Erfolgreich und dennoch weitgehend unbekannt - Redox-Flow Batterien

Die Redox-Flow-Technologie hat das Potential zum Energiespeicher der Zukunft zu werden. Aber noch sind Optimierungen notwendig und serientaugliche Produktionsverfahren zu entwickeln. Dann aber stehen nahezu unbegrenzt skalierbare Speichergrößen für elektrische Energie zur Verfügung.

Was ist Redox-Flow überhaupt?

In jeder Batterie gibt es zwei „Partner“, die aufgrund einer stofflichen Umwandlung die darin chemisch gespeicherte Energie als elektrischen Strom abgeben. Oft sind es Kombinationen aus festen Anoden/Kathoden und einem flüssigen Elektrolyten. Bei Primärbatterien werden die Materialien „aufgebraucht“, eine Aufladung ist nicht möglich. Bei Akkumulatoren wie der Blei-Säure-Batterie oder wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien ist der chemische Umwandlungsprozess umkehrbar. Allerdings ist der Anzahl dieser Wiederaufladungszyklen eine deutliche Grenze gesetzt. In Bleibatterien bilden sich Ablagerungen und die Porosität (zur Verfügung stehende Plattenoberfläche) verringert sich. In Lithium-Ionen-Batterien durchdringen z.B. Dendriten langfristig den Separator und zerstören so die Zelle. Außerdem wird auch hier die elektrochemisch wirksame Oberfläche durch Ablagerungen stetig kleiner, was sich in einer reduzierten Speicherkapazität äußert.

Bei der Redox-Flow-Batterie dagegen sind beide Partner für die elektrochemische Reaktion in den heute gängigen Varianten flüssig. Positiv und negativ geladene Elektrolyte strömen an einer Membran vorbei, die keinen direkten Kontakt zulässt, aber für Ionen leitfähig ist. Beim Entladevorgang wird die Flüssigkeit auf der positiv geladenen Seite oxidiert und auf der negativ geladenen Seite reduziert – daher auch der Name Redox-Flow. Die in der negativen Halbzelle freiwerdenden Elektronen wandern durch die ionenleitende Membrane zur positiven Halbzelle (interner Stromfluss), was im externen Kreis zu einem elektrischen Stromfluß führt. Speist man eine Redox-Flow Batterie mit Strom (Aufladevorgang), dreht sich die chemische Reaktion um, sie wird zum Speicher für elektrische Energie.

Der Aufbau einer Redox-Flow-Batterie ähnelt stark der einer Brennstoffzelle. Mehrere einzelne Zellen sind miteinander in einem Stapel (Stack) miteinander verbunden. Dadurch wird die wirksame Oberfläche der Ionenaustauscher-Membrane auf kompakte Weise stark vergrößert und durch Reihenschaltung eine höhere Spannung erreicht.

Gängige Versionen von Redoxflow-Batterien arbeiten mit flüssigen Vanadium-basierenden Elektrolyten (VRF-technologie; auch Brom-Zink und Natriumbromid), Entwicklungen werden u.a. in Richtung polymerbasierende Batteriezellen mit Kochsalzlösung (JenaBatteries) oder nichtwässrige und/oder alkalische, nichtmetallische Reaktionspartner vorangetrieben. Aber auch die Semit Solid Fuel Cell (SSFC) auf Lithiumbasis (Lithium-Redox-Flow-Batterie) hat eine Chance, da sie eine deutlich höhere Energiedichte verspricht.

Vorteile der Redox-Flow Technologie

Da die Membrane beim Laden und Entladen nicht aufgebraucht wird und sich auch keine Ablagerungen bilden, kann der Vorgang beliebig oft wiederholt werden. Zyklenzahlen jenseits der 10.000 wurden schon erzielt. Neben dieser extremen Langlebigkeit gegenüber Speichertechnologien wie Lithium-Ionen-Batterien, spielt noch eine weitere Eigenschaft eine wesentliche Rolle: die nahezu unbegrenzte Skalierbarkeit. Denn theoretisch wird die Speicherkapazität nur begrenzt durch die Menge des Elektrolyts, welches in Tanks vorgehalten wird. Damit sind sogar grundlastfähige Speicher denkbar.

Überschüssiger Strom aus regenerativen Energiequellen kann mit Redow-Flow-Technologie leicht in chemisch gebundene Energie überführt werden. Diese Energie ist transportabel (ähnlich dem Prinzip des Elektrolyseurs zur Erzeugung von Wasserstoff und der örtlich davon getrennt aufgestellten Brennstoffzelle, die mit Wasserstoff wieder Strom erzeugt) und könnte an „Tankstellen“ zum Aufladen einer Redox-Flowbatterie genutzt werden. Da die Elektrolyte in zwei getrennten Tanks aufbewahrt werden und erst bei Bedarf an der Membrane zusammengeführt werden, gibt es auch keine Selbstentladung oder die Gefahr plötzlicher, unkontrollierter Energieabgabe (z.B. Thermal Runaway bei LION-Batterien). Leistung und Kapazität sind weitgehend frei skalierbar und können an den Einsatz als Speicher für Solarenergie in Hausbereich genauso wie für Stromspeicher im landesweiten Stromnetz angepasst werden. Die Effizient des elektrochemischen Energiespeichers Redox-Flow liegt zellintern bei hervorragenden 90%. Der Gesamtwirkungsgrad reduziert sich durch die Pumpen, den Umrichter und die Überwachsungselektronik bis zum Einspeisepunkt zwar auf etwa 70%. Das ist jedoch immer noch ein sehr guter Wert (Zum Vergleich: zellinterner Wirkungsgrad bei NT-PEM Brennstoffzellen max. 50%, am Einspeisepunkt dann nur noch etwa 30...35%).

Doch kein Licht ohne Schatten – diese allgemein gültige Weisheit trifft auch auf die Redox-Flow-Batterien zu. Deren technologische Entwicklung befindet sich im Prozess der Optimierung, denn Vanadium-basierende Lösungen neigen zum Beispiel zu einer irreversiblen Degradation bei höheren Temperaturen und die Elektrolyte sind im Störfall akut toxisch. Es gibt auch noch keine kostengünstige Serienfertigung. Zudem sind die verwendeten Materialien für Membrane und Bipolarplatten vergleichsweise teuer, die Leistungsdichte (30....>150 Wh/kg) noch nicht ausreichend hoch. Vor allem ist jedoch bislang noch nicht absehbar, welche chemische Kombination bis hin zu hybriden Feststoff-Redox-Flow-Batterien in Zukunft vorrangig weiterentwickelt wird. Deswegen verteilt sich die dringend benötigte Forschungskapazität derzeit noch auf viele unterschiedliche Entwicklungen.

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 zu 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 Megawattbereich versorgen, gibt es alles bereits als standardisiertes Produkt – der Preisvorteil anderer Energiequellen verhindert bislang jedoch die stärkere Verbreitung der Redox-Flow-Batterien.