Bisher müssen Batterien für jedes Anwendungsszenario neu angepasst werden. Künftig soll diese Aufgabe ein neuartiges Batterie-Management übernehmen, das Forscherinnen und Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) derzeit entwickeln.
Redox-Flow-Batterie im Fokus
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, somit wäre es am einfachsten den Strom dezentral in Batterien zu speichern. Dabei gerät neben den etablierten Lithium-Ionen-Batterien die Redox-Flow-Batterie immer mehr in den Fokus, diese speichert elektrische Energie in flüssigen chemischen Verbindungen.
Häufig kommt dabei ein Vanadium-Elektrolyt zum Einsatz, welches in Tanks in unterschiedlichen Oxidationsstufen gespeichert wird. Der Strom hingegen wird ähnlich wie bei der Brennstoffzelle an einer Membran produziert. Dabei bestimmt die Größe dieser Membran die Leistung (kW), hingegen die Energie (kWh) hängt von der Tankgröße ab, ergo 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, wie etwa zur Verschiebung von Sonnenenergie für den Verbrauch während der Nacht.
Vanadium-Akkumulator ergiebig - Lithiumvorräte bald ausgebeutet
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 besser geeignet. Der Professor am KIT Thomas Leibfried ist sich aber sicher, dass bei der stationären Anwendung in großen und mittleren Modulen die Flow-Technologie aufgrund ihrer Skalierbarkeit aber überlegen ist. Außerdem sei das Vanadium für den gängigen Vanadium-Akkumulator eines der häufigsten Elemente, während die weltweiten Lithiumvorräte schon in wenigen Jahrzehnten ausgebeutet sein könnten.
Für die Redox-Flow-Batterie spricht, dass sie feuersicher ist und ein thermal-runaway, also eine unkontrollierte Erhitzung, somit ausgeschlossen werden kann. Zudem ist sie weniger giftig und im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien leichter zu recyceln. Der Professor ist der Ansicht, dass der Durchbruch der Flow-Technologie bisher nicht gelang, da es schwer ist sie effizient einzusetzen. Hingegen in die Steuerung von Lithium-Ionen-Batterien wurden bereits Jahrzehnte der Entwicklung investiert. Bei der Redox-Flow-Batterie befindet man sich noch ganz am Anfang. Aktuell muss sie deshalb noch für jedes Anwendungsszenario baulich angepasst werden.
Forschungsgruppe entwickelt automatisches Batterie-Management
Um eben das zu ändern, entwickelte Thomas Leibfried mit seiner Forschungsgruppe ein automatisches Batterie-Management. Dieses wird zurzeit als Prototyp in einem Vanadium-Akkumulator am KIT getestet. Es stellt sicher, dass die Redox-Flow-Batterie sowohl im Lade- als auch Entladezyklus immer an ihrem effizientesten Punkt betrieben wird, egal wofür sie eingesetzt wird. Die momentane elektrische Effizienz wird dabei vor allem durch die Pumpgeschwindigkeit bestimmt. Lässt man 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 wie viel Leistung im Betrieb eingefordert oder eingebracht wird, steuert das neue Batterie-Management den passenden Kompromiss an.
Eine weitere wichtige Komponente für einen effizienten Betrieb ist außerdem das thermische Management, da 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 voraussichtlich auf einem Mikrochip Platz finden.
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