Eine Redox-Flow-Batterie ist ein System zur reversiblen Stromspeicherung. Dabei wird — wie in einer normalen wiederaufladbaren Batterie — Strom benutzt, um eine Redox-Reaktion zu erzeugen und die elektrische Energie chemisch zu speichern. Die Umkehrreaktion setzt den Strom wiederum durch eine Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie frei und macht ihn nutzbar.
Merkmale von Redox-Flow-Batterien
Im Gegensatz zu normalen wiederaufladbaren Batterien sind bei Redox-Flow-Batterien die Reaktionskammer und die Vorratsbehälter für die Elektrolyten (= Lösung mit den entsprechenden Chemikalien zur Energiespeicherung) getrennt. Dies hat den Vorteil, daß die Eigenschaften eines Redox-Flow-Batterie-Systems flexibel gestaltet werden können:
- Die Leistung wird durch die Größe der Reaktionskammer festgelegt.
- Die Speicherkapazität des Systems wird durch die Größe der Vorratsbehälter bestimmt. Die Speicherkapazität ist die speicherbare Energiemenge.
Zwei Anwendungsbeispiele sollen diese Eigenschaft verdeutlichen:
- Beispiel 1: Eine Insellösung zur kombinierten Stromerzeugung mit Wind und Sonne bei gleichzeitig geringer Leistungsaufnahme soll realisiert werden.
Dazu muß die Reaktionskammer nur auf die Maximalleistung der Stromerzeuger bzw. der Stromverbraucher ausgelegt sein. Die notwendige Überbrückungskapazität für Zeiten ohne Wind und Sonne wird durch die groß ausgelegten Vorratsbehälter der Elektrolyten realisiert. - Beispiel 2: In einem Verbundnetz soll eine Leistungsreserve eingebaut werden, die kurze Lastspitzen abdecken kann.
Kurze Lastspitzen erfordern zwar eine geringe Gesamtenergie-Menge, müssen aber schnell und mit ausreichender Leistung abgefangen werden. Hier sind die Vorratsbehälter vergleichsweise klein ausgelegt, dafür wird aber die Reaktionskammer auf eine entsprechende Größe ausgelegt.
Redox-Flow-Batterien sind den Brennstoffzellen verwandt, die aber normalerweise nur die Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie beherrschen. Aber auch bei Brennstoffzellen, speziell PEM-Brennstoffzellen gibt es inzwischen Systeme, die reversibel betrieben werden können. Ein Problem ist aber der Umgang mit Wasserstoff als Energiespeicher-Medium, weil die Speichertechnik entweder sehr kostenintensiv ist oder sich durch geringe Energiedichten auszeichnet.
Status und Ausblick
Redox-Flow-Batterien befinden sich in der Entwicklung. Daher sind wesentliche Entwicklungsarbeiten notwendig. Die wichtigsten Punkte sind
- Lebensdauer der Reaktionskammer — ein zuverlässiges und wirtschaftlich einsetzbares System muß viele Tausend Zyklen der Ladung und Entladung ohne nennenswerte Leistungsverluste überstehen.
- Ressourcenverfügbarkeit zur Herstellung der aktiven Flächen der Reaktionskammer und der Elektrolyten. Hier müssen Elemente und Verbindungen gefunden werden, die in ausreichenden Mengen herstellbar sind.
- Sicherheit im Betrieb: Geringe chemische Reaktivität der als Speichermedium eingesetzten Elektrolyten und möglichst geringfügige Umweltauswirkung im Fall eines Austritts dieser Stoffe aus den Behältern.
Der am weitesten entwickelte Typ von Redox-Flow-Batterien ist die Vanadium-Redox-Batterie, die sich durch eine hohe Zahl von Lade-/Entlade-Zyklen, gut verfügbare Elektrolyt-Chemikalien und moderate Umweltgefahren auszeichnet. Aufgrund ihrer geringen Energiedichte ist sie jedoch nur für stationäre Anwendungen geeignet.
Bedeutung skalierbarer, kostengünstiger Energiespeicher für erneuerbare Energien
Können diese Anforderungen erfüllt werden, steht ein exzellenter skalierbarer Stromspeicher zur Verfügung. Damit könnte das Hauptproblem des Einsatzes erneuerbarer Energien gelöst werden, ihre zeitlich variierende Verfügbarkeit. Redox-Flow-Batterien würden Wetterlagen, bei denen weder Wind noch Sonne zur Verfügung stehen, überbrücken. In Zeiten des Überangebotes von Wind und Sonne würden sie wieder aufgeladen. Sie könnten die Grundlage einer Stromversorgung mit dezentralisierten Stromerzeugern und -speichern bilden. Ein zusätzliches Verbundnetz mit relativ geringen Leitungskapazitäten erlaubt den Ausgleich regionaler Schwankungen von Stromangebot und -nachfrage zur Erhöhung der Versorgungssicherheit und zur Verringerung von Spiegelkapazitäten.
engl: redox flow battery