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Redox-Flow-Zelle

Grundprinzip einer Redox-Flow-Zelle

Redox-Flow-Batterien sind Batterien mit externem Speicher. Die Elektroden und der Elektrolyt liegen in flüssiger Form als Salze, die im Elektrolyten partiell gelöst sind, vor. Anders als bei Akkumulatoren wird das energiespeichernde Material extern, außerhalb der Zelle, gelagert. In diesem Zusammenhang ist der Speicher hinsichtlich seiner Kapazität sehr flexibel und jederzeit ausbaubar.

Die Redox-Flow-Zelle setzt sich aus zwei Kammern, die mit dem jeweiligen Elektrolyt gefüllt sind, zusammen. Diese sind durch eine selektive Membran voneinander getrennt (siehe Abbildung 1). Die beiden energiespeichernden Elektrolyte zirkulieren in zwei getrennten Kreisläufen. Der Ionenaustausch erfolgt über die selektive Membran.

Formel 1, Nernst-Gleichung

E°:     Standardelektrodenpotential                    ze:     Äquivalentzahl

R:      molare Gaskonstante                               F:      Faraday-Konstante

T:      absolute Temperatur                                a:      Redox-Aktivität

 

Die Zellspannung bzw. das Elektrodenpotential kann mit der Nernst-Gleichung (siehe Formel 1) mit Hilfe der elektrochemischen Spannungsreihe ermittelt werden [nach 1].

Abbildung 1, Grundaufbau einer Redox-Flow-Zelle [nach 1]

Vorteile:

  • kein Memory Effekt
  • minimale Selbstentladung
  • resistent gegen Tiefenentladung

 

Vanadium-Redox-Batterie

Die Vanadium-Redox-Batterie ist eine effektive Bauform der Redox-Flow-Zelle mit hohem Entwicklungsstandard. Chemisch wird beim Entladen an der positiven Elektrode fünfwertiges Vanadium zu vierwertigem reduziert, an der negativen Elektrode wird zweiwertiges Vanadium zu dreiwertigem oxidiert.

 

Gesamtreaktion:      

 

Die elektrische Ausbeute dieser Systeme ist relativ hoch (etwa 90 %), unter Berücksichtigung der Verluste durch die dazugehörenden Aggregate werden (netto) 70 bis 80 % erreicht [nach 2].

 

Energiedichte

Die Energiedichte derartiger Systeme ist abhängig vom jeweiligen Elekrolyt und kann nicht verallgemeinert werden. Herkömmliche Systeme arbeiten im Energiebereich von 0,02 – 0,07 kWh/l (Elektrolytflüssigkeit).

 

Machbarkeit

Redox-Flow-Zellen sind platzsparend und flexibel positionierbar, da Elektrolytspeicher und technische Einheit nicht am selben Ort sein müssen. Die Betriebstemperatur ist gleich der Umgebungstemperatur. Redox-Flow-Zellen befinden sich in der Test- bzw. Markteinführungsphase. Das grundlegende notwendige Wissen und die notwendigen Bauteile sind in unserem Land vorhanden, jedoch besteht noch Verbesserungspotential.

 

Ökonomie und Invest

Die Investitionskosten für diese Art von Energiespeicherung sind sehr hoch, da nur einige wenige marktreife Produkte existieren. Zuverlässige Angaben über Lebensdauer von Anlagenbestandteilen gibt es aufgrund von fehlenden Langzeittests noch nicht. Da aber keine der Komponenten bei einem Lade- bzw. Entladevorgang strukturelle Änderungen erfährt, geht man prinzipiell von langen Lebensdauern und von mehr als 10.000 Zyklen aus. Eine ökonomische Betriebsweise oder Amortisation kann allerdings noch nicht bestätigt bzw. abgeschätzt werden.

 

Marktsituation

Insgesamt gilt die Technologie als noch nicht ausgereift. Redoxreaktionen verlaufen komplex, sodass auch bei Redox-Flow-Systemen letztlich noch einiges unbekannt und zu optimieren ist. Einen kommerziellen Markt gibt es bis jetzt nur vereinzelt und Langzeittests existieren nicht.

 

Ökologie

Bei unsachgemäßer Handhabung oder bei Unfällen wäre Vanadium zwar unkritisch, aber Schwefelsäure (als Lösemittel) und möglicher Vanadium-Staub wären problematisch [nach 2, 3]

 

Anlagenbeispiele

Fraunhofer-Eigenforschungsprojekt

Das Fraunhofer ISE hat in einem internen Fraunhofer-Verbundforschungsprojekt ein 1 kW -VRFB-System entwickelt. Im Fokus standen Materialtests und die Stack-Optimierung. Der Stack wurde in ein Testsystem integriert, charakterisiert und in Langzeituntersuchungen getestet. Ein modellbasiertes Regelungssystem (Smart Redox-Flow Control) mit optimierter Betriebsführung erzielt höhere Wirkungsgrade der Batterie und stellt eine Schnittstelle zu einem übergeordneten Energiemanagementsystem (EMS) dar [3].

Abbildung 23, Eigenforschungsprojekt des Fraunhoferinstituts [38]

 

VRFB-System im »Solarhaus« Freiburg

Im europäischen Verbundprojekt MESSIB wird ein vom Fraunhofer ISE entwickelter Redox-Flow-Speicher in das »Solarhaus« in Freiburg integriert. Das Solarhaus stellt eine Testumgebung dar und ist an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Die VRFB verfügt über eine Nennleistung von 1 kW und einen Energieinhalt von 6 kWh. Die Batterie wird über einen Wechselrichter an das Hausnetz angeschlossen. Mit einer auf dem Dach installierten PV-Anlage soll die Redox-Flow-Batterie unter realen Betriebsbedingungen erprobt werden [3].

 

Verbesserungspotential

Die Vanadium-Brom-Redox-Flow-Batterie stellt eine Weiterentwicklung der Vanadium-Redox-Flow-Batterie dar. An der negativen Elektrode kommt Vanadium in zwei- und dreiwertiger Form vor, an der positiven Elektrode besteht das Redoxpaar aus Brom/Bromid.

 

Gesamtreaktion:            

 

Vorteilhaft sind die höhere Energiedichte von 25 bis 50 Wh/kg (gegenüber 15 bis 25 Wh/kg beim reinen Vanadium-System) bzw. 35 bis 70 Wh/l (statt 20 bis 33 Wh/l), die auf die höhere Löslichkeit des Vanadium-Bromids zurückzuführen ist.

Bei dieser Art der Energiespeicherung gibt es Forschungspotential in allen Bereichen. Hauptaugenmerk sollte bei der Weiterentwicklung auf Materialien gelegt werden, um diese Technologie beständig und marktfähig zu machen.

 

 

Quellenangaben:

 

[1]        http://www.tab-beim-bundestag.de/de/untersuchungen/u123.html

            (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

 

[2]        http://www.sumobrain.com/patents/wipo/Method-storing-electrical-energy-             in/WO2010094657.html

            (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

 

[3]        http://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/broschueren-und-flyer

            (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

 

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