In diesem Blogbeitrag werfen wir einen detaillierten Blick auf die Redox-Flow-Speicher, eine fortschrittliche Technologie für die Energiespeicherung.
Wir untersuchen ihren Aufbau, Funktion und die Rolle der Elektrolyte, betrachten ihre Vor- und Nachteile und nehmen die Kosten und Hersteller unter die Lupe.
Die wichtigsten Punkte kurz & knapp zusammengefasst:
- Aufbau: Der Redox-Flow-Speicher besteht aus zwei separaten Tanks für die Lagerung von Elektrolyten und einer galvanischen Zelle, wo der Energieaustausch stattfindet.
- Funktion: Die Elektrolyte können Elektronen aufnehmen und wieder freisetzen, wodurch Energie gespeichert und freigesetzt wird. Die Leistung und Speicherkapazität können unabhängig voneinander skaliert werden.
- Elektrolyten: Sie spielen eine zentrale Rolle in der Energieübertragung und können aus verschiedenen chemischen Elementen bestehen, darunter Vanadium, Eisen, Chrom, Zink, Brom und Schwefel.
- Vor- und Nachteile: Redox-Flow-Speicher haben keine Entladungsgrenzen, einen hohen Wirkungsgrad, sind sicher und haben eine lange Lebensdauer. Nachteile sind ihre geringe Energiedichte, hohe Kosten und ihre Größe und Gewicht
Was steckt hinter dem Redox-Flow-Speicher?
Wie sieht der Aufbau aus?
Die Redox-Flussbatterie besteht aus zwei separaten Tanks, in denen Elektrolyte gelagert sind. Diese speziellen Flüssigkeiten können Elektronen aufnehmen und wieder freisetzen.
Diese einzigartige Eigenschaft ermöglicht es der Redox-Flow-Batterie, als einzige Batterieart, die Speicherung von Energie und die Abgabe von Leistung unabhängig voneinander zu skalieren. Die Elektrolyte werden von ihren Tanks zu einer bestimmten Stelle geführt, was durch eine Pumpe ermöglicht wird.
Wo findet der Energieaustausch statt?
Der Kernpunkt des Energieaustauschs ist die sogenannte galvanische Zelle. Hier trennt eine Membran die beiden Elektrolytkreisläufe voneinander. Die eigentlichen chemischen Reaktionen, die zur Freisetzung von Ionen führen, geschehen in den zwei Elektroden.
Diese Ionen können dann durch die Membran hindurch zwischen den beiden Kreisläufen hin- und herbewegen. Meist sind die Elektroden aus Graphit gefertigt, wodurch eine hohe spezifische Leistung ermöglicht wird.
Was ist der Elektrolyt und welche Rolle spielt er?
Der Elektrolyt spielt eine zentrale Rolle, denn hier wird die Energie chemisch gespeichert. Dieses Salz, das in einem Lösungsmittel gelöst ist, liegt in verschiedenen Oxidationsstufen vor. Die Auswahl an möglichen Säuren, sowohl anorganisch als auch organisch, ist groß.
Eine besonders beliebte Wahl für die Redox-Paare ist Vanadium, obwohl auch andere Elemente wie Titan, Eisen, Chrom, Cer, Zink, Brom und Schwefel eingesetzt werden können.
Vanadium-Paare können jedoch eine der höheren Zellspannungen von 1,4 V erreichen, was für die Leistung der Batterie von entscheidender Bedeutung ist.
Generell gilt: Je höher die Zellspannung, desto größer die Leistung.
Wie lässt sich die nutzbare Spannung der Batterie erhöhen?
Die Lösung dafür sind sogenannte Stacks. Ein Stack ist eine Reihe von Zellen, die in Reihe geschaltet werden, wodurch sich die Spannungen der einzelnen Zellen addieren und somit die nutzbare Spannung der Batterie erhöht wird.
Wie unterscheiden sich Redox-Flow-Speicher von Hybrid-Flow-Batterien?
Die Einzigartigkeit der Redox-Flow-technologie beruht darauf, dass eine fließende Flüssigkeit zum Energiespeichern verwendet wird.
Doch es gibt auch Hybrid-Flow-Batterien. Bei diesen besteht ein Bestandteil in festem Zustand, während der andere flüssig ist. Die Kombination aus Zink-Brom und Zink-Cer erreicht dabei Spannungen von 1,9 V beziehungsweise 2,4 V.
Was sind die Vor- und Nachteile der Redox-Flow-Speicher?
Die Forschung rund um die Flüssigbatterie ist noch immer im Gange, und obwohl sie viele beeindruckende Vorteile hat, gibt es auch einige Nachteile, die es zu beachten gilt. Diese sind unter anderem der Grund, warum sie noch nicht die vorherrschende Lithium-Ionen-Batterie auf dem Markt ersetzt hat.
Was sind die Vorteile der Redox-Flow-Batterien?
Keine Entladungsgrenzen
Ein klarer Pluspunkt ist, dass es keine Beschränkungen hinsichtlich der Entladungstiefe gibt. Im Gegensatz zu vielen anderen Batterietypen kann bei einer Redox-Flow-Batterie die gesamte Kapazität genutzt werden.
Hoher Wirkungsgrad
Je nach Elektrolyt und Hersteller kann die Redox-Flow-Batterie Wirkungsgrade von etwa 75 % erreichen. Während dies schon beeindruckend ist, kommen Lithium-Ionen-Batterien auf noch höhere Wirkungsgrade von bis zu 90 %.
Skalierbare Leistung und Kapazität
Eine der herausragenden Eigenschaften von Redox-Flow-Batterien ist ihre Fähigkeit, Leistung und Kapazität unabhängig voneinander zu skalieren.
Dies wird durch die getrennte Speicherung und Umwandlung von Energie ermöglicht. Willst du die Speicherkapazität erhöhen? Kein Problem, erhöhe einfach die Menge an Elektrolyt. Ein Luxus, den andere Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien nicht bieten können.
Sicherheit
Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien können Redox-Flow-Batterien nicht durch eine sogenannte „thermische Durchgehen“ entflammen oder explodieren. Dies ist ein Sicherheitsvorteil, der durch den speziellen Aufbau und die verwendeten Materialien ermöglicht wird.
Lange Lebensdauer
Die Lebensdauer von Redox-Flow-Batterien beträgt je nach verwendeten Materialien zwischen 15 und 20 Jahren. Bei Organic Flow Batterien fehlen zwar noch Erfahrungswerte, aber theoretisch muss nur der Elektrolyt ausgetauscht werden, nicht die gesamte Batterie, was eine hohe Lebensdauer erwarten lässt.
Minimale Selbstentladung
Einer der größten Vorteile dieser Batterietechnologie ist, dass sie kaum an Selbstentladung leidet. Da die Energiespeicherung extern in den Tanks stattfindet, geht nur sehr wenig Energie verloren, wenn das System stillsteht.
Und welche Nachteile haben Redox-Flow-Batterien?
Geringe Energiedichte
Wie bei Salzwasserspeichern haben auch Redox-Flow-Batterien eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien.
Vergleich Energiedichte:
| Typ | Zellspannung | Energiedichte (Wh/l) |
|---|---|---|
| Vanadium-Redox | ca. 1,3 V | Ca. 15 – 25 |
| Zink-Brom | ca. 1,9 V | Ca. 50 – 80 |
| Blei | Ca. 2 V | Ca. 70 – 90 |
| Lithium-Eisenphospaht | Ca 4 V | Ca. 80–140 |
Hohe Kosten
Vanadium, das am häufigsten in Redox-Flow-Batterien verwendet wird, ist ein Schwermetall, das hohen Preisschwankungen unterliegt und als teuer gilt. Allerdings könnte sich dies ändern, wenn Organic-Flow-Batterien auf den Markt kommen, die kostengünstigere Materialien verwenden.
Große und schwere Batterien
Aufgrund ihrer geringen Energiedichte müssen Redox-Flow-Batterien groß sein, um eine höhere Kapazität zu erreichen. Diese Größe führt dazu, dass die Batterien schwer sind und sich daher nur als stationäre Speicher eignen.
Obwohl dies in der Regel kein großes Problem darstellt, insbesondere wenn Solarenergie stationär gespeichert wird, gibt es für die E-Mobilität noch keine geeignete Lösung.
Wer stellt Redox-Flow-Batterien her und wie viel kosten sie?
Das Angebot und die Kosten für Redox-Flow-Batterien können aufgrund verschiedener Faktoren stark variieren. Dabei spielen sowohl der Hersteller als auch die verwendeten Materialien eine entscheidende Rolle.
Wer sind die führenden Hersteller von Redox-Flow-Batterien?
Ehemals war das Münchener Unternehmen Voltstorage bekannt für die Herstellung von Heimspeichern. Heutzutage hat sich das Unternehmen jedoch auf gewerbliche Speicher spezialisiert und stellt keine Heimspeicher mehr her.
Aktuell hat das europäische Unternehmen Prolux Solutions, eine Tochtergesellschaft des schweizerischen Unternehmens Arbonia AG, die Führung bei der Herstellung von Heimspeichern übernommen. Sie bieten einen Speicher mit einer Kapazität von 6 kWh für den Hausgebrauch an und arbeiten derzeit an einem leistungsstärkeren Modell mit einer Kapazität von 10 kWh.
Überblick Modelle:
| Modell | Kapazität | Lade-/ Entladeleistung | Spitzenleistung | Abmessungen | Gewicht |
|---|---|---|---|---|---|
| STORAC AC 2/6 | 6 kWh | 2000 W | 3000 W | 2000 x 600 x 600 mm | 174 kg |
| STORAC AC 4/10 | 10 kWh | 4000 W | 5000 W | 1850 x 1200 x 740 mm | 310 kg |
Wie viel kosten Redox-Flow-Batterien?
Die Kosten für Redox-Flow-Batterien können variieren und sind oft schwer genau zu bestimmen. Ein wichtiger Faktor sind die Preisschwankungen von Vanadium, das häufig in Redox-Flow-Batterien verwendet wird. Ebenso relevant sind die Kosten des verbauten Stacks, also der Kernkomponente der Batterie, die die chemische Reaktion ermöglicht.
Interessanterweise hat das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik kürzlich einen Durchbruch bei der Kostenreduktion erreicht.
Durch ihre Innovationen konnten sie die Materialkosten erheblich senken. Dies lässt hoffen, dass die Preise für diese Batterietechnologie in Zukunft noch weiter sinken werden, insbesondere wenn sie verstärkt für heimische Solaranlagen eingesetzt werden.
Was sind die Zukunftsaussichten für Redox-Flow-Speicher?
Redox-Flow-Batterien haben viel Potential, besonders bei hohen Kapazitäten und Leistungen. Die Herausforderungen bestehen in kostengünstiger Herstellung und Optimierung für verschiedene Anwendungen.
Was verbessert sich bei den Batteriekomponenten?
Die Herstellung stabiler, großformatiger Bipolarplatten ist eine Hürde. Sie sind essentiell, um technisch nützliche Batterien zu bauen.
Weiterhin wird nach günstigeren und umweltfreundlicheren Elektrolyten geforscht. Hier kommen vermehrt organische Moleküle, wie zum Beispiel aus Lignin gewonnene Chinone oder Ferrocyanide, zum Einsatz.
Wie kann das Batteriemanagement optimiert werden?
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt ein automatisches Batteriemanagement. Dieses soll die Redox-Flow-Batterie immer am effizientesten Punkt betreiben, unabhängig davon, ob sie geladen oder entladen wird. Hierbei spielt auch das thermische Management eine Rolle, da die Kühlung zur richtigen Zeit erfolgen muss.
Fazit
Die Redox-Flow-Speichertechnik ist ein Energiespeichersystem mit großer Skalierbarkeit und Sicherheit. Sie sind flexibel einsetzbar und weisen eine lange Lebensdauer auf. Herausforderungen liegen in der Energiedichte und den Kosten.
Doch durch kontinuierliche Forschung, insbesondere bei der Optimierung von Elektrolyten und Batteriemanagement, haben sie ein großes Zukunftspotential, vor allem in der stationären Energiespeicherung. Mit weiterer technologischer Entwicklung könnten sie eine wichtige Rolle in einer nachhaltigen, erneuerbaren Energiezukunft spielen.
