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Energie-Nachrichten

Redox-Flow-Batterie: Netzspeicher f黵 die Energiewende

Die Redox-Flow-Batterie k鰊nte ein entscheidendes Puzzleteil in den Energienetzen der Zukunft darstellen: Sie ist fast beliebig skalierbar, recyclebar und kann Energie stabil speichern. Zudem werden bei der Herstellung keine seltenen Rohstoffe ben鰐igt. Allerdings mussten die Batterien bisher f黵 jedes Anwendungsszenario neu angepasst werden. Zuk黱ftig soll diese Aufgabe ein neuartiges Batterie-Management 黚ernehmen, das Forscherinnen und Forscher am Karlsruher Institut f黵 Technologie (KIT) entwickeln.

F黵 die Energiewende werden L鰏ungen ben鰐igt, um die Energie aus der Solar- und Windstromproduktion dezentral zu speichern und schwankende Produktionskapazit鋞en auszugleichen. Zentralisierte L鰏ungen wie Pumpspeicherkraftwerke haben einen gro遝n Platz- und Kapitalbedarf am einfachsten w鋜e es, den Strom dezentral in Batterien zu speichern. Dabei ger鋞 neben den etablierten Lithium-Ionen Batterien vor allem die innovative Redox-Flow-Batterie immer mehr in den Fokus, die elektrische Energie in fl黶sigen chemischen Verbindungen speichert. H鋟fig kommt dabei ein Vanadium-Elektrolyt zum Einsatz, das in Tanks in unterschiedlichen Oxidationsstufen gespeichert wird, w鋒rend der Strom 鋒nlich wie bei der Brennstoffzelle an einer Membran produziert wird. Dabei bestimmt die Gr鲞e dieser Membran die Leistung (kW), die Energie (kWh) h鋘gt wiederum von der Tankgr鲞e ab, also der Menge der eingesetzten Fl黶sigkeit. Energie und Leistung kann bei der Redox-Flow-Batterie demnach unabh鋘gig voneinander skaliert werden. Diese fast unbegrenzte Skalierbarkeit pr鋎estiniert die Redox-Flow-Batterie zum Netzspeicher f黵 die Energiewende, etwa zur Verschiebung von Sonnenenergie f黵 den Verbrauch w鋒rend der Nacht.

Die Redox-Flow-Batterie eignet sich aber nicht f黵 jede Anwendung. Aufgrund einer geringen Energiedichte sind die Batterien gro und schwer, f黵 Elektronikger鋞e oder Elektroautos sind leichte Lithium-Ionen-Akkus deshalb viel besser geeignet. 凚ei der station鋜en Anwendung in gro遝n und mittleren Modulen ist die Flow-Technologie aufgrund ihrer Skalierbarkeit aber 黚erlegen, sagt Professor Thomas Leibfried vom Institut f黵 Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik des KIT. Au遝rdem sei das Vanadium f黵 den g鋘gigen Vanadium-Akkumulator eines der h鋟figsten Elemente, w鋒rend die weltweiten Lithiumvorr鋞e schon in wenigen Jahrzehnten ausgebeutet sein k鰊nten. F黵 die Redox-Flow-Batterie spreche auch, dass sie feuersicher sei, weil ein 則hermal runaway, also eine unkontrollierte Erhitzung, ausgeschlossen werden kann. Zudem sei sie weniger giftig und auch ein Recycling sei im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterie kein Problem. Dass ein Durchbruch der Flow-Technologie bisher nicht erfolgt sei, liege vor allem an der Schwierigkeit, sie effizient einzusetzen, erl鋟tert Leibfried. W鋒rend in die Steuerung von Lithium-Ionen-Batterien bereits Jahrzehnte der Entwicklung investiert werde, befinde man sich bei der Redox-Flow-Batterie noch ganz am Anfang. Aktuell m黶se sie deshalb noch f黵 jedes Anwendungsszenario baulich angepasst werden.

Um das zu 鋘dern, hat Thomas Leibfried mit seiner Forschungsgruppe nun ein automatisches Batterie-Management entwickelt, das zurzeit als Prototyp in einem Vanadium-Akkumulator am KIT getestet wird. Es stellt sicher, dass die Redox-Flow-Batterie sowohl im Lade- als auch im Entladezyklus immer an ihrem effizientesten Punkt betrieben wird, egal wof黵 sie eingesetzt wird. Die momentane elektrische Effizienz werde dabei vor allem durch die Pumpgeschwindigkeit bestimmt, erkl鋜t Thomas L黷h, der den ersten Prototypen der automatischen Steuerung selbst zusammengel鰐et hat: 凩asse ich die Pumpe schneller laufen, sinkt der Innenwiderstand und damit auch der Verlust bei der Energieumwandlung. Allerdings ben鰐igt das System dann mehr Energie f黵 die Pumpe. Je nachdem wieviel Leistung im Betrieb eingefordert oder eingebracht werde, steuere das neue Batterie-Management hier den idealen Kompromiss an. Eine weitere wichtige Komponente f黵 einen effizienten Betrieb sei au遝rdem das thermische Management, weil auch eine K黨lung Energie kostet und zur richtigen Zeit erfolgen muss. Wenn der aktuelle Prototyp seine Funktionalit鋞 bewiesen hat, soll das Batterie-Management miniaturisiert werden: In einer marktreifen Version wird es dann auf einem Mikrochip Platz finden.

Ein automatisches Batterie-Management ist ein wichtiger Schritt, um den Durchbruch der Flow-Technologie voranzutreiben. Am KIT findet weitere Forschung zudem am Institut f黵 Angewandte Materialien (IAM) des KIT statt. Dort werden die Degradationsprozesse an der Membran untersucht, um die eingesetzten Materialien zu optimieren. Au遝rdem wird am KIT auch der praktische Einsatz der Technologie erprobt, so wird eine Redox-Flow-Batterie samt neuer Steuerung gerade in das 凟nergy Smart Home Lab des Verbundprojekts iZEUS (intelligent Zero Emission Urban System) eingebundenen. Die Forschung am KIT zur Flow-Technologie zielt insgesamt auf eine neue Generation effizienter Batterie-Module f黵 die Massenproduktion, die am Aufstellungsort nur noch angeschlossen werden m黶sen.

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