Forschern von Fraunhofer UMSICHT ist es durch ein neues Design gelungen, die Größe und Leistungsfähigkeit der Batteriestacks zu erhöhen.
Fraunhofer UMSICHT
Mit Redox-Flow-Akkumulatoren hoher Leistung lassen sich Stromverteilungsnetz stabilisieren, die durch einen hohen Anteil von Solar- und Windstrom belastet werden. Dank neuer Membranmaterialien und eines optimierten Batteriemanagements können demnächst Batterie mit einer Zellgröße von 0,5 Quadratmeter mit einer Stackleistung von 25 kW entwickelt. Das ist achtmal größer als die bisherigen DIN-A4-Blatt großen Systeme.
Um den hohen Anteil von Solar- und Windstrom systemrelevant in das Versorgungsnetz einzuspeisen – vor allem nachts oder an windschwachen Zeiten – setzen Energieunternehmen verstärkt auch auf Redox-Flow-Akkumulatoren. Sie bieten eine gute Möglichkeit, um die Schwankungen bei erneuerbaren Energien auszugleichen und eine stetige Versorgung zu sichern. Sie speichern elektrische Energie in chemischen Verbindungen, den flüssigen Elektrolyten. Die Ladung und Entladung der Elektrolyten findet dabei in kleinen Reaktionskammern statt. Mehrere dieser Zellen werden nebeneinander zu Stapeln, Stacks, aufgereiht.
Bisher allerdings erweist sich die teils nur geringe Leistung pro Fläche als Hindernis für einen umfangreichen Einsatz. Die derzeit auf dem Markt verfügbaren etwa 1/16 Quadratmeter großen Akkumulatoren bieten im Durchschnitt nur eine Leistung von 2,3 kW. Dank zahlreicher Fortschritte in der Chemie und im Aufbau erhoffen sich Materialexperten bald aber wesentlich höhere Leistungsdichten, wie Rolf E. Hummel in seinem Fachbuch Electronic Properties of Materials im Detail beschreibt. Die Redox-Flow-Zelle (Red für Reduktion = Elektronenaufnahme, Ox für Oxidation = Elektronenabgabe) ist ein Akkumulator. Sie speichert Energie in Elektrolytlösungen. Diese fließen aus Tanks durch eine Zelle, die in einem chemischen Prozess daraus Strom erzeugt. Am weitesten verbreitet ist die Vanadium-Redox-Flow-Batterie. Die Ladung und Entladung des Vanadiums findet in kleinen Reaktionskammern statt. Mehrere dieser Zellen sind nebeneinander zu Stapeln, Stacks, aufgereiht. Das erhöht die Leistung der Batterie. Redox-Flow-Batterien bieten einige Vorteile: Sie sind kostengünstig, robust, langlebig und lassen sich individuell anpassen.
Optimiertes Batteriemanagement
Erste Erfolge mit leistungsfähigeren Systemen können derzeit die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen gelang es nunmehr, die Größe der Stacks und damit die Leistungsfähigkeit deutlich zu erhöhen. Dank eines neuen Designs ist es ihnen gelungen, Stacks mit 0,5 Quadratmeter Zellgröße zu fertigen. Das ist achtmal größer als die bisherigen Systeme und entspricht einer Leistung von 25 kW. Der Prototyp verfügt über einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent. Er kann mit Strömen von bis zu 500 Ampere belastet werden..
Um die hohe Leistung zu erzielen, kommen zum einen neue Membranmaterialien zum Einsatz,. Zudem forschten die Wissenschaftler am Batteriemanagement und dem Batteriedesign. Strömungssimulationen halfen dabei, den Aufbau der Zellen zu optimieren. Die Forscher haben die Batterien dann komplett neu designt und so den Durchbruch geschafft.
„Uns ist mit dem Redesign des Batterie-Stacks ein sehr wichtiger Schritt gelungen auf dem Weg, Redox-Flow-Batterien zu entwickeln, die zum Beispiel 2000 Haushalte mit Strom versorgen können«, sagt Dr. Christian Dötsch, der den Bereich Energie am Fraunhofer UMSICHT leitet. Dazu wären etwa zwei Megawatt Leistung nötig. Als nächstes konkretes Ziel stehe daher zunächst die Entwicklung eines Stacks in der Größe von zwei Quadratmetern und einer Leistung von 100 kW auf der Agenda.