Für die Energiewende werden Lösungen benötigt, um die Energie aus der Solar- und Windstromproduktion dezentral zu speichern und schwankende Produktionskapazitäten auszugleichen. Zentralisierte Lösungen wie Pumpspeicherkraftwerke haben einen grossen Platz- und Kapitalbedarf – am einfachsten wäre es, den Strom dezentral in Batterien zu speichern. Dabei gerät neben den etablierten Lithium-Ionen Batterien vor allem die innovative Redox-Flow-Batterie immer mehr in den Fokus, die elektrische Energie in flüssigen chemischen Verbindungen speichert.

Fast unbegrenzte Skalierbarkeit
Häufig kommt dabei ein Vanadium-Elektrolyt zum Einsatz, das in Tanks in unterschiedlichen Oxidationsstufen gespeichert wird, während der Strom ähnlich wie bei der Brennstoffzelle an einer Membran produziert wird. Dabei bestimmt die Grösse dieser Membran die Leistung (kW), die Energie (kWh) hängt wiederum von der Tankgrösse ab, also der Menge der eingesetzten Flüssigkeit. Energie und Leistung kann bei der Redox-Flow-Batterie demnach unabhängig voneinander skaliert werden. Diese fast unbegrenzte Skalierbarkeit prädestiniert die Redox-Flow-Batterie zum Netzspeicher für die Energiewende, etwa zur Verschiebung von Sonnenenergie für den Verbrauch während der Nacht.

Für stationäre Anwendungen geeignet
Die Redox-Flow-Batterie eignet sich aber nicht für jede Anwendung. Aufgrund einer geringen Energiedichte sind die Batterien gross und schwer, für Elektronikgeräte oder Elektroautos sind leichte Lithium-Ionen-Akkus deshalb viel besser geeignet. „Bei der stationären Anwendung in grossen und mittleren Modulen ist die Flow-Technologie aufgrund ihrer Skalierbarkeit aber überlegen“, sagt Professor Thomas Leibfried vom Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik des KIT. Ausserdem sei das Vanadium für den gängigen Vanadium-Akkumulator eines der häufigsten Elemente, während die weltweiten Lithiumvorräte schon in wenigen Jahrzehnten ausgebeutet sein könnten.

Noch am Anfang der Entwicklung
Für die Redox-Flow-Batterie spreche auch, dass sie feuersicher sei, weil eine unkontrollierte Erhitzung (thermal runaway) ausgeschlossen werden kann. Zudem sei sie weniger giftig und auch ein Recycling sei im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterie kein Problem. Dass ein Durchbruch der Flow-Technologie bisher nicht erfolgt sei, liege vor allem an der Schwierigkeit, sie effizient einzusetzen, erläutert Leibfried. Während in die Steuerung von Lithium-Ionen-Batterien bereits Jahrzehnte der Entwicklung investiert werde, befinde man sich bei der Redox-Flow-Batterie noch ganz am Anfang. Aktuell müsse sie deshalb noch für jedes Anwendungsszenario baulich angepasst werden.

Automatisches Batterie-Management
Um das zu ändern, hat Thomas Leibfried mit seiner Forschungsgruppe nun ein automatisches Batterie-Management entwickelt, das zurzeit als Prototyp in einem Vanadium-Akkumulator am KIT getestet wird. Es stellt sicher, dass die Redox-Flow-Batterie sowohl im Lade- als auch im Entladezyklus immer an ihrem effizientesten Punkt betrieben wird, egal wofür sie eingesetzt wird. Die momentane elektrische Effizienz werde dabei vor allem durch die Pumpgeschwindigkeit bestimmt, erklärt Thomas Lüth, der den ersten Prototypen der automatischen Steuerung selbst zusammengelötet hat: „Lasse ich die Pumpe schneller laufen, sinkt der Innenwiderstand und damit auch der Verlust bei der Energieumwandlung. Allerdings benötigt das System dann mehr Energie für die Pumpe.“

Je nachdem, wieviel Leistung im Betrieb eingefordert oder eingebracht werde, steuere das neue Batterie-Management hier den idealen Kompromiss an. Eine weitere wichtige Komponente für einen effizienten Betrieb sei ausserdem das thermische Management, weil auch eine Kühlung Energie kostet und zur richtigen Zeit erfolgen muss. Wenn der aktuelle Prototyp seine Funktionalität bewiesen hat, soll das Batterie-Management miniaturisiert werden: In einer marktreifen Version wird es dann auf einem Mikrochip Platz finden.

Weitere Forschung
Ein automatisches Batterie-Management ist ein wichtiger Schritt, um den Durchbruch der Flow-Technologie voranzutreiben. Am KIT findet weitere Forschung zudem am Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT statt. Dort werden die Degradationsprozesse an der Membran untersucht, um die eingesetzten Materialien zu optimieren. Ausserdem wird am KIT auch der praktische Einsatz der Technologie erprobt, so wird eine Redox-Flow-Batterie samt neuer Steuerung gerade in das „Energy Smart Home Lab“ des Verbundprojekts iZEUS (intelligent Zero Emission Urban System) eingebundenen. Die Forschung am KIT zur Flow-Technologie zielt insgesamt auf eine neue Generation effizienter Batterie-Module für die Massenproduktion, die am Aufstellungsort nur noch angeschlossen werden müssen.

Das Batterie-Management zum dezentralen Überwachen und Regeln von Redox-Flow-Batterien stellt das KIT vom 23. bis 27. April an der Hannover Messe vor in Halle 27, Stand K51

Text: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)