Redox Flow Batterien - eine Technologie im Aufbruch

Mit dem stetig größer werdenden Anteil nicht-kontinuierlicher Stromquellen (Wind- und Solarenergie) gewinnen grundlastfähige Energiespeicher eine immer größere Bedeutung. Eine Speichertechnik, die langfristig das Potential dazu hat, ist die Redox-Flow-Technologie. Denn sogenannte Vanadium-Redox-Flow- Batterien (VRFB) bieten sogar die Möglichkeit, die bislang als Grundlast-Versorger eingesetzten Kohlekraftwerke zu ersetzen.

Vanadium-Redox-Flow Batterien sind eine erprobte Technologie mit vielen Vorteilen. Im Prinzip wird eine Vanadium-basierende Lösung aus zwei Tanks an einem Stack von Protonenaustausch-Membranen vorbeigeführt. An diesen Membranen erfolgt eine Reduktions- und eine Oxidationsredaktion, bei der Elektronen frei werden. Diese versorgen den äußeren Stromkreis.

Die Protonen-Austausch-Membrane CCM (Catalyst Coated Membrane) ist dabei der Membrane einer Brennstoffzelle vergleichbar und verbraucht sich im Betrieb nicht.

Die Vanadium-basierenden Redox Flow Batterien (VRFB`s) sind nicht brennbar und können Tausende Male geladen und entladen werden. Ihre Lebensdauer wird mit bis zu 20 Jahren angegeben. Und am Ende kann das verwendete Vanadium nahezu vollständig zurückgewonnen werden.

Der besondere Charme der VRFB`s ist die Möglichkeit, sie sehr einfach hoch skalieren zu können. Eine beliebige Anzahl kaskadierter Stacks stellen die benötigte Leistung zur Verfügung. Diese kann bei ausreichender Größe im Megawatt-Bereich liegen.

Die Speicherkapazität – also die verfügbare Menge an Energie insgesamt - wird dagegen nur durch die Menge der verfügbaren Elektrolyt-Flüssigkeiten bestimmt. So lange diese an der Membran vorbei strömt und die Reduktions-Oxidations-Reaktion abläuft, liefert der Stack Strom. Größere Tanks bedeuten also eine von der Leistung unabhängige Vergrößerung der Speicherkapazität. 

Deutschland hat im Jahre 2018 Strom im Wert von über 600 Millionen Euro durch Abregelung von regenerativen Energieanlagen verschwendet. Redox-Flow-Batterien können durch Umkehr des Stromflusses aufgeladen werden. VRFB`s entkoppeln also Produktion und Verbrauch und können in Zeiten, in denen ein Überschuss an Strom aus Wind- und Solarenergie besteht, diese Überschussmenge aufnehmen. Bei ausreichender Skalierung auch im Mega- oder Gigawattstunden-Bereich.

Redox-Flow-Batterien können als Quartierspeicher (Energiespeicher auf lokaler Ebene, z.B. Stadtviertel) die Nutzung von Solarstrom verbessern. Die VRF-Batterien speichern dabei tagsüber Energie von Dach-Solarflächen, ähnlich der derzeit eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien, und geben diese Energie abends wieder ab. An Ladesäulen können Sie als leistungsstarker Puffer die notwendige Leistung beim gleichzeitigen Laden mehrerer Fahrzeuge liefern, ohne dass das öffentliche Netz übermäßig belastet wird. Sie fungieren also als Sekktorenkoppler, die eine Vernetzung verschiedener Energieverbraucher und Energieerzeuger ermöglichen. Auf diese Weise können auch teure Lastspitzen in der Industrie mit Hilfe von Redox-Flow-Batterien abgefangen werden (Backup-Power, Lastmanagement) sowie netzferne Minigrids mit Strom versorgt werden. 

Skalierbarkeit, hohe Zyklenzahl und große Lebensdauer erlauben sogar den Einsatz von Redox-Flow-Batterien direkt an der Anschlussstelle stillgelegter Kohle- und Atomkraftwerke. Die elektrotechnische Infrastruktur (Transformatoren, Fernleitungsanschluss) kann nahtlos übernommen werden. Auf diese Weise kann eine nachhaltige, zuverlässige Stromversorgung ganzer Landstriche sichergestellt werden.

Ein weiterer Vorteil der Redox-Flow-Batterien ist die Möglichkeit, die Flüssig-Elektrolyte transportieren zu können. Gewöhnliche Tanklastwagen können aufgeladene Flüssigkeiten an VRFB-Standorte transportieren und entladene Vanadium-Lösung abholen. Anders wie bei Wasserstoff ist dabei keine aufwändige Technik (Transport unter Hochdruck) notwendig. Der Tankvorgang bei automobilem Einsatz wäre vergleichbar dem heutigen Tanken von Diesel oder Benzin.

Zudem ist der verwendete Rohstoff Vanadium ein bereits lange im Einsatz befindlicher Zuschlagstoff bei der Stahlherstellung. Die weltweiten Reserven sind erheblich und die benötigte Minenkapazität auf Jahrzehnte vorhanden.

Zwar besteht noch ein deutliches Optimierungspotential bei dieser Technik (Betriebsführung, Peripherietechnik wie Pumpen, Membranmaterial), doch die ersten Anbieter sind am Markt und verkaufen erfolgreich Redox-Flow-Batterien. Deutsche Anbieter sind unter anderem Volterion (Spin-Off des Fraunhofer Instituts UMSICHT) und Voltstorage. Und bei einem Wirkungsgrad von ca. 70% am Einspeisepunkt (nach Umrichter und Strombedarf der Peripherie) ist die VRFB-Technologie erheblich effizienter wie die Brennstoffzellen-Technologie (Verluste im Elektrolyseur und in der Brennstoffzelle sowie Transport und Lagerung).

Vor- und Nachteile

Vorteile:

  • Trennung von Energiespeicher (Tanks) und Energiewandler (Stack), leicht skalierbar und auch nachträglich erweiterbar
  • Sehr große Zyklenzahl (>10.000 Zyklen) und hohe Lebensdauer von 10 – 20 Jahren
  • Guter Wirkungsgrad am Einspeisepunkt von 65…75%
  • Lade- und Entladevorgänge automatisierbar, in sich geschlossenes System, geringer Wartungsaufwand
  • Nahezu keine Selbstentladung
  • Schnelle Reaktionszeit bei Lastwechseln
  • Vollständig recyclebar
  • Kein Einsatz von seltenen Materialien oder Konfliktrohstoffen

 Nachteile:

  • Relativ geringe Energiedichte, daher größerer Platzbedarf wie z.B. Lithium-Ionen-Batterien (Faktor 10 geringer)
  • Wie bei Brennstoffzellen Membrantechnik derzeit noch teuer
  • Toxizität der Elektrolyte im Störfall

Fazit und Aussicht

Als noch relativ junge Entwicklung auf dem Speichermarkt sind technologische Fortschritte im Aufbau des Stacks genauso wie bei der Optimierung des elektrochemischen Vorgangs der Reduktion und Oxydation sehr wahrscheinlich.

Redoxflow-Batterien haben eindeutig das Potential, in Zukunft Energiemengen im Megawatt-Bereich speichern und liefern zu können bei gleichzeitig extremer Lebensdauer. Man darf ihnen eine ähnliche Karriere zutrauen, wie sie die noch viel ältere Technik der Brennstoffzelle im Moment erlebt. Die ersten Megawatt-Anlagen stehen und eine immer größer werdende Zahl an Start-Ups und alteingesessenen Firmen engagiert sich in dieser Technologie. Von Systemen für die Speicherung des im eigenen Solaranlage gewonnenen Solarstroms bis hin zu Pufferanlagen, die ganze Städte oder Industrien über Stunden oder Tage mit Leistungen im MWh- und GWh - Bereich versorgen, gibt es alles bereits als standardisiertes Produkt – der Preisvorteil anderer Energiequellen verhindert bislang jedoch die stärkere Verbreitung der Redox-Flow-Batterien.

(Februar 2020, © Gerald Friederici)