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REDOX FLUSSBATTERIE – ENERGIESPEICHER OHNE KAPAZITÄTSVERLUST

EINE SICHERE ALTERNATIVE ZUR LITHIUMBATTERIE

Die Redox Flussbatterie – auch Redox-Flow-Batterie, Flusszelle, Flowcell-Batterie oder Flüssigbatterie genannt – wurde bisher vor allem in Gewerbe und Industrie eingesetzt. Als Heimspeicher ist sie erst seit Kurzem verfügbar.

Die Flussbatterie ist eine mit Flüssigkeit befüllte Batterie, die nicht brennen oder explodieren kann. Sie benötigt kein Lithium oder seltene Erden wie Kobalt. Durch Ihren Aufbau gelten Redox Flussbatterien als langlebiger, sicherer und nachhaltiger als herkömmliche Akkus.

Erfahren Sie, wie eine Redox Flussbatterie funktioniert, wo sie bereits erfolgreich angewendet wird und was für Vor- und Nachteile diese Technologie gegenüber anderen Speichertechnologien hat.

Aufbau einer Flussbatterie

DER AUFBAU EINER FLUSSBATTERIE

Eine Redox Flussbatterie besteht im Kern aus drei Bauteilen: den getrennten Flüssigkeitstanks, den Pumpen zum Flüssigkeitstransport und dem sogenannten Stack.

Aufbau einer Flussbatterie mit Elektrolytflüssigkeit

DIE ELEKTROLYTFLÜSSIGKEIT - DER EIGENTLICHE SPEICHER DER BATTERIE

In den Tanks der Batterie befindet sich die Elektrolytflüssigkeit. Sie speichert die eingespeiste elektrische Energie in chemischer Form. Die Elektrolytflüssigkeit besteht aus einer reaktiven chemischen Verbindung. Das Bild links zeigt Elektrolyttanks, wie sie in industriellen Anwendungen eingesetzt werden.

Redox Flussbatterien mit Vanadium in der Elektrolytflüssigkeit sind mit Abstand am weitesten verbreitet. Vanadium erlaubt eine hohe Zellspannung und damit auch eine hohe Leistung. Das Vanadium im Elektrolyten liegt in verschiedenen Oxidationsstufen in zwei voneinander getrennten Tanks vor. Mit Hilfe der Pumpen zirkuliert die Elektrolytflüssigkeit und wird durch den Stack transportiert.

 

Stack einer Flussbatterie

DER STACK –
DAS HERZSTÜCK DER FLUSSBATTERIE

Der Stack besteht aus mehreren in Reihe angeordneten galvanischen Zellen, die in ihrem Aufbau Brennstoffzellen ähneln. In ihnen wird elektrische Energie zur Speicherung in chemische Energie umgewandelt und umgekehrt.

Jede Zelle wird durch eine halbdurchlässige Membran in zwei Halbzellen aufgeteilt. Die Membran erlaubt es Ionen, von der einen in die andere Elektrolytlösung überzutreten.  Sie sorgt außerdem dafür, dass die unterschiedlich geladenen Lösungen sich nicht vermischen.

In jeder Halbzelle befindet sich enganliegend an die Membran eine Elektrode. Sie besteht in der Regel aus einer Graphitfaserstruktur. Diese Struktur bietet eine maximale Oberfläche und kann von der Elektroytflüssigkeit bestmöglich durchströmt werden.

Redox Reaktion in einer Flussbatterie

DIE REDOX REAKTION UND DIE CHEMISCHE SPEICHERUNG VON ENERGIE IN EINER FLUSSBATTERIE

Das Redox in „Redox Flussbatterie“ steht für die sogenannte „Redox-Reaktion“ (Reduktion und Oxidation). Je nachdem, ob die Flussbatterie geladen oder entladen wird, findet in einer der Halbzellen des Stacks eine Reduktion und in der anderen Halbzelle eine Oxidation des Vanadiums statt. Dabei nimmt das Vanadium bei der Reduktion Elektronen auf und gibt bei der Oxidation Elektronen ab.

Durch unterschiedliche Oxidationsstufen ergibt sich eine Potentialdifferenz zwischen den Elektrolyten. Dadurch findet ein Ionenaustausch über die Membran statt, während die Elektronen über die Elektroden zum außen angelegten Stromkreis transportiert werden. So wird die in den Elektrolytlösungen chemisch gespeicherte Energie in Form von elektrischem Strom nutzbar gemacht.

Kapazität und Leistung einer Flussbatterie erweitern

LEISTUNG UND KAPAZITÄT EINER FLUSSBATTERIE KÖNNEN UNABHÄNGIG ERWEITERT WERDEN

Die Leistung der Batterie wird durch Anzahl und Größe der galvanischen Zellen bestimmt, die sich im Stack befinden. Durch eine höhere Leistung kann der Speicher schneller aufgeladen und entladen werden.

Die Kapazität ist hingegen vollständig von der Menge der Elektrolytflüssigkeit abhängig, also der Größe der Tanks. Je mehr Elektrolytflüssigkeit vorhanden ist, desto mehr Metallionen können genutzt werden, um die Energie chemisch zu speichern.

Aufgrund dieser Eigenschaften können Leistung und Kapazität unabhängig voneinander erweitert werden. Das ist ein erheblicher Vorteil gegenüber anderen Arten von Batteriespeichern.

Entwicklung der Kapazität einer Flussbatterie

FLUSSBATTERIEN SIND BESONDERS LANGLEBIG

Die nutzbare Leistung als auch die Kapazität bleiben bei Redox Flussbatterien auch über lange Zeit sehr stabil. Grund dafür ist ihr Aufbau: Die Elektrolytlösung im geschlossenen System kann ohne Kapazitätsverluste beliebig oft aufgeladen werden. Damit sind Redox Flussbatterien zyklenfest. Selbstentladungen, die bei einer Flussbatterie nur über Kontakt zwischen den beiden Elektrolytflüssigkeiten entstehen könnten, sind durch die Lagerung in zwei separaten Tanks minimal. Nach 20 Jahren Vollnutzung einer Vanadium Redox-Flow-Batterie ist die Kapazität noch zu 95% vorhanden.

DIE NACHHALTIGE ALTERNATIVE

Die Elektrolytflüssigkeit hat eine hohe Recyclingfähigkeit. Sie kann ausgetauscht und selbst nach jahrzehntelanger Nutzung weiterverwendet werden. Die Flüssigkeit enthält kein Lithium oder seltene Erden wie Kobalt. Das oft verwendete Vanadium ist weit verbreitet. Es wird als Vanadium-Erz abgebaut oder aus Abfallprodukten der Erdölproduktion gewonnen.

Redox Flussbatterien sind außerdem modular aufgebaut. Während eine defekte Lithiumbatterie nicht ohne weiteres reparierbar ist, kann bei einer Flussbatterie das defekte Teil einfach ausgetauscht werden. Auf diese Weise wird eine hohe Lebensdauer erreicht und es fällt weniger Geräteabfall an

KEINE BRAND- ODER EXPLOSIONSGEFAHR

Flussbatterien sind besonders sicher. Die Elektrolytflüssigkeit besteht zu einem Großteil aus Wasser. Es besteht daher weder eine Explosions- noch eine Brandgefahr. Eine thermische Kettenreaktion wie bei Lithiumbatterien ist komplett ausgeschlossen.  

Flussbatterie in Vergleich zur Lithiumbatterie

DIE FLUSSBATTERIE IM VERGLEICH ZUR LITHIUMBATTERIE

  • Lithiumbatterien werden in hohen Stückzahlen produziert. Dadurch sinken die Preise fortlaufend.
  • Die Wirkungsgrade der beiden Batterietypen sind beide hoch. Jedoch hat die Lithium-Ionen-Batterie eine höhere Energiedichte. Redox Flussbatterien sind daher größer und schwerer als Lithium-Ionen-Batterien mit der gleichen Kapazität.
  • Flussbatterien zeichnen sich durch eine höhere Lebensdauer aus.
  • Flussbatterien sind im Gegensatz zu Lithiumbatterien nicht brennbar.
Anwendung einer Flussbatterie im Gewerbe

FÜR WELCHE ANWENDUNGEN WERDEN FLUSSBATTERIEN BEREITS EINGESETZT?

Redox Flussbatterien werden bisher vor allem in Gewerbe und Industrie eingesetzt:

  • Als Großspeicher in Wind- und Solarparks
  • Als Pufferbatterie für das Stromnetz
  • Für die Spitzenlastkappung in der Industrie
  • Als Stromspeicher für Mobilfunk-Basisstationen

Die größte Flussbatterie steht derzeit in China und wurde letztes Jahr im Oktober an das Netz angeschlossen. Sie hat eine Leistung von 100 Megawatt und eine Speicherkapazität von 400 Megawattstunden.

Flussbatterie als Heimspeicher von Prolux

DIE FLUSSBATTERIE ALS HEIMSPEICHER

Redox Flussbatterien werden bereits im großen Maßstab als Stromspeicher genutzt. Durch die Weiterentwicklung der Technologie ist es nun auch möglich, sie für die hauseigene Solaranlage einzusetzen. Die Größe eines Redox-Flow-Heimspeichers entspricht mittlerweile einem Kühlschrank.

Langlebigkeit, Sicherheit und Umweltverträglichkeit machen Flussbatterien zu einem idealen Energiespeicher für das Eigenheim. Durch die minimale Selbstentladung können sie Sonnenenergie auch über mehrere Tage nahezu ohne Verluste speichern. Gleichzeitig können Redox-Flow-Flussbatterien durch ihre hohe Zyklenfestigkeit ohne Bedenken beliebig oft auf- und entladen werden.

Forschung an der Elektrolytflüssigkeit einer Flussbatterie

FORSCHUNGSSCHWERPUNKT FLUSSBATTERIE

Die Redox Flussbatterie steht aktuell im Zentrum verschiedener Forschungsprojekte. Es wird intensiv an verschiedenen Redoxpaaren geforscht, also unterschiedlichen Kombinationen aus den zwei Elektrolytflüssigkeiten. Im Moment gibt es mehrere Dutzend Varianten wie zum Beispiel Bromverbindungen wie Vanadium-Brom oder Polysulfid-Bromin. Ziel ist es, eine Elektrolytlösung zu entwickeln, die möglichst günstig und nachhaltig ist. Außerdem wird versucht, den Wirkungsgrad anzuheben und die Selbstentladung weiter zu minimieren, um einen leistungsfähigen Langzeitspeicher zu entwickeln.

ZUKUNFTSRELEVANTE TECHNOLOGIE - VIELVERSPRECHENDE MARKTAUSSICHTEN

Studien deuten darauf hin, dass Redox Flussbatterien zukünftig eine größere Rolle im Stromspeicher-Markt einnehmen werden.

  • Einer Studie von Allied Market Research zufolge soll zwischen 2018 und 2026 das Marktvolumen jährlich um 15% wachsen.
  • Eine Studie von Research Dive geht von einem Marktwachstum von jährlich 13,5% zwischen 2019 und 2026 aus.
  • Die IMARC Group geht in einem im letzten Jahr veröffentlichten Bericht sogar von einem jährlichen Wachstum von 20,2% zwischen 2022 und 2027 aus.
  • IDTechEx sagt ebenfalls einen steigenden Marktanteil von Redox Flussbatterien am Energiespeichermarkt voraus.