Redox-Flow-Batterie:

Redox ist ein zusammengesetztes Wort und steht für Reduktion ⁄ Oxidation. Reduktion bedeutet Elektronenaufnahme. Oxidation bedeutet Elektronenabgabe. Die Redox-Flow-Batterie, besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten. Die erste Komponente ist die Zelle, bestehend aus Membran und zwei Elektroden, ähnlich wie bei den Brennstoffzellen. Die beiden anderen Komponenten sind die Tanks zur Speicherung der Elektrolytflüssigkeiten. Diese beiden Elektrolytflüssigkeiten unterschiedlicher Konzentration oder Wertigkeit werden jeweils über eine Pumpe in getrennten Kreisläufen an jeweils eine Elektrode geführt. An jeder Elektrode reagiert eine der Elektrolytflüssigkeiten, und Ionen werden freigesetzt. Diese gelangen durch die teildurchlässige Membran und werden von der anderen Elektrolytflüssigkeit wieder aufgenommen.

Die freigesetzten Elektronen wandern nicht durch die Membran, sondern durch die Elektrode zum äußeren elektrischen Stromkreis zur anderen Elektrode. Der Zustand der beiden Elektrolyte ändert sich demnach. Die durchströmende und zum Teil nicht reagierte Elektrolytflüssigkeit wird dann wieder in denselben Speicher zurückgeführt. Dadurch ändern sich die Wertigkeit und die Konzentration. Die Höhe der Gleichspannung an einer Zelle ist abhängig von der Materialzusammensetzung der beiden Elektrolyte (Redox-Paar) und beträgt im Leerlauf zwischen 1,1 V für Wasserstoff-Brom-Redox-Paare bis hin zu 1,5 V für Brom-Polysulfid.

Der elektrische Gleichstrom und die lastabhängige Zellspannung sind durch die Leistungselektronik auf ein konstantes Spannungslevel entsprechend der Last anzupassen. Aufgrund des geringen Eigenverbrauchs der Anlagentechnik und der effizienten elektrochemischen Reaktion werden Gesamtwirkungsgrade auf der Wechselstromseite von bis zu 75 % erreicht. Eine Redox-Flow-Batterie gilt somit als innovativer Batterietyp, der auf der Trennung von Energieumwandlung und Energiespeicherung basiert und dabei Redox-Flow-Zellen nutzt, in denen chemische Energie in einem flüssigen Redox-System gespeichert wird.

Einzelne Zellen lassen sich zu einem Stack, also einem Stapel aus in Reihe angeordneten einzelnen Zellen, zusammenschalten. Somit erhöht sich die nutzbare Spannung, weil sich alle Spannungen jeder Zelle aufaddieren. Weil die freigesetzten Elektronen in jeder einzelnen Zelle immer zur nächsten Zelle wandern, ist die schwächste Zelle der limitierende Faktor für die Leistungsfähigkeit. Wenn also eine Zelle defekt ist und keine Elektronen zur nächsten Zelle weiterleitet, fällt die Zellspannung auf 0 V ab und die Flüssigbatterie liefert keine elektrische Leistung mehr.

Deshalb sollte die Spannung an jeder einzelnen Zelle erfasst und in die Sicherheitskette der Anlage implementiert werden. Denn wenn sich Probleme an Zellen durch die Zellspannungsmessung rechtzeitig erkennen lassen, können Gegenmaßnahmen durch die Betriebsführung erfolgen und irreversible Schäden sowie Reparaturkosten vermieden werden. Eine Lösung zur Überwachung der Zellspannungen von Redox-Flow-Batterien stellt das Einzelzellspannungsmessgerät DILICO cell voltage dar, welches jede einzelne Zelle auf Über- und Unterspannung überwacht und fehlerhafte Zellen an die Anlagensteuerung sendet.

Die Betriebsdauer und die Leistung von Redox-Flow-Batterien bestimmen die Tank- und Membrangröße. Die Menge an Elektrolytflüssigkeit, also der „Brennstoff“, bestimmt die nutzbare Zeit zur Produktion von elektrischer Energie durch die Redox-Flow-Batterie.

Die Größe der Elektroden und der Membran legen die produzierte Strommenge und damit die Leistung fest. Die Speicherkapazität kann daher leicht durch Anpassung der Tankgröße verkleinert oder vergrößert werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber Akkumulatoren, weil die Speicher- und die Wandlereinheit auch räumlich voneinander getrennt positioniert werden können.

Hauptsächlich werden Redox-Flow-Batterien für stationäre Anwendungen zur Abdeckung von Spitzenlast und Lastausgleich oder zur unterbrechungsfreien Energieversorgung eingesetzt. Großbatterieprojekte konzentrieren sich vorrangig auf die Kopplung mit Windkraft- und Photovoltaikanlagen zur Nutzung als Stromspeicher. Besonders die unbegrenzte Zyklenzahl innerhalb der Lebensdauer von ungefähr 20 Jahren macht Redox-Flow-Batterien deshalb besonders flexibel im täglichen Einsatz gegenüber der begrenzten Zyklenzahl von Batterien. Diese Batterien sind ideal für die Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen wie Wind und Solar, da sie zur Integration dieser Energien in das Stromnetz beitragen.

Die Redox-Flow-Batterie ist aufgrund ihrer geringeren volumen- und massebezogenen Energiedichte gegenüber Akkumulatoren aus Lithium aktuell keine Alternative im Bereich der Mobilität. Das Problem von langen Betankungszeiten von Batteriefahrzeugen und den damit begrenzten Netzkapazitäten bei hohen Ladeleistungen hat die Redox-Flow-Batterie jedoch nicht, weil durch den Austausch der Elektrolyte das System schnell wieder aufzuladen ist.

Der Wirkungsgrad ist niedriger als derjenige von Lithiumionenakkus und der Platzbedarf ist zu groß. Es tauchen zwar immer wieder Meldungen nach Forschungsansätzen für den mobilen Einsatz auf, konkrete Umsetzungen fehlen jedoch bisher.

Die Verringerung der Investitionskosten durch automatisierte Fertigungsverfahren und neue, kostengünstigere Materialien stehen ebenso im Fokus der Untersuchungen wie die Erhöhung der Leistungsdichte und Steigerung größerer nutzbarer Temperaturbereiche, die in vielen Forschungsprojekten untersucht werden. Neuartige Katalysatoren zur Erhöhung der Austauschstromdichte und damit zur Effizienzsteigerung sind ebenfalls Gegenstand der Forschung.

Prädestiniert für die Untersuchungen an Redox-Flow-Batterien zur Analyse von neuen Komponenten und den damit verbundenen Alterungseffekten ist der Einsatz von DILICO current density. Dieses Messgerät besteht über der gesamten Fläche aus einer Vielzahl von Strom- und Temperatursensoren und wird zwischen zwei Zellen positioniert.

Dort misst es über der gesamten Fläche die Stromproduktion zwischen zwei Zellen, sodass ein aufschlussreicher Blick in die Zelle gelingt und Aussagen zum Zustand hinsichtlich der Bewertung von Alterungseffekten, Betriebsstrategien und dem Einfluss neuer Komponenten gegenüber Vorgängerversionen von Redox-Flow-Batterien ermöglicht.