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Redox-Flow-Batterie: Netzspeicher fr die Energiewende

Die Redox-Flow-Batterie knnte ein entscheidendes Puzzleteil in den Energienetzen der Zukunft darstellen: Sie ist fast beliebig skalierbar, recyclebar und kann Energie stabil speichern. Zudem werden bei der Herstellung keine seltenen Rohstoffe bentigt. Allerdings mussten die Batterien bisher fr jedes Anwendungsszenario neu angepasst werden. Zuknftig soll diese Aufgabe ein neuartiges Batterie-Management bernehmen, das Forscherinnen und Forscher am Karlsruher Institut fr Technologie (KIT) entwickeln.

Fr die Energiewende werden Lsungen bentigt, um die Energie aus der Solar- und Windstromproduktion dezentral zu speichern und schwankende Produktionskapazitten auszugleichen. Zentralisierte Lsungen wie Pumpspeicherkraftwerke haben einen groen Platz- und Kapitalbedarf am einfachsten wre es, den Strom dezentral in Batterien zu speichern. Dabei gert neben den etablierten Lithium-Ionen Batterien vor allem die innovative Redox-Flow-Batterie immer mehr in den Fokus, die elektrische Energie in flssigen chemischen Verbindungen speichert. Hufig kommt dabei ein Vanadium-Elektrolyt zum Einsatz, das in Tanks in unterschiedlichen Oxidationsstufen gespeichert wird, whrend der Strom hnlich wie bei der Brennstoffzelle an einer Membran produziert wird. Dabei bestimmt die Gre dieser Membran die Leistung (kW), die Energie (kWh) hngt wiederum von der Tankgre ab, also der Menge der eingesetzten Flssigkeit. Energie und Leistung kann bei der Redox-Flow-Batterie demnach unabhngig voneinander skaliert werden. Diese fast unbegrenzte Skalierbarkeit prdestiniert die Redox-Flow-Batterie zum Netzspeicher fr die Energiewende, etwa zur Verschiebung von Sonnenenergie fr den Verbrauch whrend der Nacht.

Die Redox-Flow-Batterie eignet sich aber nicht fr jede Anwendung. Aufgrund einer geringen Energiedichte sind die Batterien gro und schwer, fr Elektronikgerte oder Elektroautos sind leichte Lithium-Ionen-Akkus deshalb viel besser geeignet. Bei der stationren Anwendung in groen und mittleren Modulen ist die Flow-Technologie aufgrund ihrer Skalierbarkeit aber berlegen, sagt Professor Thomas Leibfried vom Institut fr Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik des KIT. Auerdem sei das Vanadium fr den gngigen Vanadium-Akkumulator eines der hufigsten Elemente, whrend die weltweiten Lithiumvorrte schon in wenigen Jahrzehnten ausgebeutet sein knnten. Fr die Redox-Flow-Batterie spreche auch, dass sie feuersicher sei, weil ein thermal runaway, also eine unkontrollierte Erhitzung, 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, erlutert Leibfried. Whrend 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 msse sie deshalb noch fr jedes Anwendungsszenario baulich angepasst werden.

Um das zu ndern, 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 wofr sie eingesetzt wird. Die momentane elektrische Effizienz werde dabei vor allem durch die Pumpgeschwindigkeit bestimmt, erklrt Thomas Lth, der den ersten Prototypen der automatischen Steuerung selbst zusammengeltet hat: Lasse ich die Pumpe schneller laufen, sinkt der Innenwiderstand und damit auch der Verlust bei der Energieumwandlung. Allerdings bentigt das System dann mehr Energie fr 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 fr einen effizienten Betrieb sei auerdem das thermische Management, weil auch eine Khlung Energie kostet und zur richtigen Zeit erfolgen muss. Wenn der aktuelle Prototyp seine Funktionalitt bewiesen hat, soll das Batterie-Management miniaturisiert werden: In einer marktreifen Version wird es dann auf einem Mikrochip Platz finden.

Ein automatisches Batterie-Management ist ein wichtiger Schritt, um den Durchbruch der Flow-Technologie voranzutreiben. Am KIT findet weitere Forschung zudem am Institut fr Angewandte Materialien (IAM) des KIT statt. Dort werden die Degradationsprozesse an der Membran untersucht, um die eingesetzten Materialien zu optimieren. Auerdem 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 fr die Massenproduktion, die am Aufstellungsort nur noch angeschlossen werden mssen.

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