werden gesenkt. Dazu gehört auch die 
Redox-Flow-Technologie.

Einem Spin-Off des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik ist es gelungen, die Herstellungskosten deutlich zu reduzieren. Der Beitrag geht auf technologische Grundlagen sowie die Vor- und Nachteile ein und stellt den aktuellen Stand der Entwicklung vor. Durch die fortschreitende Transformation des Energiesystems zu mehr erneuerbarer Stromerzeugung und steigender Elektrifizierung wächst der Bedarf an dezentralen wie auch netzgekoppelten stationären elektrischen Energiespeichern stetig. Steigende Stromkosten und neue Möglichkeiten zur Mehrfachnutzung von Speichern führen dabei zu mehr und mehr Anwendungsfällen, die den Einsatz auch ökonomisch sinnvoll machen. Getrieben durch Weiterentwicklungen im Bereich der Mobilitätsanwendungen haben sich Lithium-Ionen-Batterien zur wichtigsten kommerziellen Batterietechnologie für stationäre Energiespeicher entwickelt. Die Hauptnachteile sind jedoch die nach wie vor hohen Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde, die mangelnde Feuersicherheit und eine nur begrenzte Zyklenfestigkeit.

Redox-Flow-Technologie

Eine mögliche alternative Speichertechnologie in immer mehr Anwendungsbereichen sind Redox-Flow-Batterien. Diese ermöglichen die Speicherung elektrischer Energie in chemischer Form in Flüssigkeiten. Eine Flow-Batterie besteht aus einem Stack, dem elektrochemischen Energiewandler, welcher von zwei voneinander getrennten Flüssigkeiten (Elektrolyten) durchströmt wird. Durch Anlegen einer Spannung können die Flüssigkeiten geladen werden. Die geladenen Flüssigkeiten werden durch Pumpen aus dem Stack heraus gefördert und in Tanks gelagert. Beim Laden steigt das elektrochemische Potential zwischen positivem und negativem Elektrolyten. Durch Anlegen einer Last an den Stack können die so geladenen Elektrolyten ebenso wieder entladen werden.

Elektrolyte und Entwicklung

Als Elektrolyte können unterschiedliche Materialien von verschiedenen gelösten Metallionen bis hin zu organischen Molekülen verwendet werden. Am verbreitetsten ist Vanadium als aktive Komponente. Vielversprechende Neuentwicklungen von organischen Elektrolyten versprechen für die Zukunft weitere Anwendungen und größere Auswahl bei der Auslegung von Flow-Batterien. Der größte Vorteil von Vanadium ist, dass dieses sowohl als positiver als auch als negativer Elektrolyt verwendet werden und somit selbst beim Vermischen der beiden Flüssigkeiten kein Schaden an der Batterie entstehen kann. Vanadium-Elektrolyten gelten daher als langlebigste Variante von Flow-Batterien. Flow-Batterien eignen sich im Allgemeinen hervorragend für unterschiedlichste Speicherkapazitäten – von einigen kWh für kurze Zeiten bis mehreren MWh mit langer Entladungsdauer. Sie haben geringe zusätzliche Kosten für größere Kapazitäten, da nur größere Tanks und mehr Elektrolyt benötigt werden. Die Kapazitätsabnahme ist mit weniger als 1 % pro 1 000 Zyklen extrem gering. Schließlich sind die verwendeten wässrigen Elektrolyte nicht entflammbar, wodurch Befürchtungen wie bei Li-Ionen zur Benutzung in feuerkritischen Umgebungen wie Wohnungen, Krankenhäusern und öffentlichen Einrichtungen nicht auftreten. Flow-Batterien können in einem weiten Temperaturbereich von 0 bis 40 °C eingesetzt werden. Dies führt zu erheblichen Vorteilen für Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFBs) in den meisten Energiespeichermärkten. Die Nichtentflammbarkeit folgt aus der Zusammensetzung des Elektrolyten mit 
ca. 5 – 10 % aktiver Komponente, 10 – 20 % Leitfähigkeitszusatz wie beispielweise Schwefelsäure und einem hohen Gehalt von einfachem Wasser von 70 – 80 %. Dies bedingt jedoch eine im Vergleich mit anderen Batterietechnologien geringere Energiedichte des Vanadium-Elektrolyten von etwa 20 kWh/m3 und damit eine Beschränkung der Einsatzfähigkeit der Technologie auf stationäre Anwendungen, in denen hohe Energiedichten nicht im Vordergrund stehen. In Zukunft sind durch bessere Ausnutzung des Elektrolyten und höhere Konzentrationen aktiver Komponenten bis zu 30 kWh/m3 denkbar.

Kernkomponente Stacks

Eine der Kernkomponenten von Flow-Batterien, welche maßgeblich die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit bestimmen, sind die Stacks, die elektrochemischen Energiewandler. Diese sind im Prinzip aufgebaut aus einem Stapel von 20 bis 60 einzelnen elektrochemischen Zellen, die von positivem und negativem Elektrolyt durchflossen werden, ohne dass die beiden Flüssigkeiten sich vermischen. Membranen sorgen für eine Austauschmöglichkeit für Ionen und ermöglichen somit den Stromfluss. Graphitplatten trennen dabei die einzelnen Zellen voneinander ab. Standard-Flow-Batterie-Stacks werden in einer Filterpressenkonstruktion gebaut, bei der die Filze gegen bipolare Platten komprimiert werden, um den Ohmschen Widerstand gering zu halten, in Strömungsrahmen, die mit Hunderten von Dichtungen und einem schweren Stapelkompressionssystem aus dicken Metallendplatten und Zugankern ausgestattet sind. Der Nachteil dieser Stackbauweise ist eine leichte Leckageanfälligkeit der Dichtungsmaterialien, ein großer Platzbedarf sowie hohes Gewicht der Stacks. Durch den Einsatz neuartiger, zum Patent angemeldeter Materialien, Produktionsprozesse und Bauweisen produziert Volterion den ersten und einzigen dichtungsfreien Redox-Flow-Stack (Bild). Diese sind leistungsfähiger, kompakter, automatisiert zu produzieren und deutlich günstiger als der Stand der Technik. Aufbauend auf der neuen Fertigungstechnologie hat Volterion eine Stackproduktion am Unternehmensstandort in Dortmund mit Ausbringungsleistungen von bis zu 1 MW pro Jahr aufgebaut und wird dies auf bis zu 6 MW pro Jahr bis 2020 ausbauen. Der leichtere Stack ist flexibler einsetzbar und bietet für die Flow-Batterie-Technologie einen breiteren Anwendungsbereich. Dadurch ermöglichen Volterion-Komponenten einerseits bei Langzeitspeichern bessere und zuverlässigere Flow-Batterien und andererseits bei Anwendungen mit hoher Leistung deutlich attraktivere Speicherkosten durch günstigere Leistungskomponenten. Autor: T. Seipp
Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.