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Redox-Flow-Batterie – Erforschung neuer Stromspeicher

Foto: Redox-Flow-Batterie mit 1 kW Leistung.
Die Weiterentwicklung der Redox-Flow-Batterie. | © Fraunhofer UMSICHT

Die Technik birgt eine vielversprechende Zukunft: Redox-Flow-Batterie – der Stromspeicher, dessen Entwicklung mit hohen Erwartungen zum Speichern von Erneuerbaren Energien verbunden ist.

Während der Platz für Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland begrenzt ist und ein flächendeckendes Speichern von Strom  bei vielen anderen vergleichsweise teuer ist, ergänzt die Forschung das Stromspeicherrepertoire durch die Redox-Flow-Batterie.

Hier finden Sie die wichtigsten Informationen auf einen Blick.


Die Redox-Flow-Batterie – Hintergründe

Beträgt in Deutschland der Anteil Erneuerbarer Energien an der Gesamtstromerzeugung zur Zeit (Stand: Februar 2016) knapp 26 Prozent, so soll dieser bis zum Jahre 2025 auf das Doppelte gesteigert werden. Es werden neue Stromspeicher benötigt um den schwankend erzeugten Strom, beispielsweise durch die Windkraft- und Photovoltaikanlagen, zu speichern. Ein sicheres und konstantes Stromnetz kann so gewährleistet werden. Neben den bestehenden großen Speicherkraftwerken, wie zum Beispiel Pumpspeicherkraftwerken, sollen die Speicherbatterien eine hohe Speicherkapazität, sowie eine angemessene Flexibilität gewährleisten. Aus diesem Grund wird an einem neuen Stromspeicher geforscht: der Redox-Flow-Batterie.

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Die Redox-Flow-Batterie – Aufbau und Funktionsweise

Wie bei anderen elektrochemischen Stromspeichern handelt es sich bei der Funktionsweise der Redox-Flow-Batterie um den Austausch von Elektronen an Membranen. Allerdings findet dieser nicht wie beispielsweise beim bekannten Bleiakku zwischen zwei Feststoffen, sondern zwischen zwei verschiedenen Flüssigkeiten statt, welche außerhalb der Zelle in separaten Tanks gelagert werden. Nur zum Zeitpunkt der Entladung oder Ladung der Redox-Flow-Batterie fließen diese Elektrolyte dann durch die eigentliche Zelle. Durch die externe Lagerung und die variable Menge der Elektrolyte kann die Speicherkapazität der Redox-Flow-Batterie individuell an den Einsatzbereich angepasst werden, was einen besonderen Vorteil der Redox-Flow-Batterie darstellt. Ebenso kann die Leistung durch die sogenannten Stacks, welche aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen bestehen, variiert werden.

Am weitesten verbreitet ist die Anwendung von zwei Vanadium-Verbindungen als Elektrolyte der Redox-Flow-Batterie. Das in verschiedenen Oxidationsstufen vorliegende Vanadium gewährleistet eine große Langlebigkeit und Robustheit, da so keine Verunreinigung der Flüssigkeiten im Laufe der Ladezyklen stattfindet.

Vorteile der Redox-Flow-Batterie

  • Die bestechende Eigenschaft der Redox-Flow-Batterie ist die räumliche Trennung von Tanks und Stacks, welche die besonderen Anpassungen an den individuellen Bedarf möglich macht.
  • Aufgrund des Aufbaus findet eine besonders geringe Selbstentladung statt.
  • Der von anderen Akkus bekannte Memory-Effekt tritt bei der Redox-Flow-Batterie nicht auf.
  • Die Redox-Flow-Batterie bietet ein besonders geringes Risiko, da sie keine brennbaren Substanzen enthält.
  • Der Wirkungsgrad der Redox-Flow-Batterie liegt bereits bei über 80 Prozent, was eine gute Effizienz beweist und zusätzlich stetig durch weitere Forschung verbessert wird.
  • Die hohe Anzahl an Ladezyklen, welche bei der Redox-Flow-Batterie sogar bis zu 10.000 betragen kann, spricht ihr besonderen Wert zu und ermöglicht eine hohe Lebensdauer von bis zu 20 Jahren.
  • Leistungen, die bisher durch die Redox-Flow-Batterie erbracht werden können, liegen bei 10 Kilowatt bis zu 10 Megawatt. Dies zeigt bereits, dass sie als Stromspeicher insbesondere für große Speichervorhaben genutzt werden kann.

Nachteile der Redox-Flow-Batterie

  • Bisher weisen Redox-Flow-Batterien noch ein sehr hohes Gewicht auf.
  • Die Energiedichte der Redox-Flow-Batterie, welche heute bei maximal 70 Wattstunden (Wh) pro Liter liegt, ist relativ gering und wirkt sich auf die Größe des letztendlichen Speichers aus.
  • Die Redox-Flow-Batterie ist in großen Leistungsklassen bisher noch relativ teuer.


Anwendungsbereiche der Redox-Flow-Batterie

Bild: Stromspeicher Beispiel von Kaco. Beispiel Stromspeicher. | © Kaco

Die Entwicklung und Forschung an der Redox-Flow-Batterie geht auf die Mitte des 20. Jahrhunderts zurück. In Deutschland und den USA wurde das Speichern von Strom mittels Redox-Paaren erforscht. In den 1980er Jahren wurde die Vanadium-Redox-Flow-Batterie, die bis heute das am weitesten verbreitete Modell einer Redox-Flow-Batterie darstellt, an der University of New South Wales in Australien entwickelt.

Als großer, flexibler und leistungsstarker Stromspeicher wird die Redox-Flow-Batterie als neue Möglichkeit betrachtet, den schwankenden produzierten Stromfluss aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen auszugleichen und das Konzept der Erneuerbaren Energien zu vervollständigen.

Auf den verschiedensten Kontinenten findet die Redox-Flow-Batterie ihren Einsatz. Zahlreiche Forscher beschäftigen sich mit ihrer Weiterentwicklung. In Japan wird sie bereits als Stromspeicher einer Windkraftanlage eingesetzt, welche eine Leistung von 6 MW erzielt. Diese Leistung kann 10 Stunden lang gehalten werden, wodurch vergleichsweise lange Flauten überbrückt werden können. Allerdings ist die Redox-Flow-Batterie nicht für alle Anwendungen als Stromspeicher geeignet. Da sie ein größeres Maß an Platzbedarf für die Lagerung der Elektrolyte aufweist, wird sie vor allem für stationäre Einsatzbereiche verwendet.

Die Redox-Flow-Batterie in der Zukunft

Anfang 2014 wurde an der Harvard University die Entwicklung einer besonders preiswerten Redox-Flow-Batterie präsentiert. Diese beruht auf der Verwendung sogenannter Chinonen, welche die Herstellung zu wesentlich geringeren Kosten ermöglichen. Auch die Fraunhofer UMSICHT forscht zurzeit an Redox-Flow-Batterien und betreibt eines der größten Testlabore Europas in Oberhausen. Das Ziel dieser Forschung ist die Entwicklung von Batterien mit bis zu 2 MW Leistung. Damit sollen ca. 2.000 Haushalte mit Strom versorgt werden können.

Die Entwicklung der Redox-Flow-Batterie ist noch in vollem Gange und so gibt es zahlreiche weitere Forschungsprojekte zu diesem Stromspeicher. Die Bundesregierung unterstützt Projekte wie beispielsweise tabulAir durch die Forschungsinitiative Energiespeicher.


Die Redox-Flow-Batterie für die Photovoltaikanlage

Als langlebiger und sehr effizienter Stromspeicher ist der Einsatz von Redox-Flow-Batterien für Strom aus der Photovoltaikanlage immer wieder im Gespräch. Bisher ist dieser Stromspeicher allerdings noch sehr teuer und wird noch nicht flächendeckend eingesetzt. Auch für den privaten Einsatz kann sie bisher nicht mit den auf dem Markt verfügbaren PV-Stromspeichern konkurrieren. Mit zunehmender Forschung und Entwicklung soll sich dies schon bald ändern.


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Redox-Flow-Batterie – neuer Stromspeicher wird erforscht
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