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Redox-Flow-Batterie

Eine Redox-Flow-Batterie ist eine Art von elektrochemischem Energiespeicher. Sie ähnelt einer aufladbaren Batterie (einem Akkumulator), wobei jedoch wie bei einer Brennstoffzelle das Medium, in dem die Energie gespeichert wird, nicht fest verbaut ist. Stattdessen handelt es sich um zwei unterschiedliche Flüssigkeiten (Elektrolyte), in denen die Reaktionspartner gelöst sind. Diese Flüssigkeiten können mithilfe von Pumpen durch die Zellen einer Redox-Flow-Batterie gepumpt werden. Ein gewisser Vorrat von ihnen kann in separaten Tanks gespeichert werden, sodass die sich ergebende Speicherkapazität nicht durch die Größe der eigentlichen Batterie begrenzt ist, sondern durch die Größe dieser Tanks. Nur die umsetzbare Leistung wird durch die Größe der Zellen begrenzt.

Im Betrieb mit Produktion elektrischer Energie laufen die genannten Pumpen, und das Energiespeichermedium wird mehr und mehr erschöpft. Es kann in denselben Zellen durch Zufuhr elektrischer Energie später wieder regeneriert werden. Außer den Pumpen werden keine beweglichen Teile benötigt.

Redox-Flow-Batterie können als eine spezielle Art reversibler (d. h. wiederaufladbarer) Brennstoffzellen angesehen werden, die auf der Basis von Elektrolyten arbeiten. Alternative Bezeichnungen sind Redox-Flussbatterie und Redox-Akkumulator.

Der Begriff "Redox" bedeutet Reduktion/Oxidation. Im Betrieb wird eine der Flüssigkeiten reduziert, während die andere oxidiert wird – dies i. d. R. nicht im Sinne von einer Entnahme bzw. Zufuhr von Sauerstoff, sondern der Übertragung elektrischer Ladungen.

Redox-Flow-Batterien bestehen wie andere Batterien normalerweise aus einer gewissen Anzahl von Zellen, die häufig elektrisch in Serie geschaltet werden. Auf diese Weise können höhere elektrische Spannungen als die Zellenspannung gewonnen werden. Es gibt auch die Möglichkeit, diese Verschaltung beim Laden und Entladen unterschiedlich zu wählen, sodass man die gespeicherte Energie auf einem anderen Spannungsniveau abgeben kann, als es beim Laden vorliegt.

Da die Elektroden anders als bei einer Batterie nicht an der elektrochemischen Reaktion teilnehmen, gibt es im Betrieb kaum Abnutzung (außer evtl. bei längerer Überlastung). Die Anzahl der möglichen Lade-/Entladezyklen kann deswegen relativ hoch sein.

Typen von Redox-Flow-Batterien

Seit der Mitte des 20. Jahrhunderts wurden unterschiedliche Typen von Redox-Flow-Batterien entwickelt, von denen die am weitesten ausgereifte die Vanadium-Redox-Batterie ist. In ihr wird der Umstand ausgenutzt, dass Vanadium in einer Reihe unterschiedlicher Ladungszustände vorliegen kann. Die verwendeten Elektrolyte sind im Wesentlichen Lösungen von Vanadium-Oxiden in Schwefelsäure; sie sind stark sauer, also ätzend. Im Gegensatz zu manchen Batterietechnologien werden aber keine seltenen oder problematisch zu gewinnenden Materialien benötigt. Vanadium wird hauptsächlich aus der Schlacke gewonnen, die bei der Herstellung von Stahl anfällt. Solche Batterien sind sehr betriebssicher und ziemlich robust; sie halten beispielsweise eine starke kurzfristige Überlastung und auch Tiefentladungen problemlos aus. Selbstentladung tritt kaum auf. Jedoch ist die Energiedichte recht gering – in der Größenordnung von 20 Wh pro Liter Elektrolytflüssigkeit.

Diverse andere Arten von Redox-Flow-Batterien werden weiterhin entwickelt, vor allem mit den Zielen einer höheren Energiedichte des Speichermediums und teils auch einer höheren Leistungsdichte der Zellen. Beides wäre sehr wünschenswert beispielsweise für den Einsatz in Elektroautos. Jedoch haben die verwendeten elektrochemischen Systeme noch diverse Mängel; weitere Forschung und Entwicklung wird zeigen, inwieweit sich diese überwinden lassen.

Anwendungen von Redox-Flow-Batterien

Bislang werden Energiespeicher auf der Basis von Redox-Flow-Batterien nur vereinzelt eingesetzt, und dies vor allem in stationären Anlagen, für die die relativ geringe Energiedichte keine so große Rolle spielt. Beispielsweise können solche Systeme zeitweise überschüssige elektrische Energie aufnehmen und später z. B. beim Auftreten einer Spitzenlast wieder abgeben. Auch für unterbrechungsfreie Stromversorgungen kommen sie in Frage. Die bislang größten Anlagen haben eine Nennleistung von über 1 MW und können etliche Megawattstunden (d. h. tausende von Kilowattstunden) speichern. Der erreichte Zyklenwirkungsgrad liegt typischerweise in der Größenordnung von 75 %, ähnlich dem von Pumpspeicherkraftwerken. Größere Anlagen könnten auch ähnlich wie diese zur Netzstabilisierung eingesetzt werden; beispielsweise gibt es Pläne, das große Volumen von Salzkavernen für solche Speicher zu nutzen. Im Vergleich mit Pumpspeicherkraftwerken sind Redox-Flow-Anlagen kompakter und nicht auf eine bestimmte Topographie angewiesen, außerdem auch viel schneller und präziser regelbar, aber meist teurer.

Zukünftig könnten Redox-Flow-Batterien anstelle von Batterien auch im kleineren Maßstab interessant werden, beispielsweise als dezentrale Solarstromspeicher.

Im Prinzip wäre die Nutzung von Redox-Flow-Batterien in Elektroautos interessant – vor allem, weil man ein solches Auto einfach durch Austausch der Elektrolyte in kurzer Zeit auftanken könnte; die Elektrolyte könnten dann in stationären Anlagen wieder regeneriert werden. Vorteilhaft wäre bei diesem Verfahren auch, dass die benötigte elektrische Energie gezielt zu "günstigen" Zeiten (mit gut verfügbaren Kapazitäten) bezogen werden könnte. Problematisch ist aber der Umstand, dass die Energiedichte der bislang entwickelten Systeme deutlich niedriger liegt als beispielsweise diejenige von Lithium-basierenden Batterien, und selbst bei diesen wären ja deutlich höhere Energiedichten durchaus wünschenswert.

Seit einigen Jahren gibt es Berichte, dass eine schweizerische Firma namens nanoFlowcell [1] sehr leistungsfähige Redox-Zellen entwickelt habe und sogar Sportautos, die mit diesen angeblich bestens funktionierten. Jedoch drängen sich erhebliche Zweifel auf, einerseits wegen diverser technisch schwer nachvollziehbarer Behauptungen und andererseits wegen der Geschichte der anscheinend dahinter stehenden Hauptperson Nunzio la Vecchia, die in der Vergangenheit in äußerst fragwürdige Vorgänge verwickelt war. Von daher erscheint es als unplausibel, dass praktisch verwendbare Fahrzeuge mit Redox-Flow-Batterien in naher Zukunft auf den Markt kommen werden.

Siehe auch: Batterie, Akkumulator, Brennstoffzelle, Energiespeicher, Solarstromspeicher