Redox-Flow-Batterie als Speicheralternative für Photovoltaik

Nachhaltig Speichern mit Redox-Flow-Batterien

Die Redox-Flow-Batterie oder auch Organic-Flow-Batterie sind eine nachhaltige Speicheralternative zu den herkömmlichen Speichermöglichkeiten. Derzeit finden die allerdings nur Anwendung in den großen Solarparks, für den privaten Gebrauch werden sie derzeit nicht produziert.

Vorteile

• Hoher Wirkungsgrad
• Leistung und Kapazität unabhängig skalierbar
• Feuersicher
• Hohe Lebensdauer
• geringe Selbstentladung

Nachteile

• Hohe Kosten
• Groß
• Schwer

Mit Solarenergie lassen sich die eigenen Stromkosten senken. Wer jedoch auch den überschüssigen produzierten Strom speichern möchte, braucht neben der PV-Anlage auch noch einen Speicher. Dabei stehen verschiedene Speicherarten zur Verfügung.

Neben den herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, gibt es auch weitere Möglichkeiten Energie zu speichern. Eine Alternative wäre die Salzwasserbatterie und eine weitere die Redox-Flow-Batterie. Redox setzt sich dabei aus Reduktion und Oxidation zusammen. Die Batterie wird jetzt doch häufig auch Flussbatterie, Redox-Flussbatterie oder auch einfach Flüssigbatterie genannt.

Aufbau und Funktionsweise einer Redox-Flow-Batterie

Bei einer Redox-Flow-Batterie wird in zwei separaten Tanks Elektrolyte gelagert. Diese sind in der Lage, die Elektronen zu binden und wieder abzugeben. Durch diesen Aufbau ist die Redox-Flow-Batterie die einzige Batterie, bei der es möglich ist, Energiemenge und Leistung unabhängig voneinander zu skalieren. Mithilfe einer Pumpe wird der Elektrolyt vom Tank aus weitergeleitet.

Der eigentliche Energieaustausch findet dann in der sogenannten galvanischen Zelle statt. Hier trennt eine Membran die beiden Elektrolytkreisläufe. In den zwei Elektroden finden dann die eigentlichen Reaktionen statt, bei denen Ionen frei gesetzt werden. Diese können dann durch die Membran hindurch zwischen den beiden Kreisläufen ausgetauscht werden. Die Elektroden bestehen in der Regel aus Graphit, dadurch wird eine hohe spezifische Leistung ermöglicht.

Funktionsweise Elektrolyt

In chemischer Form wird die Energie im Elektrolyt gespeichert. Der Elektrolyt liegt dabei in unterschiedlichen Oxidationsstufen vor. Es handelt sich um in Lösungsmittel gelösten Salz. Dabei wären sowohl anorganische als auch organische Säuren für die Verwendung möglich. Der häufigst verwendete Kombination für die Redox-Paare ist hierbei Vanadium. Ebenfalls verwendet wird Titan, Eisen, Chrom, Cer, Zink, Brom und Schwefel. Jedoch haben Vanadium als Redox-Paare mit 1,4 V eine der höheren Zellspannung. Die Zellspannung ist dabei ausschlaggebend, welche Leistung die Batterie liefert. Dabei gilt: Je höher die Zellspannung, desto größer ist die Leistung.

Unterschied Hybrid-Flow-Batterien

Die Besonderheit von Redox-Flow-Batterien ist, dass eine Flüssigkeit in der Batterie fließt, mit der die Energie gespeichert werden kann. Jedoch gibt es auch Hybrid-Flow-Batterien. Hierbei ist eines der Stoffe im festen Zustand vorhanden und der andere Stoff liegt flüssig vor. Die Kombination aus Zink-Brom kommt dabei auf eine Spannung von 1,8 V und Zink-Cer auf eine Spannung von 2,4 V.

Höhere Spannung mit Stacks

Um die nutzbare Spannung der Batterie zu erhöhen, werden Stacks verwendet. Ein Stack besteht aus mehreren Zellen, die in Reihe geschaltet werden. So können die Spannungen von den einzelnen Zellen aufaddiert werden.

Organische Redox-Flow-Batterien

Obwohl es weit über 50 verschiedene Redox-Flow-Batterien gibt, ist die Vanadium Variante die häufigst verwendete. Grund dafür ist der gute Potenzialbereich den das Metall mit sich bringt. Jedoch hat das Metall auch einige kritische Faktoren. So kommt das Material in der Natur häufig als unreiner Stoff vor. Um die Batterie noch nachhaltiger zu gestalten, bieten Organic Flow Batterien eine Lösung an.

Denn hier werden organische Materialien als Elektrolyte verwendet. Derzeit wird noch viel daran geforscht, welche Materialien sich hierfür besonders eignen. Jedoch hat CMBlu Energy AG einen Durchbruch erzielt und produziert jetzt erstmals für den kommerziellen Einsatz Oragnic Flow Batterien. Hier kommt als Elektrolyt Kohlenstoffverbindungen anstelle von Vanadium zum Einsatz. Auch andere Unternehmen forschen an verschiedenen Ansätzen, um diese Technologie zu ermöglichen.

Redox-Flow-Batterien – Die alternative Speicherart für Solarstrom?

Vor- und Nachteile der Flüssigbatterie

Das Konzept der Flüssigbatterie wird immer noch weiter erforscht. Auf der einen Seite bringt diese Technologie klare Vorteile mit sich. Insbesondere im Vergleich mit anderen Batterie-Arten. Jedoch sind auch die Nachteile nicht zu vergessen. Diese sind unter anderem der Grund, weswegen diese Technologie die Lithium-Ionen-Batterie noch nicht abgelöst hat.

Vorteile Redox Flow Batterien

Die Flüssigkeitsbatterie bringt viele Vorteile mit sich. Unter anderem, dass es keine Probleme mit der Entladungstiefe gibt. Die komplette Kapazität kann verwendet werden.

Hoher Wirkungsgrad

Abhängig vom Elektrolyt und dem Hersteller können die Batterien einen Wirkungsgrad um die 75 Prozent erreichen. Das ist zwar ein hoher Wirkungsgrad, liegt aber im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Diese Batterien erzielen Wirkungsgrade von 90 Prozent.

Leistung und Kapazität unabhängig skalierbar

Dadurch, dass die Energie-Wandlung und Energie-Speicherung getrennt werden, ermöglicht dies die unabhängige Skalierbarkeit von Leistung und Kapazität. Dies ist auch nachträglich immer noch möglich. Um die Speicherkapazität zu erhöhen, muss einfach nur die Elektrolyt-Menge erhöht werden. Bei Non-Flow-Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien ist das nicht möglich.

Feuersicher und Explosionsarm

Bei Lithium-Ionen-Batterien ist ein Thermal Runaway möglich. Dabei handelt es sich um eine Kettenreaktion in der Batterie, die dazu führt, dass die Temperatur extrem ansteigt und damit in Brand aufgehen kann. Durch den Aufbau der Redox-Flow-Batterien ist ein Thermal Runaway nicht möglich. Auch ist der Elektrolyt nicht brennbar oder explosionsgefährlich.

Hohe Lebensdauer von Redox-Flow-Batterien

Je nach verwendeten Materialien hat eine Redox-Flow-Batterie eine Lebensdauer zwischen 15 und 20 Jahren. Ein bisschen anders sieht das bei den Organic Flow Batterien aus. Hier gibt es noch keine Erfahrungswerte, jedoch geht man von einer hohen Lebensdauer aus. In der Theorie muss auch nur der Elektrolyt gewechselt werden und nicht die gesamte Batterie.

Geringe Selbstentladung

Bei einem Stillstand des Systems findet so gut wie keine Selbstentladung statt. Grund dafür ist die externe Energie-Speicherung, die in den Tanks stattfindet. Somit geht wenig Energie einfach verloren.

Nachteile Redox-Flow-Batterien

Neben jede Mengen Vorteile gibt es natürlich auch Nachteile. Ähnlich wie bei den Salzwasserspeichern haben auch die Redox-Flow-Batterien eine geringere Energiedicht gegenüber Lithium-Ionen-Batterien.

Hohe Kosten

Die weit verbreitetste Redox-Flow-Batterie ist die, bei der das Schwermetall Vanadium zum Einsatz kommt. Das Schwermetall unterliegt allerdings starken Preisschwankungen und gilt als teuer.

Jedoch kann sich das mit den Kosten ändern, wenn die Oraganic-Flow-Batterien auf den Markt kommen, bei denen die verwendeten Materialien im Einkauf nicht ganz so teuer sind.

Große und schwere Batterien

Die Redox-Flow-Batterien haben eine geringe Energiedichte. Um diese zu erhöhen werden große Tanks benötigt, was wiederum zur Folge hat, dass die gesamte Batterie schwer wird. Durch ihre Größe eignet sich die Flüssigbatterie also nur als stationärer Speicher. Da Solarenergie stationär gespeichert wird, ist das in der Regel kein großer Nachteil, nur für den Bereich der E-Mobilität gibt es noch keine geeignete Lösung.

Kosten und Hersteller von Redox-Flow-Batterien

Für den Heimspeicher hat eine Zeitlang das Münchener Unternehmen Voltstorage welche gebaut. Allerdings konzentriert sich das Unternehmen mittlerweile nur noch auf gewerbliche Speicher.

Mittlerweile gibt es jedoch ein anderes europäisches Unternehmen welches, einen Heimspeicher auf den Markt gebracht hat. Es handelt sich hierbei um das Unternehmen Prolux Solutions, welches eine Tochterfirma des Schweizer Unternehmens Arbonia AG. Hier wird es zukünftig einen Speicher mit 6 kWh Leistung für zu Hause geben. AN einer größeren Variante mit 10 kWh Leistung wird derzeit noch gearbeitet.

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Redox-Flow-Batterie als Heimspeicher: Prolux Solutions macht es möglich!

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Zu den Kosten ist es schwer, eine klare Auskunft zu geben. Da wie bereits erwähnt die Vanadium-Variante häufig verwendet werden und hier die Preise stark schwanken. Ebenfalls kommt es auf den verbauten Stack an. Da hat insbesondere das Frauenhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik ein Durchbruch erzielt. Dadurch konnten die Materialkosten deutlich gesenkt werden. Was die Preise anbelangt, bleibt es abzuwarten, bis die Batterien auch für heimische Solaranlagen gebaut werden.

Fazit

Die Redox-Flow-Batterie Technologie hat großes Potenzial. Insbesondere die Organic Flow Speichern können für die Zukunft sehr interessant werden, da dies eine nachhaltige Alternative ist, um grünen Strom zu speichern. Zum jetzigen Zeitpunkt werden diese Batterien jedoch nur für große Solar- und Windparks genutzt. Daher bleibt es abzuwarten, ob in Zukunft diese Batterien sich auch für die heimische Eigennutzung verwenden lassen.