Redox-Flow-Batterie: Vorteile und Nachteile unterschiedlicher Flüssigbatterien

Redox-Flow-Batterien sind Lithium-Ionen-Akkus bei Umweltfreundlichkeit, Zyklenfestigkeit und Wirkungsgrad überlegen. Der Artikel zeigt Vorteile und Nachteile der Redox-Flow-Batterie.

Die Redox-Flow-Batterie, oft auch Redox-Fluss- oder Flüssigbatterie genannt (Red = Reduktion bzw. Elektronenaufnahme / Ox = Oxidation bzw. Elektronenabgabe), zählt zu den elektrochemischen Energiespeichern, deren Leistung und Kapazität (Energiemenge) unabhängig voneinander skaliert werden können. Dabei bestimmt die Elektrolytmenge die Batteriekapazität und die Fläche sowie Anzahl der Stacks die Batterieleistung. Die Energiewandlung bei Ladung / Entladung erfolgt in elektrochemischen Zellen, die mit Brennstoffzellen vergleichbar sind.

Bei der Redox-Flow-Batterie zirkulieren die beiden energiespeichernden Elektrolyte in getrennten Kreisläufen, zwischen denen in der Zelle mithilfe einer Membran der Ionenaustausch erfolgt. Durch die separate Speicherung der flüssigen Elektrolyte in Tanks kommt es bei Anlagenstillstand zu nur marginaler Selbstentladung. Dank dieses Vorteils ist die Redox-Flow-Batterie beispielsweise als unterbrechungsfreie Stromversorgung prädestiniert.

Bei den unterschiedlichen Flüssigbatterien handelt es sich um eine relativ junge Speichertechnologie. Die Grundlagen legte der Wissenschaftler Walther Kangro schon Mitte des 20. Jahrhunderts durch Prüfung von Redox-Paaren zur Energiespeicherung an der TU Braunschweig. So richtig intensiviert wurde die Forschung erst in den 1980er Jahren als die Redox-Flow-Batterie mit Vanadium-Elektrolyt als besonders aussichtsreich erkannt wurde.

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie ist in kleinem und mittlerem Maßstab bereits im Markt angekommen. Um bei diesem Speicher-Typus möglichst hohe Energiedichten zu erzielen, ist es maßgeblich, die Vanadiumsalze in den Elektrolytlösungen möglichst hoch zu konzentrieren. Wichtig ist, dass die Vanadiumionen dabei stabil bleiben.

Die oft eingesetzten Polymerelektrolytmembrane und der eingesetzte Vanadium-Elektrolyt sind entscheidende Kostenfaktoren bei der Technologie. Daher wird einerseits versucht, stattdessen Ionenaustauschmembrane oder mikroporöse Separatoren einzusetzen, und andererseits Alternativen für Vanadium zu finden.

Speichertechnologie mit oder ohne Vanadium?

Vanadium ist ein Schwermetall und damit ein kritischer Rohstoff. Gewöhnlich wird Vanadium überwiegend in der Stahlherstellung (92 Prozent) eingesetzt, um die Festigkeit des Materials zu erhöhen. Bislang wird der Großteil des Vanadiums in China, Südafrika, Brasilien oder Russland gewonnen.

Nur wenige Unternehmen weltweit konzentrieren sich vollständig auf die Förderung von Vanadium. Zu ihnen zählen das australische Unternehmen Australian Vanadium (eine neue Mine enthält 208 Millionen Tonnen) sowie das in den USA ansässige Unternehmen Energy Fuels. Die Preisschwankungen für Vanadium am Weltmarkt sind enorm – sollte sich die Vanadium-Redox-Flow-Batterie weiter durchsetzen, ist mit weiteren Preiserhöhungen zu rechnen.

Aufgrund der hohen Vanadium-Kosten überlegen sich Speicherhersteller besondere Konzepte, um die Investitionskosten für entsprechende Projekte zu reduzieren. So verkauft Avalon den Vanadium-Elektrolyt nicht immer an seine Kunden, sondern „vermietet“ die Flüssigkeit lediglich. Aufgrund der Recyclingfähigkeit ein sinnvolles Konzept, dass die Investitionskosten in eine Redox-Flow-Batterie teilweise um ein Drittel reduziert.

Vorteile der Redox-Flow-Batterie

Abhängig von den verwendeten Materialien für den Elektrolyt bestehen folgende Vorteile unterschiedlicher Redox-Flow-Batterien:

• Unabhängige Skalierbarkeit von Leistung und Kapazität
• Gute Sicherheit (nicht brennbar, explisionssicher)
• Gute Recyclingfähigkeit, einfache Rückgewinnung der Aktivsubstanzen
• Hohe Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren wahrscheinlich
• Niedrige Stromgestehungskosten beim Einsatz als stationärer Speicher
• Höhere Energiedichten durch Einsatz des identischen Elements in beiden Halbzellen möglich

Nachteile der Redox-Flow-Batterie

• Wissenschaftler gehen von geringer Alterung einer Redox-Flow-Batterie aus – allerdings ist die Erfahrung hierzu bislang gering und die Alterung variiert je nachdem, welcher Elektrolyt eingesetzt wird
• Energiedichte ist geringer als etwa bei Lithium-Ionen-Speichern, daher aufgrund Platzbedarf und hohem ausschließlich im stationären Einsatz, nicht aber als mobile Anwendung, sinnvoll.
• Der Einsatz von Vanadium ist schlecht – einerseits unterliegt das Schwermetall hohen Preisschwankungen, dazu gilt es als kritischer Rohstoff und – in manchen Aggregatzuständen – als giftig. Aus Umweltgesichtspunkten sind Organic-Flow-Batterien zu bevorzugen.

Redox-Flow vs. Lithium-Ionen

Bislang dominieren Lithium-Ionen-Akkumulatoren den weltweiten Speichermarkt mit einem Marktanteil von 98 Prozent. Klar: Der Einsatz in Notebooks, aber zunehmend auch in E-Fahrzeugen und stationären Stromspeichern hat in den letzten 30 Jahren zu Technologieverbesserungen und natürlich erheblichen Preissenkungen geführt. Auch für den Einsatz von Netzschwankungen werden die Batterien eingesetzt – etwa von Tesla oder Total.

Von 2010 bis 2018 sanken die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien um 85 Prozent. Bis 2030 ist ein weiterer Preisrückgang von 50 Prozent zu erwarten.

Bloomberg New Energy Finance

Aber Lithium-Ionen-Akkus stoßen zunehmend an ihre Grenzen: Für die Speicherung von mehr als vier Stunden sind die Akkus teuer. Sie verlieren Kapazität beim Aufladen, bei niedrigen Temperaturen und im Zeitverlauf. Jeder kennt es: Laptopakkus verlieren innerhalb weniger Jahre an Kapazität und müssen ausgetauscht werden. Aufgrund dieser Limitationen, gibt es eine Lücke in die die Redox-Flow-Batterie hineinstoßen könnte.

Investoren wie Bill Gates, Jeff Bezos oder etwa Softbank wetten darauf, dass die Flüssigbatterie einen Teil des Speichermarktes abbekommen wird. Während die Lithium-Ionen-Akkus echte Alleskönner sind, eignet sich die Redox-Flow-Batterie für stationäre Anwendungen – potenziell bis zur Versorgung von Industriegebieten, Dörfern oder sogar ganzen Städten mit Energie. Die Nachteile wie Platzbedarf oder Gewicht kommen dabei kaum zum Tragen.

Aktuelle Redox-Flow-Forschung

Aufgrund der klaren Nachteile der Vanadium-Nutzung im Hinblick auf die Umweltfreundlichkeit der Redox-Flow-Batterie, ist die Suche nach Alternativen dauerhaft im Gange. Im März 2020 startete beispielsweise das EU geförderte Projekt Sonar Redox, das vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal koordiniert wird. Es will mit Hilfe von physikalischen- sowie datenbasierten Modellen gezielt vielversprechende Substanzen identifizieren. Die große Bandbreite an elektroaktiven Substanzen – von denen viele in der Natur vorkommen – bedeutet, dass noch eine Vielzahl an potenziellen Systemen zu erforschen ist.

Im April 2020 vermeldeten Forscher der University of South California, USC, einen Durchbruch auf der Suche nach Vanadium-Alternativen. Sie kombinierten Anthrachinondisulfonsäure mit Eisensulfat als Elektrolyt ihrer Flüssigbatterie. Die Forscher sind der Überzeugen, diese Kombination schlage Vanadium-Redox-Flow-Batterien trotz niedriger Zellspannung.

Und: Beim Preis für die Aktivmaterialien erscheinen 54 Dollar pro Kilowattstunde möglich – damit käme die Batterie in den Bereich von heutigen Lithium-Ionen-Batterien, wie sie beispielsweise Tesla einsetzt. Das wissenschaftliche Papier zu diesem Durchbruch (im Labormaßstab) kann hier nachgelesen werden.

Landkarte der Redox-Flow-Startups

Die Landkarte der Redox-Flow-Startups ist beeindruckend: 124 Cleantech-Startups, die sich mit der modernen Speichertechnologie befassen, sind von startus Insights identifiziert worden. Die aussichtsreichsten Unternehmen aus diesem Sektor werden weiter unten jeweils kurz vorgestellt. Neben der beeindruckenden Anzahl der Startups mit Redox-Flow-Batterie ist aber auch klar: Es ist ein Sektor, in dem bislang niemand Geld verdient – es gibt also auch eine Reihe von Startups, die es nicht schaffen, ihre Technologie – trotz oft bewiesener Funktionsfähigkeit im kleinen Maßstab – zu kommerzialisieren.

Prestigeträchtige Speicherprojekte mit Flüssigbatterie

Am 25. September 2017 erlebte Pfinztal bei Karlsruhe einen seiner größten Tage: Das im Ort ansässige Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie nahm Deutschlands größte Batterie in Betrieb. Auf dem großen Gelände des Forschungszentrums entstand in einem separaten Gebäude in fünfjähriger Planungszeit eine gigantische Redox-Flow-Batterie auf Basis von Vanadium mit immerhin 20 Megawattstunden.

19 Millionen Euro kostete das Projekt RedoxWind, das direkt mit einer Windkraftanlage auf dem Gelände gekoppelt wurde. Im Untergeschoss des Gebäudes befinden sich ein Dutzend Tanks mit einem Fassungsvermögen von jeweils 45.000 Litern, in dem die Vanadium-Elektrolyte gelagert werden. Eine Etage darüber befindet sich der Raum mit den Stacks, die entweder für die Speicherung oder die Produktion von Energie sorgen (vgl. Bericht von Galileo).

In der Folgezeit verläuft das Projekt alles Andere als reibungslos, wie die Forscher eingestanden. So waren beispielsweise einzelne Komponenten für die Speicher nicht lieferbar. Im Kern gab es aber lange weiteren Forschungsbedarf, um BHKW, Windkraftanlage und Speicher automatisiert aufeinander abzustimmen. In Kürze soll nun eine Photovoltaikanlage auf dem Gelände des Fraunhofer-Institut dazukommen, damit es weitgehend über erneuerbare Energien versorgt werden kann.

Nicht weniger als die „weltgrößte Batterie“ versprachen Forscher der EWE vor einigen Jahren. Die Idee: Zur Speicherung des Elektrolyts sollen ausgediente Gasspeicher genutzt werden. Doch schon kurz nach dem Start des Projekts wird klar: Es ist wesentlich komplizierter als gedacht, einen Elektrolyt so zu justieren, dass er einerseits genügend Energie speichert und andererseits aus der Tiefe nach oben gepumpt zu werden.

Verwendet werden soll eine Salzlösung, die mit von der Uni Jena entwickeltem biologisch abbaubarem Plastik als Elektrolyt funktionieren soll. Wann die weltgrößte Batterie tatsächlich das Licht der Welt erblickt? Nicht vor 2025.

Marktaussichten für Redox-Flow-Akkumulatoren

Die Marktaussichten für die Redox-Flow-Batterie mit ihren Vorteilen und Nachteilen sind positiv. Nicht nur Bill Gates, Jeff Bezos und Michael Bloomberg glauben daran, dass sich die Technologie ihren Platz im gigantischen Stromspeicher-Markt der Zukunft erkämpfen wird. Allied Market Research hat im April 2020 dazu einen Report veröffentlicht.

Dem Report zufolge lagen die Umsätze 2018 bei 130,4 Millionen US-Dollar – und könnten bis 2026 um jährlich 15 Prozent wachsen. Das ergäbe Marktvolumen von 402 Millionen US-Dollar im Jahr 2026. Angesichts der Vielzahl der Cleantech-Startups, die sich im Segment tummeln, ein eher bescheidener Wert. Zum Vergleich: Das Wachstum bei Heimspeichern in Deutschland lag zuletzt bei 44 Prozent.

Vanadium-Redox-Flow-Batterien machen dem Report zufolge 4/5 des Marktes aus. In diesem Segment werden auch die höchsten Zuwachsraten bis 2026 erwartet. Regional liegt das derzeit größte Marktvolumen nicht in Europa, sondern im Asia-Pazifik-Raum und in Nordamerika. Hier sind die Rahmenbedingungen für Stromspeicher auf Versorger-Ebene besser als etwa in Deutschland.

Auch die Analysten von IDTechEx sehen zunehmend Marktchancen für Redox-Flow-Technologien: Während der Markt der stationären Energiespeicherung derzeit von Li-Ionen-Batterien dominiert werden, würden Redox-Flow-Batterien (RFBs) mit einer zunehmenden Anzahl von Projekten weltweit langsam eingeführt, so die Analysten.

Bis zum 1. Quartal 2020 seien demnach Redox-Flow-Batterien (70 Megawatt / 250 Megawattstunden) fast ausschließlich in mittleren bis großen Projekten eingesetzt worden, bei denen es auf schnelle Reaktionszeiten und eine lange Lebensdauer ankommt. Diese Vorteile der Redox-Flow-Batterie kombiniert mit der leichten Recyclingfähigkeit sorgen dafür, dass sich die Systeme schrittweise durchsetzen würden.

Dieser Beitrag wird kontinuierlich ergänzt und erweitert. Um das sicherzustellen, brauche ich Ihre Unterstützung: Durch das Teilen des Beitrags im Social Web, durch Kommentare oder durch Support über Steady (hier). Vielen Dank!