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Eine Lithium-Alternative: Die Redox-Flow-Batterie

Redox-Flow-Speicher für Ein- und Mehrfamilienhaushalte

Der meist verbreitete Lithium-Batterie-Typ setzt sich mehrheitlich aus fünf Rohstoffen zusammen: Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt und Graphit. Allen voran die Gewinnung von Lithium und Kobalt bringen massive ökologische bzw. humanitäre Probleme mit sich. Wir berichteten dazu hier (Link). Klima- und umweltschonend Strom aus erneuerbaren Energien zu speichern benötigt deshalb weitere bessere Möglichkeiten.

Selbst produzierten Strom, ob aus Photovoltaik, Windkraft oder Brennstoffzellen, ökologisch und nachhaltig ohne den Einsatz von Lithium zu speichern ermöglicht die Technik der Redox-Flow-Batterie. Die Grundlagen für Redox-Flow-Zellen wurden Mitte des 20. Jahrhunderts in Deutschland von Walther Kangro an der Technischen Universität Braunschweig erarbeitet. Seit dem hat diese Technik in der Wissenschaft eine beständige Weiterentwicklung erfahren.

Die Redox-Flow-Batterie ist eine sogenannte Flüssigbatterie, die elektrische Energie in chemischen Verbindungen speichert. Die zwei energiespeichernden Elektrolyte zirkulieren dabei in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen denen in der galvanischen Zelle mittels einer Membran der Ionenaustausch erfolgt. Da die in einem Lösungsmittel gelösten chemischen Verbindungen in von der Zelle getrennten und beliebig groß ausgeführten Tanks gespeichert werden, ist die gespeicherte Energiemenge nicht von der Zellengröße abhängig.  

Ein wesentlicher Vorteil der Redox-Flow-Batterie liegt in ihrer theoretisch unbegrenzten Lebensdauer, ihrer praktisch nicht begrenzten Entlade- und Ladefähigkeit oder auch sehr guten Wiederverwertbarkeit der einzelnen Bauteile und Elektrolyteflüssigkeiten. Ein Nachteil kann ihre geringe Energiedichte sein, da die Elektrolytespeicher je nach gewünschter Batterieleistung im Vergleich mit Lithium-Batterien einen erheblich größeren Raumbedarf haben. Doch auch hier zeigt uns wissenschaftliche Forschung und Weiterentwicklung, dass bereits heute Redox-Flow-Batterien mit relativ geringem Raumbedarf für Ein- und Zweifamilienhäuser verfügbar sind. Wo ausreichend Raum zur Verfügung steht, ist die Redox-Flow-Batterie bereits heute als beste derzeit verfügbare Möglichkeit angezeigt, selbst produzierten Strom aus unterschiedlichen Quellen ökologisch und nachhaltig zu speichern.

Das Funktionsprinzip der Redox-Flow-Batterie

Redox-Flow-Batterietypen können mit verschiedenen Elektrolytflüssigkeiten konstruiert werden, zum Beispiel mit Vanadium, Natrium-Bromoxid oder Zink-Brom. Die verschiedenen Batterietypen haben unterschiedliche Energiedichten.

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie ist eine fortschrittliche und innovative Fluss-Batterietechnologie. Im Elektrolyt kann Energie durch unterschiedliche Oxidationsstufen (V2+, V3+, V4+, V5+) von gelösten Vanadium-Ionen gespeichert bzw. abgegeben werden. Je nach aktueller Anforderung wird dabei Energie im Elektrolyt gespeichert (Laden der Batterie) oder dem Elektrolyt entnommen und selbst verbraucht oder auch wieder ins Netz eingespeist (Entladen der Batterie).

Vanadium-Redox-Flow-Batterie Funktionsprinzip (Grafik: Schmid-Group)
Vanadium-Redox-Flow-Batterie Funktionsprinzip (Grafik: Schmid-Group)

Dadurch, dass die Flussrichtung des Elektrolyten beim Laden und Entladen nicht die Richtung wechseln muss, ist die
Vanadium-Redox-Flow-Batterie in der Reaktionszeit sehr schnell (weniger als 20ms). Dabei kann unter voller Last zwischen Laden und Entladen umgeschaltet werden.

Wenn das System im Standbymodus ist findet lediglich eine minimale Entladung im Stack statt. In den Elektrolyttanks findet dabei keine Entladung statt bis das Elektrolyt wieder durch das aktivieren der Pumpen durch den Stack gepumpt wird.

Vergleich zu anderen Batterien

Im Vergleich zu anderen Batterien wie beispielsweise Bleiakkumulatoren, Lithium-Ionen-, Natrium-Schwefel-, oder Natrium-Nickelchlorid-Akkumulatoren zeigt die Vanadium-Redox-Flow-Batterie gemäß Ausführungen der Schmid-Group entscheidende Vorteile:

  • Bleibender Wert – langlebige Technologie, bis zu 40 Jahre Elektrolyt-Lebensdauer
  • Umweltfreundlich – keinerlei Emissionen
  • Ungefährlich: Weder brennbar noch explosionsgefährdet
  • Flexible Skalierbarkeit – Leistung und Energie passend zu Ihrer Anforderung
  • Hohe Zyklenfestigkeit (typischerweise bis zu 10.000 Vollzyklen)
  • Inselfähig und netzparallelfähig durch integrierten Wechselrichter
  • Keine Selbstentladung in den Tanks
  • Integrierte Selbstdiagnose und Echtzeitmonitoring
  • Geringer Wartungsbedarf
  • Kompatibel mit allen erneuerbaren Energiequellen
  • Eigensicher – konstruktive Maßnahmen gewährleisten höchste Sicherheit und ist weder brennbar noch explosiv
  • Eco-Design: Reparabel
  • Geringer Installationsaufwand
  • Echtzeitmessung des Ladezustandes
  • Ein Elektrolyt in beiden Tanks: Vanadium
  • 100% recyclefähig
  • 100% reversibler Lade- und Entladeprozess im Elektrolyt
  • 100% tiefenentladungsfähig ohne Spätfolgen
Ein Chamäleon-Farbenspiel: Flüssiger Vanadiumelektrolyt in seinen vier Oxidationsstufen. Vanadiumbatterien laden oder entladen sich durch eine reversible chemische Reaktion, während der Elektrolyt zwischen den Tanks zirkuliert.
Ein Chamäleon-Farbenspiel: Flüssiger Vanadiumelektrolyt in seinen vier Oxidationsstufen. Vanadiumbatterien laden oder entladen sich durch eine reversible chemische Reaktion, während der Elektrolyt zwischen den Tanks zirkuliert. (Bild: Harald Knust)

Anwendungen für Redox-Flow-Batteriespeicher

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie löst die verschiedensten Aufgaben für Energieversorger, Netzbetreiber, Telekommunikationsunternehmen, Gewerbe und Industrie sowie für Privathaushalte. Vor- und Nachteile sowie Anwendungsbeispiele zeigt das nachfolgend zitierte Video der mediacomeurope im Bild:

Für Anwendungen im Ein- und Zweifamilienhaus stehen heute Redox-Flow-Battteriespeicher in Kühlschrankgröße zur Verfügung, während industrielle Anwendungen Batterien dieser Bauart in externen Containern oder Gebäuden auslagern, wie es im nachstehenden Bild zu sehen ist.

In Container und externen Gebäuden ausgelagerte Redox-Flow-Batterieanlage
In Container und externen Gebäuden ausgelagerte Redox-Flow-Batterieanlage

Die größte Batterie Deutschlands

Die größte Batterie Deutschlands könnte ein Meilenstein sein, um unsere Energieprobleme zu lösen. Galileo zeigte im nachstehend zitierten Video wie dieses gigantische Teil funktioniert und wer dahinter steckt. Die Anlage in
Pfinztal in der Nähe von Karlsruhe gehört zum Fraunhofer-Institut.



Redox-Flow-Anlage in Pfinztal bei Karlsruhe
Redox-Flow-Anlage in Pfinztal bei Karlsruhe

Im Bau: Weltgrößter Redox-Flow-Speicher unter der Erde

Wer in Norddeutschland unterwegs ist, kennt den Anblick: Majestätische Propeller auf hohen Türmen, die sich im Wind drehen. Oft genug aber stehen sie trotz einer ordentlichen Brise still – sie können keinen Strom ins Netz speisen, weil dieses sonst überlastet würde. Statt Strom zu produzieren, stehen sie nutzlos in der Landschaft. Der Oldenburger Energieversorger EWE will das ändern: Er will elektrische Energie in einigen Jahren unter der Erde speichern.

Das Unternehmen will in zwei riesigen Hohlräumen in Salzstöcken in Ostfriesland einen Batteriespeicher einrichten. Er soll ab 2025 Strom aus Windrädern in chemischen Verbindungen speichern und wieder bereitstellen, wenn Strom aus erneuerbaren Quellen nicht zur Verfügung steht, nachts etwa oder bei Flaute. Seine Speicherkapazität wird ausreichen, um 75.000 Haushalte einen ganzen Tag lang mit Strom zu versorgen.

Energiespeicher in unterirdischen Salzkavernen
Energiespeicher in unterirdischen Salzkavernen
Überschüssige Energie aus Windparks soll in Kavernen zwiswchengespeichert werden
Überschüssige Energie aus Windparks soll in Kavernen zwiswchengespeichert werden

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