Redox-Flow-Batterie

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Die Redox-Flow-Batterie (RFB) oder ('Redox-)Flussbatterie '(Red für Reduktion = Elektronenaufnahme, Ox für Oxidation = Elektronenabgabe) – allgemeiner auch Flüssigbatterie oder Nasszelle genannt – ist eine Ausführungsform eines Akkumulators. Sie speichert elektrische Energie in chemischen Verbindungen, wobei die Reaktionspartner in einem Lösungsmittel in gelöster Form vorliegen. Die zwei energiespeichernden Elektrolyte zirkulieren dabei in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen denen in der Zelle mittels einer Membran der Ionenaustausch erfolgt.

Schema einer Redox-Flusszelle (Redox Flow Cell) mit den dazugehörigen Elektrolytbehältern. In der eigentlichen elektrochemischen Zelle werden gelöste Stoffe reduziert bzw. oxidiert; die chemische Umwandlung in der Zelle ist durch den Farbverlauf angedeutet. Die Lösungen werden in Tanks gespeichert, die deutlich größer sein können als die elektrochemischen Zelle.

Aufgrund der im Vergleich zu einer einfachen Batterie aufwendigen Konstruktion, die mindestens zwei Pumpen für die Umwälzung der Elektrolyte benötigt, eignen sich Flussbatterien nicht für die Stromspeicherung für kleine Verbraucher, d.h. nicht für mobile Elektronik und nicht für den Heimgebrauch. Für größere Speicheranlagen, z.B. in Verbindung mit einem Windpark, sind sie aber vermutlich besser geeignet als z.B. Lithium-Ionen-Batterien, die immer teure organische Elektrolyte enthalten, während Flusszellen mit preiswerten wässrigen Lösungen konstruiert werden können. Die Eignung der Redox-Flow-Batterie für die Elektromobilität wird noch erforscht; der Vorteil daran wäre, dass ein Auftanken der Batterie mit flüssigem Elektrolyten möglich wäre, ähnlich dem heutigen Tanken von Kraftstoffen. Allerdings ist die Energiedichte solcher Systeme für Elektroautos bisher noch nicht hoch genug, so dass sie allenfalls für Busflotten geeignet wären. Der bisher am häufigsten eingesetzte und daher wichtigste Typ der Flusszelle ist der Vanadium-Redox-Akkumulator.

Die Redox-Flow-Zelle ist grundsätzlich mit der Brennstoffzelle, aber auch mit den Akkumulatoren verwandt (elektrochemische Reversibilität). Die Zellenspannung ist durch die Nernst-Gleichung gegeben und liegt bei praktischen Systemen zwischen 1,0 und 2,2 V.

Geschichte[Bearbeiten]

Die Grundlagen für Redox-Flow-Zellen wurden Mitte des 20. Jahrhunderts in Deutschland erarbeitet, als erstmals die Möglichkeiten der Energiespeicherung mit Redox-Paaren geprüft wurden.[1][2][3][4] In den 1970er Jahren beschäftigte sich die NASA mit der Entwicklung der Technik.[5] Die reine Vanadium-Lösung wurde 1978 erstmals vorgeschlagen, in den 1980ern an der University of New South Wales von Maria Skyllas-Kazacos und ihren Mitarbeitern entwickelt. Diese Lösung wurde 1986 patentiert und ist bisher am verbreitetsten. Sie erfuhr eine Weiterentwicklung zur Vanadium-Bromid-basierten Zelle, die doppelt so hohe Energiedichten erlaubt.

Technik[Bearbeiten]

Aufbau[Bearbeiten]

Die energiespeichernden Elektrolyte werden außerhalb der Zelle in getrennten Tanks gelagert. Damit ist die Redox-Flow-Zelle - wie die Brennstoffzelle - ein elektrochemischer Energiespeicher, bei dem Energiemenge und Leistung unabhängig voneinander skaliert werden können. Die Tanks könnten manuell befüllt und die Batterie somit geladen werden; in der Praxis werden die Systeme aber mit möglichst geschlossenen Kreisläufen ausgeführt. Durch den Austausch der Elektrolytflüssigkeiten können diese auch in getrennten Batterien geladen und entladen werden; somit braucht nicht die gesamte Batterie mit Wandlertechnik und Gehäuse, sondern nur der eigentliche Energieträger zwischen der Lade- und Entladestation ausgetauscht zu werden.

Die galvanische Zelle wird durch eine Membran in zwei Halbzellen geteilt. An der Membran fließt der Elektrolyt vorbei. Die Halbzelle wird durch eine Elektrode abgegrenzt, an der die eigentliche chemische Reaktion (Reduktion oder Oxidation) abläuft.

Die Membran ist entweder ein mikroporöser Separator, der alle Ionen passieren lässt, oder eine selektive Anionen- oder Kationentauschermembran. Die Membran soll die Vermischung der beiden Elektrolyte verhindern.

Die Elektroden bestehen aufgrund ihres hohen elektrochemischen Spannungsfensters in wässrigen Lösungen meistens aus Graphit. Für eine möglichst hohe spezifische Leistung werden als Elektrodenmaterial Graphitfilze mit hoher spezifischer Oberfläche eingesetzt.

Elektrolyt[Bearbeiten]

Der Elektrolyt besteht aus in einem Lösungsmittel gelösten Salzen. Die Zusammensetzung des Elektrolytes, genauer die Konzentration, bestimmt maßgeblich mit der Zellspannung die Energiedichte der Redox-Flow-Batterie. Als Lösungsmittel werden entweder anorganische oder organische Säuren verwendet. Als verwendbare Redoxpaare sind Verbindungen aus Titan, Eisen, Chrom, Vanadium, Cer, Zink, Brom und Schwefel bekannt.

Eigenschaften[Bearbeiten]

Die Redox-Flow-Zelle kann Leistungen von einem Kilowatt bis zu mehreren Megawatt bereitstellen. Im Vergleich zu anderen Speichertechnologien hat sie einen hohen Wirkungsgrad, eine gute Vermeidbarkeit von Selbstentladung und eine hohe Lebenserwartung. Letztere basiert darauf, dass das Elektrodenmaterial bei der Reaktion des Elektrolyten selber chemisch nicht reagiert und damit nicht degeneriert. Demgegenüber ist vergleichsweise die Energiedichte recht gering (bis zu 70 Wattstunden Energie pro Liter Elektrolytflüssigkeiten bei einer Vanadium-Bromid-Verbindung als bisher effektivster Chemikalie).

In der Entwicklung werden folgende Eigenschaften angestrebt:

Anwendungen[Bearbeiten]

Bisherige Verwendung[Bearbeiten]

Aufgrund der Eigenschaften wird die Redox-Flow-Zelle bisher insbesondere als Reservequelle, Pufferbatterie und für Unterbrechungsfreie Stromversorgung eingesetzt. So werden Redox-Flow-Zellen etwa in Form des Vanadium-Redox-Akkumulators als Reservequelle für Mobilfunk-Basisstationen oder Pufferbatterie für Windkraftanlagen eingesetzt. Das größte System dieser Art wird in einer japanischen Windkraftanlage eingesetzt[6] und hat eine Leistung von 4 MW und eine Speicherkapazität von 6 MWh [7]

Zukunft[Bearbeiten]

Die größte im Bau befindliche Flusszellenbatterie wird von einer japanischen Firma (Sumitomo Electric Industries Ltd.) für einen japanischen Stromversorger (Hokkaido Electric Power Co.) gebaut, soll 2015 in Betrieb gehen und dann 60 MWh an Energie speichern können.[8] Die Nennleistung der Batterie, die in einem neuen Gebäude auf zwei Etagen installiert wird, soll 15 MW betragen.[9] In Deutschland wird ein 20-MWh-Großbatteriespeicher mit 2 MW Leistung, direkt gekoppelt an den Gleichstromzwischenkreis einer Windkraftanlage, gebaut, wobei sich die Tanks wie in der japanischen Anlage im Untergeschoss des Batteriegebäudes befinden sollen, die Zellen im Obergeschoss.[10][11]

Die Redox-Flow-Zelle wurde darüber hinaus auch als Energiespeicher für künftige Elektroautos vorgeschlagen[12]; ein Prototyp einer mit einer Redox-Flow-Batterie ausgestatteten Sportlimousine wurde 2014 vorgestellt.[13][14] Bei herkömmlichen Elektrofahrzeugen stellt das schnelle Aufladen eine wesentliche Herausforderung dar. Bei Redox-Flow-Batterien kann dagegen das „Aufladen“ einfach durch Austausch der Flüssigkeiten erfolgen, also durch Auftanken etwa an einer speziell ausgerüsteten Tankstelle. Der eigentliche Ladevorgang findet dann außerhalb des Fahrzeugs statt, und die Handhabung würde dem heutigen Tanken an der Zapfsäule ähneln. Gegen ein solches Verfahren spricht aktuell noch das relativ hohe Leistungsgewicht im Vergleich etwa zu modernen Lithium-Ionen-Akkumulatoren, dafür die gute Eignung einer entsprechenden Infrastruktur als Energiespeicher im Stromnetz.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ergibt sich aus der Tatsache, dass alle Zellen denselben Elektrolyten nutzen, somit laden und entladen mit unterschiedlicher Zellenanzahl erfolgen kann. So lassen sich leistungsstarke Spannungswandler (Gleichstromsteller) aufbauen, oder auch die Leistungsabgabe je nach Verschaltung vorhandener Zellen, etwa bei Fahrzeugen, steuern.

Im Januar 2014 stellten Forscher der Harvard University eine Redox-Flow-Zelle auf Basis von organischen Chinonen vor, die ohne Einsatz seltener und damit vergleichsweise teurer Substanzen auskommt. Bei Prototypen wurden Leistungsdichten von 600 Milliwatt pro Quadratzentimeter gemessen. Als Hauptvorteil dieser Technik wurden die geringeren Kosten genannt, die bei einer Serienfertigung bei nur einem Drittel von vanadiumbasierten Zellen liegen sollen. Derzeit wird an der Langzeitstabilität solcher Zellen geforscht.[15][16]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Patent DE914264: Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie. Angemeldet am 28. Juni 1949, veröffentlicht am 28. Juni 1954, Anmelder: Dr. Walther Kangro, Braunschweig, Erfinder: Dr. Walther Kangro, Braunschweig.
  2.  Heinz Pieper: Zur Frage der Speicherung von elektrischer Energie in Flüssigkeiten. In: Dissertation Technische Hochschule Braunschweig. Braunschweig 1958, OCLC 64523955.
  3.  W. Kangro, H. Pieper: Zur Frage der Speicherung von elektrischer Energie in Flüssigkeiten. In: Electrochimica Acta. 7, Nr. 4, 1962, S. 435 bis 448, doi:10.1016/0013-4686(62)80032-2.
  4. Patent DE1006479: Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie in Flüssigkeiten. Angemeldet am 14. Juli 1954, veröffentlicht am 18. April 1957, Anmelder: Dr. Walther Kangro, Braunschweig, Erfinder: Dr. Walther Kangro, Braunschweig (beschreibt die Verwendung von Mehrfachelektroden, bei denen beim Laden andere Teile als beim Entladen verwendet werden. Das Patent ist für die weitere Entwicklung der Redox-Flow-Zellen nicht sehr bedeutsam, belegt aber, dass sich Dr. Kangro um eine Weiterentwicklung bemüht hat.).
  5. US-Patent Redox Flow Cell 1976
  6. Der Tagesspiegel, REDOX FLOW CELLS
  7. Feasibility Study of Energy Storage Systems in Wind/Diesel Applications Using the HOMER Model Abschnitt 1 Introduction
  8. Bob Wallace: Hokkaido Elec to invest in 60 MWh redox flow battery for grid storage. Green Car Congress, 9. August 2013, abgerufen am 25. Februar 2014.
  9. Japan installiert zwei große Batteriespeicher zur Netzintegration von Solar- und Windstrom. SolarServer, Heindl Server GmbH, 7. Juli 2013, abgerufen am 25. Februar 2014.
  10. Peter Fischer: Großprojekt »RedoxWind«. Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie, abgerufen am 25. Februar 2014.
  11. Stefan Tröster: Erfolgreiches Jahr des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT Pfinztal. Projekt RedoxWind. 25. Juni 2012, abgerufen am 25. Februar 2014.
  12. Elektromobilität fördern - VDI: Leistungsfähigkeit der Batterie größte Herausforderung
  13. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatSP-X: Elektro-Limousine Quant. Strom tanken ohne Steckdose. T-Online.de, 05.03.2014, abgerufen am 6. März 2014.
  14. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatSP-X: Quant e. Weltraumtechnik für die Straße. Focus Online, 05.03.2014, abgerufen am 6. März 2014.
  15. Organic mega flow battery promises breakthrough for renewable energy. Internetseite der Harvard University. Abgerufen am 10. Januar 2014.
  16. Die Speicherkraft des Rhabarbersl. In: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 26. Januar 2014. Abgerufen am 26. Januar 2014.