Erneuerbare Energien sind schon heute die zweitwichtigste Quelle bei der Stromversorgung in Deutschland. Bis 2020 soll sich ihr Anteil an der Stromversorgung von derzeit 20 Prozent mehr als verdoppeln. Bis 2050 soll Deutschland komplett auf erneuerbare Energien umgestellt sein, so das Ziel der Bundes-regierung. Doch das derzeitige Energieversorgungssystem kann überlastet werden, wenn hohe Stromanteile aus erneuerbaren Energien eingespeist werden. Redox-Flow-Batterien, die Strom im Bereich von einigen 10 Kilowatt (kW) bis mehrere 10 Megawatt (MW) längerfristig speichern, können eine Lösung sein.

Redox-Flow-Batterien für Leistungsklasse 10 kW bis 10 MW

Doch in dieser Leistungsklasse ist zurzeit keine Redox-Flow-Batterie marktverfügbar. Ein Fraunhofer-Konsortium will das ändern. Ziel ist es, hohe Wirkungsgrade durch technische Innovationen zu erzielen, den Batterieaufbau zu vereinfachen und preisgünstigere Materialien einzusetzen. Nur so sind die hohen Systemkosten zu reduzieren, die derzeit für kleine Leistungen (10 kW/100kWh) rund 100 000 Euro betragen. Fraunhofer UMSICHT beschäftigt sich als eins der ersten Forschungsinstitute in Deutschland intensiv mit elektrischen Energiespeichern. Im Fokus stehen Redox-Flow-Batterien, da ihre Leistung individuell anpassbar und abrufbar ist und sie die Energiespeicher mit den potentiell geringsten Speicherkosten darstellen. Im Batterielabor können Redox-Flow Batterien mit bis zu 80 Kilowatt untersucht werden.

Funktionsprinzip

Redox-Flow-Batterien speichern Energie in Elektrolytlösungen, indem chemische Verbindungen an Membranen Elektronen aufnehmen und abgeben. Am weitesten verbreitet ist die Vanadium-Redox-Flow-Batterie. Hier liegt Vanadium in verschiedenen Oxidationsstufen (V2+/V3+ und V5+/V4+) vor. Da nur Vana-dium-Verbindungen und nicht wie in anderen Systemen zwei verschiedene Flüssigkeiten zum Einsatz kommen, bleibt die gegenseitige Verunreinigung der beiden Elektrolyte aus. Dadurch lassen sich sehr robuste und langlebige Batterien bauen.

Die Ladung und Entladung der Vanadiumelektrolyte, der Leistungsteil der Batterie, findet in so genannten Stacks statt. Diese bestehen aus mehreren Einzelzellen, die elektrisch in Reihe geschaltet werden. Das erhöht die Leistung einer Batterie. Die Speicherung des Elektrolyten, dessen Menge die Kapazität der Batterie beeinflusst, erfolgt in externen Tanks. Das bietet verglichen mit konventionellen Batterien den Vorteil, dass die Leistung (kW) und die Speicherkapazität (kWh) individuell der Anwendung angepasst werden können. Zugleich ist der Speicherteil vergleichsweise kostengünstig, sodass gerade große Speicherkapazitäten ökonomische Vorteile bieten.

Projekt konkret

Das Konsortium erprobt und entwickelt neue Membranmaterialien und Batteriedesigns und forscht an Stacks für kleine Leistungen und dem Batteriemanagement. Auf der Hannover-Messe wurde die Funktionsweise der Redox-Flow-Batterie an einer 2-Kilowatt-Anlage demonstriert.

Die Herausforderung besteht im Scale-Up, der Vergrößerung der Anlage. Strömungssimulationen helfen, den Aufbau der Zellen zu verbessern und die Elektrolyte gleichmäßig durch die Zellen strömen zu lassen. Ausgehend von diesen Erkenntnissen soll ein 35 kW Stack aufgebaut werden. Drei dieser Stacks werden zu einer 100 kW Batterie zusammengefügt. Die 35 kW Stacks werden bei Fraunhofer UMSICHT in Oberhausen entwickelt und im Batterielabor getestet. Das Labor legt den Grundstein, um größere Anlagen mit bis zu 2 Megawatt zu erschließen. Dies trägt dazu bei, das Stromnetz mit fluktuierenden Energiequellen stabil zu betreiben und ist ein wichtiger Beitrag zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit.