Batterien für die Energiewende - organische Redox-Flow-Batterien

Das die Energiewende nur gelingen kann, wenn elektrischer Strom ständig in der benötigten Menge zur Verfügung steht, ist ein offenes Geheimnis. Denn die fluktuierenden Energiequellen Wind und Solarenergie sind nicht vorherberechenbar. Um langfristig nach den Atomkraftwerken auch die Kohlekraftwerke abschalten zu können, braucht es verlässliche Alternativen für grundlastfähige Kraftwerke im Megawatt-Bereich

Eine Alternative ist die Wasserkraft, deren Ausbau aber in Deutschland enge Grenzen gesetzt sind. Andere grundlastfähige Quellen der benötigten Größe stehen nicht zur Verfügung. Weder Geothermie oder z.B. Biogas-Kraftwerke habe eine auch nur annähernd ausreichende Erweiterungsmöglichkeit.

Obwohl die größten Energiespeicher derzeit auf Lithium-Ionen-Batterien basieren, wird langfristig kein Weg um andere Speicher herumführen. Einer der aussichtsreichsten Kandidaten für Speicherkraftwerke ist derzeit die Redox-Flow-Technologie (RFB). Im Prinzip ist bei diesem Verfahren die Energie in zwei flüssigen Elektrolyten gespeichert. Strömen sie an einer Protonen-Austauscher-Membran vorbei, kann über einen äußeren Stromkreis elektrischer Strom abgenommen werden. Das Prinzip ähnelt der Brennstoffzelle. Allerdings verbrauchen sich die Elektrolyte nicht. Leitet man z.B. regenerativ gewonnenen Strom in die Reaktionszelle ein, kann man die Elektrolyte wieder „aufladen“. Dieses Entladen- und Aufladen der Elektrolyte wurde bei mehreren Herstellern bereits einige Zehntausend Mal durchgeführt.

Am weitesten fortgeschritten in der technologischen Entwicklung und der kommerziellen Einsetzbarkeit sind sogenannte Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFB). Sie verwenden verschiedene Oxidations- und Reduktionsstufen. Für Ihre Herstellung wird Vanadiumpentoxyd verwendet, ein Rohstoff, der auch von der Stahlindustrie gerne verwendet wird. Die Weltmarktpreise für Vanadium sind wie bei anderen Produkten von der Nachfrage, aber auch der Produktionskapazität der Minen abhängig. In den vergangenen Jahren kannte der Preis nur eine Richtung, was die Technologie der Vanadium RFB vergleichsweise teuer macht. Außerdem sind die Elektrolyte zwar nicht brennbar, jedoch bei einem Störfall akut toxisch.

Unternehmen wie die JenaBatteries GmbH, CMBlue oder Kemiwatt (Frankreich) entwickeln und verkaufen dagegen Redox-Flow-Batterien auf Basis von ungiftigen und leicht verfügbaren Rohstoffen.

CMBlu verwendet für die Herstellung seiner Elektrolyte Lignin (Chinone), einem Abfallprodukt aus der Papierindustrie, dass in enormen Mengen weltweit verfügbar ist. Anfang 2020 wird mit Hilfe dieser Technik eine 200 kW-Batterie in Alzenau installiert (im Vergleich: in Essen stehen LION-Speicher mit 15.000 kW).
Andere Hersteller verwenden elektrisch aktive Polymere oder Salz als Elektrolyt.

Da die Speicherkapazität solcher Batterien ausschließlich durch die Menge an verfügbarem Elektrolyten definiert ist, sind sie als Ersatz für große Kohlekraftwerke geeignet. Besonders große Mengen an Elektrolyten könnte man in Salzstöcken lagern. Diese riesigen Kavernen werden bereits zum Speichern von Erdgas oder Erdöl genutzt. So ist eine solche Großbatterie im ostfriesischen Jemgum geplant. Im optimalsten Fall wird die Speicherkapazität fast eine dreiviertel Gigawattstunde betragen. Damit können sogar Großstädte über einige Stunden mit Strom versorgt werden. Unzweifelhaft haben solche Kavernenkraftwerke erhebliche Vorteile. Ihr oberflächlicher Platzbedarf ist klein und die CO2 Emissionen im Vergleich zu Kohlekraftwerken gering – vorausgesetzt, der eingespeicherte Strom wird regenerative gewonnen.

Möglich macht diese Dimension von Redox-Flow Batterien der Ersatz des vergleichsweise teuren Vanadium-Elektrolyt durch Kochsalz und spezielle Polymere. Eine der großen Chemieunternehmen, die hier an vorderer Front mitspielt ist die BASF, die auch erkannt hat, dass diese Technologie Zukunft hat. Doch noch ist viel Forschungsarbeit zu leisten, um die speicherbare Energiedichte zu erhöhen. Sie liegt derzeit mindestens um den Faktor 10 unter dem von Lithiumionenbatterien.

Doch die Beteiligung von dem Automobilzulieferer Schaeffler an CMBlue zeigt, wohin die Reise bei kleineren Einheiten von Flussbatterien hin geht: zusammen mit Continental will man mit solchen Energiespeicher die benötigte Leistung an Schnelladestationen von derzeit bis zu 350 kW zur Verfügung stellen. Diese Leistung kann häufig nicht ohne Probleme vom öffentlichen Netz zur Verfügung gestellt werden. Die Batterie würde sich dann in Zeiten der Nichtnutzung wieder aufladen – bei einer erwarteten Zyklenanzahl von >20.000 und über 20 Jahre Lebensdauer eine intelligente Kombination.

Die Industrie kann mit entsprechend großen Batterien den zum Teil sehr teuren Spitzenstrom (also der Strombedarf, der über dem zwischen EVU und Unternehmen vereinbarten maximalen Strombedarf liegt) abpuffern. Vorteilhaft ist dabei, dass RFB`s reaktionsschnell sind.

Noch sind die Großbatterien im Megawattbereich Zukunftsmusik und wie bei anderen chemischen Speichertechnologien auch noch einige Optimierungsrunden zu drehen. Aber spätestens Mitte der 20er Jahre soll die erste Groß-Flussbatterie ans Netz gehen.

(Januar 2020, © Gerald Friederici)