Vanadium-Redox-Akkumulator

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Prinzipaufbau einer Vanadium-Redox-Flussbatterie mit außen liegenden Vorrattanks. In der Mitte die eigentliche galvanische Zelle, darüber zusätzliche Wechselrichter zur Erzeugung von Wechselspannung.
Vorgänge beim Entladen
Vorgänge beim Laden

Der Vanadium-Redox-Akkumulator (Vanadium-Redox-Flussbatterie, VRFB) ist ein wiederaufladbarer Typ eines Flussakkumulators. Da er mit je einem Vanadium-Redoxpaar pro Halbzelle arbeitet, wird das Problem einer gegenseitigen Verunreinigung infolge von Diffusionseffekten durch die Membran verhindert. Obwohl die Verwendung von Vanadiumredoxpaaren in Flussakkumulatoren bereits 1978 von Pissoort [1], NASA-Mitarbeitern, Pellegri und Spaziante [2] vorgeschlagen wurde, fand eine erfolgreiche Demonstration und kommerzielle Entwicklung erst in den 1980er Jahren an der University of New South Wales durch Maria Skyllas-Kazacos und ihren Mitarbeitern statt.[3]

Allgemeines[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Vanadium-Redox-Akkumulator in seiner gegenwärtigen Form mit Schwefelsäure-Elektrolyten wurde 1986 von der University of New South Wales in Australien patentiert[4]. Die ursprünglichen Patente liefen 2006 aus, was einen freien Markt ermöglichte und zu kommerziellen Entwicklungen führte.[5]

Der Vanadium-Redox-Akkumulator nutzt die Fähigkeit von Vanadium aus, in Lösung vier verschiedene Oxidationsstufen annehmen zu können, so dass statt zweien nur ein elektroaktives Element für den Akkumulator benötigt wird. Die Nennspannung pro Zelle liegt ohne Belastung im Bereich von 1,15 V bis 1,55 V. Bei 25 °C beträgt sie 1,41 V.

Der Hauptvorteil des Vanadium-Redox-Akkumulators ist, dass Leistung und Energie im Gegensatz zu gewöhnlichen Sekundärzellen voneinander unabhängig sind. Durch modularen Aufbau ermöglicht dies die Konstruktion einer Batterie beliebig hoher Leistung und Kapazität. Die Leistung ist v.a. durch die Elektrodenfläche, die Speicherkapazität durch die Vanadiummenge im Elektrolyten regulierbar. Auch ist eine Tiefentladung problemlos. So kann der Akkumulator lange Zeit komplett entladen sein, ohne dass es dabei zu nennenswerten Alterungseffekten kommt. Bei Bedarf kann durch Austausch der Elektrolyte schnell wieder geladen werden, beispielsweise an speziellen Tankstellen, was ihn auch zur Option als Energiespeicher für Elektroautos macht. Jedoch besitzt er eine vergleichsweise geringe Energiedichte von ca. 15 Wh/l bis 25 Wh/l Elektrolytflüssigkeit.[6] Zum Vergleich: Herkömmlicher Dieselkraftstoff weist mit ca. 10 kWh/l eine ca. 400-fache Energiedichte auf. Der Hauptnachteil der Vanadium-Redox-Akkumulator-Technologie sind neben dem schlechten Volumen-Energie-Speicherverhältnis das im Vergleich zu herkömmlichen Akkumulatoren komplexe Gesamtsystem, bestehend aus Pumpen und Vorratstanks.

Betriebssicherheit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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Vanadium Redox Flow Anlagen bieten gegenüber anderen Speichersystemen eine sehr hohe Betriebssicherheit, da das Elektrolyt weder brennbar noch explosiv ist (hoher Wasseranteil) Aufgrund der Trennung von Leistung und Kapazität ist immer nur ein geringer (Prozent)Teil des Elektrolyten in der Wandlereinheit (Stack). Gegenüber Li-iO Batterien können an den Elektroden kein Dendriten entstehen, die zu einem Leistungsverlust bzw. Alterung eines Akkumulators führen und damit die Gefahr der Tiefenentladung stetig potenzieren. Führende Hersteller liefern bereits heute Container-basierende Systeme mit doppelwandiger Tank- und Sensorik zur Überwachung der Zellspannung und des Elektrolyten, wo selbst in sensiblen Standorten die Systeme in Betrieb sind. *

Marktverfügbarkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die wenigen momentan erhältlichen kommerziellen Batterien werden v.a. im stationären Bereich bei regenerativen Energiequellen für die Abdeckung von Spitzenlast, Lastausgleich und im Bereich unterbrechungsfreie Stromversorgungen verwendet.[7] Weiter erforscht werden momentan kostengünstige Membranen als Alternative zu Nafion[8] und hochkonzentrierte über weite Temperaturbereiche stabile Elektrolyte.[9] Auch werden Katalysatoren zur Erhöhung der Austauschstromdichte und damit zur Effizienzsteigerung entwickelt.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. P. A. Pissoort, im französischen Patent Nummer 754065 (1933).
  2. A. Pelligri und P. M. Spaziante, im britischen Patent Nummer 2030349 (1978) der Oronzio de Nori Impianti Elettrochimici S.p.A.
  3. M. Rychcik und M. Skyllas-Kazacos, J. Power Sources, 22 (1988) 59-67.
  4. M. Skyllas-Kazacos, M. Rychcik und R. Robins, im australischen Patent Nummer 575247 (1986), der Unisearch Ltd.
  5. Spelters, Oliver (2010): Betrachtung zur Dynamik von Redox-Flow-Zellen, München: Grin
  6. Redox-Flow-Batterien. Abgerufen am 27. Juli 2014.
  7. M. Skyllas-Kazacos, M. H. Chakrabarti, S. A. Hajimolana, F. S. Mjalli, and M. Saleem, J. Electrochem. Soc., Volume 158, Issue 8, pp. R55-R79 (2011)
  8. H. Zhang, et al. Energy & Environmental Science, 2011, 4, 1676
  9. Li, L., Kim, S., Wang, W., Vijayakumar, M., Nie, Z., Chen, B., Zhang, J., Xia, G., Hu, J., Graff, G., Liu, J. and Yang, Z. (2011), Adv. Energy Materials, 1: 394–400.