Energietechnik Flüssiger Stromvorrat

Bis Mitte dieses Jahrhunderts sollen Sonne, Wind oder Biomasse unseren Strombedarf komplett decken, so plant es die Bundesregierung im Zuge ihres Projekts „Energiewende“. Bereits heute stammt nahezu ein Viertel unseres Stroms aus erneuerbaren Quellen, wobei Sonne und Wind den Großteil davon liefern. Das Problem hierbei ist jedoch, dass diese beiden grünen Energielieferanten den Strom unregelmäßig bereit stellen. Daher ist es momentan eine der großen Herausforderungen, die wachsenden Mengen an Solar- und Windstrom für nachts oder sonnen- und windschwache Zeiten zwischen zu speichern und bei Bedarf ins Stromnetz einzuspeisen. Als Lösung bieten sich hier beispielsweise elektrische Akkus an, die die Versorgungssicherheit ermöglichen, Netze stabil halten und den Netzausbau vorantreiben könnten. Und obwohl das Berliner Kabinett mit der Debatte um eine Ökostrombremse und um die Zukunft der gesetzlich geregelten Mindestpreise für erneuerbare Energien in letzter Zeit für große Verunsicherung und eine Glaubwürdigkeitsflaute beim Thema Energiewende sorgt, wie die Wochenzeitung Die Zeit in ihrer Ausgabe vom 2. Mai 2013 berichtet, wird gegenwärtig fleißig an der Weiterentwicklung elektrischer Energiespeicher geforscht. Zum Beispiel am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) in Oberhausen. Die UMSICHT-Forscher arbeiten gemeinsam mit ihren Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT und vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in dem vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten Projekt „Entwicklung eines 1-MWh/100-kW-Redox-Flow-Batteriespeichers zur Integration flukturierender regenerativer Energien in das Stromnetz“ intensiv an Redox-Flow-Batterien. Am Institut in Oberhausen steht für die Forschungsarbeiten eines der größten Testlabore für Redox-Flow-Batterien europaweit zur Verfügung. In diesem Testlabor können einzelne Zellen, aber auch große Stacks (Stapel) aufgebaut und bei wählbarer Testumgebung unabhängig getestet werden.

Funktionsweise und Geschichte

Die Redox-Flow-Batterie (Red für Reduktion = Elektronenaufnahme, Ox für Oxidation = Elektronenabgabe) ist ein Akkumulator und eignet sich sehr gut, um die Schwankungen bei erneuerbaren Energien auszugleichen und eine stetige Versorgung zu gewährleisten. Die Funktionsweise dieser Batterien beschreiben die UMSICHT-Forscher so: Redox-Flow-Batterien speichern Energie in Elektrolytlösungen, indem chemische Verbindungen an Membranen Elektronen aufnehmen und abgeben. Am weitesten verbreitet ist die Vanadium-Redox-Flow-Batterie. Die Ladung und Entladung der Vanadiumelektrolyte, der Leistungsteil der Batterie, findet in Stacks statt. Die Speicherung der Elektrolyten erfolgt in externen Tanks. Das bietet den Vorteil, dass die Leistung (Kilowatt) und die Speicherkapazität (Kilowatt/Stunde) individuell der Anwendung angepasst werden können. Neben diesem Vorzug punkten die Redox-Flow-Batterien noch damit, dass sie kostengünstig, robust und langlebig sind. Die Grundlagen für Redox-Flow-Batterien wurden Mitte des 20. Jahrhunderts gelegt, als man erstmals die Möglichkeiten der Energiespeicherung mit Redox-Paaren überprüfte. Anfang der 1970-er Jahre begann man bei der NASA, sich mit der Entwicklung dieser Technik zu beschäftigen und verschiedene Redox-Paare (zum Beispiel Eisen/Chrom, Eisen/Titan oder Zink/Brom) auf ihre Eignung in einer Redox-Flow-Batterie zu untersuchen. Die Entwicklung einer rein auf Vanadium basierende Redox-Flow-Batterie gelang in den 1980-er Jahren. Diese Lösung wurde 1986 patentiert und erfuhr in den folgenden Jahren eine Weiterentwicklung zur Vanadium-Bromid-basierten Zelle.Ziel der Arbeiten im genannten Forschungsprojekt ist es, Stromspeicher auf Basis einer Redox-Flow-Batterie zu entwickeln, um Kosten zu senken, die Wirkungsgrade zu steigern und eine Leistungsgröße von 10 Kilowatt bis 10 Megawatt zu erreichen. Denn bisher liefern die vorhandenen, etwa DIN-A4- Blatt großen Batterien nur eine Leistung von 2,3 Kilowatt. Im Zuge ihrer Forschungen ist es den UMSICHT-Mitarbeitern nun gelungen, Stacks mit 0,5 Quadratmeter Zellgröße zu fertigen. Das ist achtmal größer als die bisherigen Systeme und entspricht einer Leistung von 25 Kilowatt. Der Prototyp der neuen Batterie verfügt laut Aussagen der Wissenschaftler über einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent und soll sich mit Strömen von bis zu 500 Ampere belasten lassen.

Größe und Leistung deutlich erhöht

Damit sie die Größe und Leistungsfähigkeit der Batterie, die in diesem Jahr erstmals auf der Hannover Messe ausgestellt wurde, so deutlich steigern konnten, erprobten die Wissenschaftler zunächst neue Membranmaterialien, forschten am Batteriemanagement und dem Batteriedesign. Strömungssimulationen halfen dabei, den Aufbau der Zellen zu optimieren. Die Forscher haben die Batterien dann komplett neu entworfen und so den Durchbruch geschafft. „Die größte Herausforderung bestand darin, dass wir für das Scale-up einen komplett neuen Aufbau der Stacks entwickeln mussten, um Batterien in dieser Leistungsstärke zu konzipieren“, erklärt Dr. Jens Burfeind, Gruppenleiter Elektrochemische Speicher beim Fraunhofer-Institut UMSICHT. Sein Kollege Dr. Christian Dötsch, der den Bereich Energie am Fraunhofer UMSICHT leitet, ergänzt: „Uns ist mit dem Redesign des Batterie-Stacks ein sehr wichtiger Schritt gelungen auf dem Weg, Redox-Flow-Batterien zu entwickeln, die zum Beispiel 2.000 Haushalte mit Strom versorgen können.“ Dazu bräuchte man etwa zwei Megawatt Leistung. Und so steht nach Aussagen der Forscher als nächstes konkretes Ziel zunächst die Entwicklung eines Stacks in der Größe von zwei Quadratmetern und einer Leistung von 100 Kilowatt auf dem Plan.