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, kein Kobalt und auch keine seltenen Erden. 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.
Der Aufbau einer Flussbatterie
Die Elektrolytflüssigkeit – Der eigentliche Speicher der Flussbatterie
Der Stack – Das Herzstück der Flussbatterie
Die Redox Reaktion und die chemische Speicherung von Energie in einer Flussbatterie
Leistung und Kapazität einer Flussbatterie können unabhängig erweitert werden
Flussbatterien sind besonders langlebig
Die nachhaltige Alternative
Keine Brand- oder Explosionsgefahr
Die Flussbatterie im Vergleich zur Lithiumbatterie
Für welche Anwendungen werden Flussbatterien bereits eingesetzt?
Die Flussbatterie als Heimspeicher
Forschungsschwerpunkt Flussbatterie
Zukunftsrelevante Technologie - Vielversprechende Marktaussichten
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Eine Redox Flussbatterie besteht im Kern aus drei Bauteilen: den getrennten Flüssigkeitstanks, den Pumpen zum Flüssigkeitstransport und dem sogenannten Stack.
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.
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.
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.
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.
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 Batteriespeicher für PV-Anlagen.
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 Elektrolytflüssigkeit hat eine hohe Recyclingfähigkeit. Sie kann ausgetauscht und selbst nach jahrzehntelanger Nutzung weiterverwendet werden. Die Flüssigkeit enthält kein Lithium, kein Kobalt und auch keine seltenen Erden. 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.
Beispielsweise laufen Solaranlagen mindestens 20 Jahre. Ein Redox-Flow-Heimspeicher muss in dieser Zeit nicht ein Mal ausgetauscht werden.
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.
Mehr Informationen zur Brandgefahr bei PV-Speichern
Redox Flussbatterien werden bisher vor allem in Gewerbe und Industrie eingesetzt:
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.
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.
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.
Studien deuten darauf hin, dass Redox Flussbatterien zukünftig eine größere Rolle im Stromspeicher-Markt einnehmen werden.
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