Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V.


Redox-Flow-Schema Carmenfarben
Das Besondere an Redox-Flow-Batterien liegt in der Tatsache, dass die Energiespeicherung und
-umwandlung nicht wie bei anderen Batteriesystemen am selben Ort stattfindet (in der galvanischen Zelle), sondern räumlich getrennt voneinander. Redox-Flow-Batterien besitzen einen externen Energiespeicher, was den großen Vorteil der beliebigen Skalierbarkeit bietet. Das Wort „Redox“ steht für die beiden stattfindenden elektrochemischen Reaktionen Reduktion und Oxidation, die bei fast allen Batteriesystemen stattfinden. „Flow“ meint die in flüssiger Form vorliegenden elektrochemisch aktiven Materialien (Metallsalzlösungen + Elektrolyt), die in Tanks außerhalb gelagert werden. Der Unterschied zu den klassischen Batterietypen liegt in der Verwendung geeigneter Katalysatoren als Elektroden. Die Batteriezelle ist in zwei Hauptkammern aufgeteilt, die durch eine nur für H+-Ionen durchlässige Membran getrennt werden. In den Halbkammern befindet sich jeweils eine Elektrode, jeweils aus einem Graphitvlies bestehend. Der Vorteil des Graphitvlieses liegt in seiner Porösität, die eine große Reaktionsoberfläche bedingt. Beim Be- und Entladen ändert sich das Mischungsverhältnis von geladenem und entladenem Elektrolyt.

Im äußeren Stromkreis fließt elektrischer Strom, während zum Ladungsausgleich positiv geladene Ionen durch die Membran diffundieren. Bisher existieren Anlagen mit bis zu 5 MWh Kapazität. Es sind jedoch auch Speicheranlagen von bis zu 120 MWh geplant. Aufgrund ihres Gewichtes ist ein Redox-Flow-Akkumulator eher für stationäre Anwendungen, z. B. für den Inselbetrieb geeignet. Die Investitionskosten können je nach Größe stark schwanken zwischen 200 bis 2.000 €/kWh.

Der Vorteil dieses Systems ist die unabhängige Dimensionierbarkeit und räumliche Trennbarkeit von Konverter und Tanks. Die Tankgrößen bestimmen dabei den Energieinhalt. Das System ist unempfindlich gegenüber Tiefenentladung und weist keinen Memory-Effekt sowie nur eine sehr geringe Selbstentladung auf. Der Nachteil von Redox-Flow-Batterien liegt in der niedrigen Energiedichte von 10-30 Wh/kg.

 

  • Vanadium-Redox-Flow

Bei einer Redox-Flow-Batterie auf Basis von Vanadium enthalten die Tanks Vanadiumsalze als Elektrolyt, die in zwei verschiedenen Schwefelsäuren gelöst sind. Das Metall Vanadium kann sowohl im positiven als auch im negativen Elektrolyten verwendet werden, da es in vier verschiedenen Oxidationsstufen existiert und sich als stabil ausweist. So setzt man kathodenseitig vier- und fünfwertiges, anodenseitig zwei- und dreiwertiges Vanadium ein. Wichtig hierbei ist die Trennung der beiden Flüssigkeitskreisläufe durch die ionenleitende Membran, da es sonst zu einer Vermischung der beiden Fluide kommen und folglich zu einer vollständigen Selbstentladung. Eine mögliche Wiederaufladung ist in einem solchen Fall nicht gegeben.

Beim Entladen wird das fünfwertige Vanadium an der positiven Elektrode zu einem vierwertigen reduziert. An der negativen Elektrode wird gleichzeitig das zweiwertige Vanadium zu einem dreiwertigen oxidiert.

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie zeichnet sich durch ihre Robustheit und Einfachheit aus. Die Vorteile einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie liegen zum einen in ihrer hohen Anzahl an Lebenszyklen von ca. 10.000 und in Ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Tiefenentladung. Zum anderen gibt es so gut wie keine Selbstentladung, weshalb das System auch für lange Speicherzeiten geeignet ist. Zudem ist der coulombsche Wirkungsgrad mit 80 - 85 % sehr hoch. Der energetische Wirkungsgrad liegt, aufgrund von Verlusten z. B. durch den Energieverbrauch der Pumpen, bei ca. 75 %.

 

  • Polysulfid-Bromid-Redox-Flow

Bei diesem System handelt es sich um eine Neuentwicklung, die sich besonders für Anwendungen mit Entladezeiten bis zu mehreren Stunden im MW-Leistungsbereich eignet. Der Aufbau einer Polysulfid-Bromid-Redox-Flow-Batterie ähnelt dem des Vanadium-Systems. Die Elektroden sind allerdings bipolar ausgeführt. Die Elektrolyte bestehen aus konzentrierten Natriumbromid- (NaBr) und Natriumpolysuflid (Na2Sx)-Lösungen. Eine Polymermembran dient als Separator für die beiden Elektrolyten. Diese ist gleichzeitig aber für Na+-Ionen durchlässig

Auch bei diesem Batteriesystem liegt der Wirkungsgrad über 75 %, die Energiedichte hingegen ist mit 25 - 50 Wh/kg im Vergleich zu einem reinen Vanadium-System doppelt so hoch. Bisher existieren einige Pilotanlagen.