Erforschung neuer Stromspeicher

REDOX - FLOW -BATTERIE - Stromspeicher der Zukunft?

 Diese Speichermöglichkeit wird im Hinblick auf die Speicherung erneuerbarer Energie erforscht. Während man bei Pumpkraftwerken den Energieabruf gut steuern kann, ist dies bei Sonnen- und Windkraftanlagen für große Energiemengen noch nicht hinreichend gelöst. Die Forschung an der REDOX-FLOW-Technik könnte  zur Lösung dieser Problematik führen.

Da Wind- und Sonnenenergie fluktuieren, besteht eine große Herausforderung der Energiewende darin, den Stromfluss zu verstetigen. Dies können elektrische Energiespeicher leisten. Auf der ENERGY STORAGE präsentierte Fraunhofer UM-SICHT vom 13. bis 15. März 2018 in Düsseldorf (Stand B39, Halle 8b) besonders langlebige Redox-Flow-Batterie-Stacks und hochflexible Bipolarplatten, mit denen Einzelzellen zu leistungsstarken Stacks verbunden werden.

Elektrische Energiespeicher ermöglichen eine bedarfskonforme Verstetigung des volatilen Stromflusses aus Windkraftanlagen und Solarzellen und sind somit der Schlüssel für das Gelingen der Energiewende. Gerade bei großen Leistungen und großen Kapazitäten im Megawatt-, bzw. Megawattstunden-Bereich bieten Redox-Flow-Batterien klare ökonomische Vorteile gegenüber anderen Energiespeichersystemen. »Neben der unabhängigen Skalierbarkeit von Leistung und Kapazität zählen vor allem der hohe Wirkungsgrad und die sehr lange Lebensdauer zu den Vorteilen dieser chemischen Energiespeicher«, erklärt Jan Girschik von Fraunhofer UMSICHT.

 Auf der Energy Storage 2018 in Düsseldorf zeigt das Fraunhofer UMSICHT u. a. einen vollverschweißten und damit absolut dichten Redox-Flow-Batterie-Stack mit einer Leistung von ca. 450 Watt bei Druckverlusten von maximal 200 mbar. Dieser Stack besteht aus fünf Batteriezellen mit einer aktiven Fläche von je 1100 cm². Da sich Redox-Flow-Batterien – im Gegensatz zu Lithiumbatterien – auch mit sehr großen Zellen realisieren lassen, hat es sich das Fraunhofer UMSICHT zum Ziel gesetzt, die aktive Zellfläche sukzessiv in den Quadratmeterbereich zu steigern.

Leitfähige Bipolarplatte als Coil

 Die meisten der benötigten Batteriekomponenten einer Redoxzelle sind bereits ausreichend großformatig erhältlich bzw. produzierbar. Eine Herausforderung, an der weltweit mit hohem finanziellem Aufwand geforscht wird, stellt derzeit noch die Herstellung von großformatigen, dünnen und gleichzeitig mechanisch stabilen Bipolarplatten dar. Erst mit diesen können Einzelzellen zu Stacks zusammengefügt werden, um eine Batterie mit technisch nutzbaren Spannungs- und Leistungswerten zu konfigurieren. Um diese Technologielücke zu schließen, hat Fraunhofer UMSICHT ein neuartiges Thermoplast-basiertes Bipolarplattenmaterial entwickelt. Mit diesem und einem speziellen Fertigungsverfahren lassen sich in einem kontinuierlichen Prozess leitfähige und hochflexible Bipolarplatten herstellen. In einem vom BMWi geförderten Projekt wurde gemeinsam mit der SAUERESSIG GmbH + Co. KG bereits eine 3,2 m² große Bipolarplatte produziert.

»Die Bipolarplatte weist zahlreiche Vorteile auf: Eine geringe Mindestdicke (400-500 µm), die damit einhergehende gute Leitfähigkeit, ihre Flexibilität und die kosteneffiziente, kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Produktionsweise«, erläutert Lukas Kopietz von Fraunhofer UMSICHT. Neben Redox-Flow-Batterien können großformatige Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen (proton exchange membrane fuel cell) hergestellt werden.

Fraunhofer-Institut für
Umwelt-, Sicherheits- und
Energietechnik UMSICHT

 

 

Weitere Informationen:

 (Wikipedia Bilder und Textauszug)

 

 Die Redox-Flow-Batterie (RFB) oder (Redox-)Flussbatterie – 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 galvanischen Zelle mittels einer Membran der Ionenaustausch erfolgt. In der Zelle werden dabei die gelösten Stoffe chemisch reduziert bzw. oxidiert, wobei elektrische Energie frei wird. 

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

 Die eigentliche 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 in Form einer Reduktion oder Oxidation abläuft. Die Membran ist je nach Zelltyp ein mikroporöser Separator, der alle Ionen passieren lässt, oder eine selektive Anionen- oder Kationentauschermembran, oder eine Größenausschlussmembran, die Polymer zurückhält und kleine Ionen passieren lässt. 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.