Redox-Flow-Batterie – Energie sicher speichern

Redox-Flow-Batterien werden oft als Gewerbespeicher eingesetzt

WAS IST EINE REDOX-FLOW-BATTERIE?

Eine Redox-Flow-Batterie, auch Flussbatterie genannt, ist eine elektrochemische Batterie, die Energie in Form chemischer Reaktionen speichert und wieder freisetzt.

Sie besteht aus zwei Elektrolytbehältern und einer elektrochemischen Zelle, die durch Membranen voneinander getrennt sind. Die Elektrolytflüssigkeit in den Elektrolytbehältern speichert die Energie.

Die Redoxreaktion (Reduktion und Oxidation), die beim Speichern und Freisetzen der Energie abläuft, gibt der Technologie ihren Namen.

Der Vorteil einer Redox-Flow-Batterie liegt unter anderem in ihrer Skalierbarkeit. Die Kapazität der Batterie lässt sich unabhängig von der Leistung erweitern, was sie besonders für die erneuerbare Energien attraktiv macht. Sie kann als stationärer Energiespeicher in Stromnetzen, zur Glättung von Schwankungen aus erneuerbaren Energiequellen, in Off-Grid-Anwendungen und als Heimspeicher eingesetzt werden.

INHALTSVERZEICHNIS

Was ist eine Redox-Flow-Batterie?
Wie ist eine Redox-Flow-Batterie aufgebaut?
Wie funktioniert eine Redox-Flow-Batterie?
Was macht Redox-Flow-Batterien besonders/beliebt?
Brandunfähigkeit
Langlebigkeit
Nachhaltigkeit
Skalierbarkeit
Wo werden Redox-Flow-Batterien eingesetzt?
Gewerblicher Einsatz
Redox-Flow für zuhause
Die Redox-Flow-Batterie im Vergleich zur Lithiumbatterie
Forschung an der Redox-Flow-Batterie: Die Elektrolytflüssigkeit
Welche Rolle wird die Redox-Flow-Batterie in Zukunft spielen?
Der STORAC – Die Redox-Flow-Batterie für zuhause

WIE IST EINE REDOX-FLOW-BATTERIE AUFGEBAUT?

Eine Redox-Flow-Batterie ist modular aufgebaut, d.h. sie besteht aus mehreren
Komponenten, die reparierbar bzw. austauschbar sind:

Elektrolytbehälter mit der Elektrolytflüssigkeit
Es gibt zwei Elektrolytbehälter, auch Elektrolyttanks genannt, in denen sich der flüssige Elektrolyt befindet. Er speichert Energie in chemischer Form. Als Elektrolyt wird häufig reaktives Vanadiumoxid in zwei verschiedenen Oxidationsstufen verwendet, das in einer leichten Säure gelöst ist.

Stack
Der Stack besteht aus mehreren elektrisch in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen, die ähnlich wie Brennstoffzellen aufgebaut sind. In ihnen wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und umgekehrt.

Membranen
Die Zellen sind durch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran in jeweils zwei Halbzellen getrennt. Durch die Membran können Ionen von einer Elektrolytlösung in die andere gelangen, ohne dass sich die unterschiedlich geladenen Lösungen vermischen.

Pumpen
Bei einem Redox-Flow-Speicher handelt es sich um einen Flüssigspeicher. Damit der Elektrolyt aufnehmen und abgeben kann, wird dieser mittels Pumpen durch den Stack gepumpt.

WIE FUNKTIONIERT EINE REDOX-FLOW-BATTERIE?

Der Begriff "Redox-Flow-Batterie" bezieht sich auf das Redox-Prinzip, das für Reduktion und Oxidation steht. Während des Lade- oder Entladevorgangs findet in einer der Halbzellen des Stacks eine Reduktion und in der anderen Halbzelle eine Oxidation des Elektrolyten statt. Bei der Reduktion werden Elektronen aufgenommen, bei der Oxidation werden Elektronen abgegeben.

Die unterschiedlichen Oxidationsstufen erzeugen eine Potentialdifferenz zwischen den Elektrolyten. Die beiden Elektrolytflüssigkeiten mit nun sehr unterschiedlichen Oxidationsstufen können getrennt voneinander beliebig lange in den jeweiligen Tanks gespeichert werden.

Zur Abgabe der gespeicherten Energie werden sie über ein Pumpsystem wieder durch den Stack geleitet. Durch die halbdurchlässige Membran findet ein Ionenaustausch statt. Gleichzeitig werden die Elektronen über die Elektroden in den äußeren Stromkreis transportiert. Auf diese Weise wird die in den Elektrolytlösungen chemisch gespeicherte Energie in elektrische Energie umgewandelt und nutzbar gemacht.

WAS ZEICHNET REDOX-FLOW BATTERIEN AUS?

Redox-Flow-Speicher sind bereits seit Jahrzehnten in kommerziellen Anwendungen im Einsatz, z.B. in Windparks. Inzwischen kommen auch erste Modelle für Privathaushalte auf den Markt. Für die nächsten Jahre wird ein stetiges Marktwachstum prognostiziert. Was macht sie so besonders?

Nicht entflammbar

Ein Merkmal, das Redox-Flow-Batterien für den Einsatz in Eigenheimen besonders attraktiv macht, ist ihre hohe Betriebssicherheit. Sie bestehen größtenteils aus Elektrolytflüssigkeit, die wiederum zu mehr als 2/3 aus Wasser besteht. Daher ist ein Redox-Flow-Speicher nicht brennbar.

Lange Lebensdauer

Die Lebensdauer einer herkömmlichen Batterie wird in Zyklen gemessen, da sie mit jedem vollständigen Ladezyklus an Speicherkapazität verliert. Nach einer gewissen Zyklenzahl hat sie 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität erreicht und gilt damit als aufgebraucht. Flussbatterien hingegen verlieren aufgrund ihrer Speichertechnik auch bei intensiver Nutzung keine Kapazität durch Ladezyklen. Sie werden daher als „zyklenfest“ bezeichnet. Batterien dieses Typs können weit über 30 Jahre in Betrieb bleiben.

Umweltverträglichkeit

Redox-Flow-Batterien sind reparierbar. Dank ihres modularen Aufbaus können defekte Komponenten einfach ausgetauscht werden. Dies trägt zu ihrer langen Lebensdauer bei. Zudem kommen in einem Redox-Flow-Speicher in der Regel weder Kobalt noch Nickel oder Lithium zum Einsatz.

Skalierbarkeit

Eine Besonderheit von Redox-Flow-Batterien ist, dass Kapazität und Leistung unabhängig voneinander skalierbar sind. Für eine höhere Leistung muss der Stack erweitert und unter Umständen müssen größere Pumpen eingebaut werden.

Mehr Elektrolyt bedeutet mehr Speicherkapazität. Die Kapazitätserweiterung ist daher besonders einfach: Entweder werden größere Tanks verwendet oder zusätzliche Tanks angeschlossen.

Redox-Flow-Batterien lassen sich unabhängig voneinander in Kapazität und Leistung skalieren

Vorteile und Nachteile von Redox-Flow-Batterien

WO WERDEN REDOX-FLOW-BATTERIEN EINGESETZT?

Kommerzieller Einsatz

Bisher werden Redox-Flow-Batterien fast nur im kommerziellen und industriellen Bereich eingesetzt:

Großspeicher in Wind- und Solarparks
Pufferspeicher für das Stromnetz
Spitzenlastausgleich in Industriebetrieben

Ihre lange Lebensdauer, Zuverlässigkeit und schnelle Reaktionszeit machen sie zu einer beliebten Wahl für diese Anwendungen.
Die derzeit größte Flussbatterie ist in China im Einsatz und ging im Oktober 2022 ans Netz. Sie hat eine Leistung von 100 MW und eine Speicherkapazität von 400 MWh.

Redox-Flow-Technologie für zuhause

Die Technologie hinter der Redox-Flow-Batterie gibt es zwar schon seit Mitte des letzten Jahrhunderts, aber erst jetzt ist es dank moderner Technik möglich, sie sinnvoll für Privathaushalte einzusetzen. Prolux brachte 2023 den einzigen im DACH-Raum erhältlichen Redox-Flow-Speicher auf den Markt.

Langlebigkeit, Sicherheit und Umweltverträglichkeit machen Flussbatterien zum idealen Solarstromspeicher für zuhause. Durch die minimale Selbstentladung geht keine Energie verloren. Die Nichtbrennbarkeit macht sie auch für Versicherungen interessant. Die lange Lebensdauer passt ideal zu der einer Solaranlage, sodass über ihre Lebensdauer kein zweiter oder dritter Speicher gekauft werden muss.

DIE REDOX-FLOW-BATTERIE IM VERGLEICH ZUR LITHIUM-BATTERIE

Längst haben Lithium-Akkumulatoren die Bleibatterien abgelöst und dominieren den Speichermarkt, sei es für Mobiltelefone, Elektroautos, gewerbliche Speicher oder Solarspeicher für den Hausgebrauch. Aufgrund der Massenproduktion ist zu erwarten, dass die Preise für Lithium-Speicher weiter sinken. Zudem zeichnen sie sich durch eine hohe Energiedichte aus, d.h. eine hohe Speicherkapazität im Verhältnis zum Gewicht.

Herstellungsfehler oder Schäden beeinträchtigen die Sicherheit des Lithium-Akkus und sind durch eine Reparatur nicht zu beheben. Darüber hinaus werden die negativen Auswirkungen des Lithiumabbaus immer deutlicher.

Die Redox-Flow-Technologie weist in Bezug auf diese Aspekte, die Umweltverträglichkeit und die Sicherheit, klare Vorteile auf.

Redox-Flow-Batterie im Vergleich zu einer Lithium-Batterie

FORSCHUNG AN DER REDOX-FLOW-BATTERIE: DIE ELEKTROLYTFLÜSSIGKEIT

Redox-Flow-Batterien sind derzeit Gegenstand intensiver Forschung in verschiedenen Projekten. Es wird insbesondere an verschiedenen Redox-Paaren geforscht, d.h. an verschiedenen Kombinationen der beiden flüssigen Elektrolyten.

Derzeit existieren bereits verschiedene Varianten wie Eisen/Eisen, Vanadium/Vanadium oder Zink/Brom. Als vielversprechend gelten organische Elektrolyte, die aus organischen Materialien wie Vanillin hergestellt werden.

Hauptziel ist es, eine möglichst kostengünstige und nachhaltige Elektrolytlösung zu entwickeln und das Gewicht von Redox-Flow-Batterien weiter zu reduzieren.

WELCHE ROLLE WIRD DIE REDOX-FLOW-BATTERIE IN ZUKUNFT SPIELEN?

Verschiedene Marktstudien gehen davon aus, dass Redox-Flow-Batterien vor allem in der Anwendung als stationäre Speicher eine immer wichtigere Rolle spielen werden:

Studien von Allied Market Research, Research Dive und der IMARC Group prognostizieren ein jährliches Marktwachstum von 13,5 bis 20,2 Prozent bis 2026 bzw. 2027 im Redox-Flow-Segment.

Laut einer im September 2023 veröffentlichten Studie des Fraunhofer ISI werden Redox-Flow-Batterien voraussichtlich ab den 2030er Jahren erstmals in der Schifffahrt eingesetzt. Bereits in den nächsten Jahren ist mit sinkenden Kosten und einer Steigerung der Energiedichte um rund ein Drittel zu rechnen.

Storac - die Redox-Flow-Batterie von Prolux

DER STORAC – DIE REDOX-FLOW-BATTERIE FÜR ZUHAUSE

Prolux hat Energiespeicher für zuhause auf Basis der Redox-Flow-Technologie entwickelt, die bisher nur in der Industrie eingesetzt wurden. Dort haben sie sich bereits seit Jahrzehnten bewährt.

Bisher hat die Größe einen Einsatz im Eigenheim verhindert. Mit dem STORAC konnte Prolux die Technik für die Anwendung als Heimspeicher anpassen und bringt die Vorteile dieser Technologie in die eigenen vier Wände:

Keine Brandgefahr dank hohem Wasseranteil
Lange Lebensdauer
Kein Kapazitäts- oder Leistungsverlust durch Ladezyklen
Kein Einsatz Lithium, Kobalt oder Nickel
Einfache Reparierbarkeit

Mehr Informationen zum STORAC