Redox-Flow-Batterie

Funktionsweise, Typen und Forschung
redox-flow-banner

Quelle: stock.adobe.com

Wie funktioniert eine Redox-Flow-Batterie, wie lässt sich die Alterung analysieren, welche Rolle spielt die Redox-Flow-Batterie in der Energiewende und können damit Elektroautos angetrieben werden? Was für verschiedene Typen von Flüssigbatterien gibt es? Wie unterscheiden sich Typen von Redox-Flow-Batterien und Welche Vor- und Nachteile hat diese Technologie? Diese Fragen möchten wir an dieser Stelle beantworten.

Was ist eine Redox-Flow-Batterie?

Redox-Flow-Batterien, auch Redox-Flussbatterie, Flussbatterie oder Flüssigbatterie genannt, stellen elektrische Energie aus flüssigen Elektrolytlösungen, häufig auf Basis des Schwermetalls Vanadium, bereit. Der Unterschied zur wiederaufladbaren Batterie (auch als Akkumulator bezeichnet) besteht in der räumlichen Trennung zwischen den beiden Speichern der Redox-Flow-Batterie, die jeweils Elektrolytflüssigkeiten unterschiedlicher Konzentration enthalten, und dem Energiewandler, dessen Zellen aus einer Membran und zwei Elektroden bestehen.

Diese Zellen verarbeiten die Elektrolytflüssigkeit in einer chemischen Reaktion, die nutzbare elektrische Energie bereitstellt. Diese Reaktion ist umkehrbar, sodass mit Hilfe von elektrischer Energie, zum Beispiel aus erneuerbaren Energien, die Elektrolytflüssigkeit wieder die ursprüngliche Ausgangskonzentration erreicht und damit im nächsten Schritt wieder elektrische Energie bereitstellen kann. Ein nachhaltiger Kreisprozess entsteht, der sich als Stromspeicher nutzen lässt.

Funktionsweise der 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 der 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 ändert sich die Wertigkeit und die Konzentration. Die Höhe der Gleichspannung an einer Zelle ist abhängig von der Materialzusammensetzung der

Bild: Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Redox-Flow-Batterie.

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.

Zellspannung messen

Einzelne Zellen lassen sich zu einem Stack, also einem Stapel aus in Reihe angeordneten einzelnen Zellen, zusammen schalten. 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.

Bild: Das Messgerät DiLiCo cell voltage zur Einzelzellspannungsmessung.

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.

Typen von Redox-Flow-Batterien

Redox-Flow-Batterien unterscheiden sich vorrangig in der Zusammensetzung der Elektrolyten und der Lösungsmittel. Aufgrund der verschiedenen Zusammensetzungen sind mehr als 50 Varianten in der Literatur beschrieben. Der Elektrolyt besteht aus einem Lösungsmittel und darin gelösten Salzen. Diese Zusammensetzung bestimmt die Zellspannung und damit die Energiedichte.

Je höher die Zellspannung ist, umso größer ist die Leistung der Batterie bei gleicher Membran- und Elektrodenfläche. Die höchste Zellspannung erzielen Zink-Brom Redox-Paare mit 1,8 V. Als Lösungsmittel kommen anorganische oder organische Säuren aber auch einfache Kochsalzlösungen zum Einsatz. Die folgende Tabelle zeigt verschiedenen Redox-Paare von Redox-Flow-Batterien.

Vanadium-Redox-Systeme sind bisher am weitesten entwickelt und sind am Markt durch einige Anbieter vor allem für die stationäre Energiespeicherung verfügbar. Einheiten mit einer Leistung von 15 MW und 60 MWh sind beispielsweise in Japan bereits realisiert worden.

Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie betreibt eine 2 MW Redox-Flow-Batterie Anlage zu Forschungszwecken im Rahmen des Großprojektes RedoxWind direkt mit einer Windkraftanlage, um zum Beispiel energieautarke Insellösungen zu testen. Die meisten Redox-Flow-Batterietypen befindet sich jedoch vorrangig im Entwicklungsstadium und sind nicht kommerziell im Einsatz.

Redox-Paar Zellspannung
Wasserstoff-Brom 1,1 V
Eisen-Chrom 1,2 V
Vanadium/Polyhalid 1,3 V
Vanadium/Vanadium 1,4 V
Brom-Polysulfid 1,5 V
Zink-Brom 1,8 V

Tabelle: Verschiedene Redox-Paare und deren Zellspannung.

Wo werden Redox-Flow-Batterien eingesetzt?

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, machen Redox-Flow-Batterie deshalb besonders flexibel im täglichen Einsatz gegenüber der begrenzten Zyklenzahl von Batterien.

Die Redox-Flow-Batterie ist aufgrund seiner 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.

Quelle: stock.adobe.com

Welche Vor- und Nachteile haben Redox-Flow-Batterien?

  • Leistung und Speicherkapazität unabhängig voneinander skalierbar
  • Hoher Wirkungsgrad (70 –90%)
  • Lange Lebensdauer (ungefähr 20 Jahre) und unbegrenzte Zyklenzahl
  • Beständig gegenüber Tiefentladung, geringe Selbstentladung
  • Schnelle Reaktionsfähigkeit
  • Elektrolyt nicht brennbar oder explosionsgefährlich
  • geringe Energiedichte gegenüber Lithiumionenakkus
  • geringere zulässige Betriebstemperaturen minimieren Einsatzspektrum
  • Starke Preisschwankungen für Vanadium
  • unerwünschter Übergang der Elektrolyten durch die Membran (sog. crossover)

Wie ist der aktuelle Stand in der Forschung von Redox-Flow-Batterien?

Die Verringerung der Investitionskosten durch automatisierte Fertigungsverfahren und neuen, kostengünstigeren 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.

Bild: Das Messgerät DiLiCo current density für den Einblick in die Zelle.