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Redox-Flow-Batterien werden künftig als Speicher für »grüne« Energie dienen

Fraunhofer: Riesen-Batterien für Ökostrom-Speicherung

28. März 2011, 14:13 Uhr | Andreas Knoll

Die Speicherung der wachsenden Mengen an Solar- und Windenergie für wolkenverhangene oder windschwache Zeiten ist nach wie vor nicht nur ein ökonomisches, sondern auch ein technisches Problem. Ein Konsortium aus Fraunhofer-Instituten beansprucht jetzt für sich, eine Lösung zu haben: die sogenannten Redox-Flow-Batterien.

Mehrere Fraunhofer-Institute arbeiten gemeinsam an diesen Flüssigbatterien, die jeweils bis zu 2000 Haushalte versorgen können. Auf der Hannover Messe stellen die Forscher in Halle 13 am Stand C41 eine 2-kW-Batterieanlage vor.

Weil Ökostrom ein unstetes Gut ist - Photovoltaik-Anlagen ruhen nachts und bei bedecktem Himmel, und bei Flaute stehen Windräder still -, wird Energie aus erneuerbaren Quellen künftig in beträchtlichen Mengen zwischengespeichert werden müssen. Derzeit werden unter anderem die Batterien von Elektroautos als mobile Speicher diskutiert. Experten sind sich aber einig, dass dies allein nicht reichen wird. Erforderlich seien daher große stationäre Speicher, die an zentralen Stellen im Versorgungsnetz sitzen und Energie in Megawatt-Mengen für stromarme Stunden puffern können.

Ein Fraunhofer-Konsortium treibt derzeit die Entwicklung sogenannter Redox-Flow-Batterien voran, die den Forschern zufolge als große Energiespeicher dienen können. Das Fernziel der Wissenschaftler ist der Bau einer handballfeldgroßen Batterieanlage mit 20 MWh Kapazität, die etwa 2000 Haushalte während einer langen Winternacht oder an wolkigen Tagen mit Strom versorgt. Ganz so weit ist es freilich noch nicht: Derzeit haben die größten Labor-Anlagen im Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik »UMSICHT« eine Leistung von einigen Kilowatt.

Auf der Hannover Messe demonstrieren die Forscher die Funktionsweise der Redox-Flow-Batterie anhand einer 2-kW-Anlage. Drei Fraunhofer-Institute sind an dem Konsortium beteiligt, das die Entwicklung der Akkus vorantreibt. »Das Verfahren arbeitet bereits zuverlässig«, sagt Christian Dötsch, Geschäftsfeldleiter Energie-Effizienz-Technologien am »UMSICHT«, einem der beteiligten Institute. »Die Herausforderung besteht im Upscale, der Vergrößerung der Anlagen.«

Bei den Redox-Flow-Speichern handelt es sich um große Vanadium-Flüssigbatterien, in denen chemische Vanadium-Verbindungen an Membranen abwechselnd Elektronen aufnehmen und abgeben. Weil bei diesen Batterien nur Vanadium-Verbindungen und nicht wie in anderen Systemen zwei verschiedene Flüssigkeiten zugleich zum Einsatz kommen, bleiben Verunreinigungen aus. »Dadurch lassen sich sehr robuste und langlebige Batterien bauen - ein entscheidender Vorteil dieser Batterietechnik«, betont Dr. Tom Smolinka, der die Arbeiten am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE koordiniert.

Die Ladung und Entladung des Vanadiums findet in kleinen Reaktionskammern statt. Mehrere dieser Zellen werden nebeneinander zu Stapeln (Stacks) aufgereiht, wodurch sich die Leistung einer Batterieanlage weiter erhöht. Derzeit haben die Membranen und damit auch die einzelnen Zellen eine Fläche von der Größe eines DIN-A4-Blatts. »Um Megawatt-Werte zu erreichen, müssen sie mindestens DIN-A0-Größe erreichen«, schätzt Dr. Jens Tübke, Abteilungsleiter beim dritten Projektpartner, dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT. Die Herausforderung besteht unter anderem darin, die Vanadium-Flüssigkeit gleichmäßig durch diese großen Membranen und an den filzartigen Kohlenstoff-Elektroden der Zellen vorbei strömen zu lassen. Die Fraunhofer-Forscher setzen deshalb Strömungs-Simulationen ein, um den Aufbau der Zellen weiter zu verbessern.

Seit vergangenem Jahr arbeitet das Fraunhofer-Konsortium außerdem in einem vom Bundesumweltministerium geförderten Kooperationsprojekt an neuen Membranmaterialien und Batteriedesigns. Noch in diesem Jahr soll ein weiteres Projekt mit Industriebeteiligung starten. Grundsätzlich können im neuen Fraunhofer-Redox-Flow-Labor Batterien mit bis zu 80 kW aufgebaut werden - Ende kommenden Jahres soll eine 20-kW-Anlage in Betrieb gehen. Die Megawatt-Grenze hoffen die Forscher in etwa fünf Jahren überschreiten zu können.