Durchbruch bei Speichern für Solar- und Windstrom: Fraunhofer-Forscher entwickeln große und leistungsfähige Redox-Flow-Batterie

Leistungsfähige elektrische Energiespeicher sollen künftig die unregelmäßige Stromproduktion von Photovoltaik- und Windkraftwerken künftig ausgleichen. Fraunhofer-Forschern ist nun ein wichtiger Durchbruch gelungen: Sie haben eine Redox-Flow-Batterie mit einer Zellgröße von 0,5 Quadratmetern entwickelt, was einer Stapelleistung von 25 Kilowatt (kW) entspricht.

Das sei achtmal mehr als die bisherigen DIN-A4-Blatt großen Systeme, berichtet das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) mit Sitz  in Oberhausen. Auf der Hannover Messe stellt das Institut den neuartigen Stromspeicher erstmals vor (8. bis 12. April).

Strom wird in chemischen Verbindungen gespeichert
Damit die Energiewende gelingt, müssen die wachsenden Mengen an Solar- und Windstrom für nachts oder windschwache Zeiten gespeichert werden – etwa in elektrischen Akkus. Redox-Flow-Batterien bieten eine gute Möglichkeit, um die Schwankungen bei erneuerbaren Energien auszugleichen und eine stetige Versorgung zu sichern. Sie speichern elektrische Energie in chemischen Verbindungen, den flüssigen Elektrolyten. Die Ladung und Entladung der Elektrolyten findet in kleinen Reaktionskammern statt. Mehrere dieser Zellen werden nebeneinander zu Stapeln (Stacks) aufgereiht. Doch bislang liefern die auf dem Markt verfügbaren etwa DIN-A4-Blatt großen Batterien (1/16 Quadratmeter) nur eine Leistung von 2,3 Kilowatt (kW).

Erste Präsentation auf der Hannover Messe
Die Forscher des Fraunhofer UMSICHT in Oberhausen konnten nun die Größe der Stacks und damit die Leistungsfähigkeit deutlich erhöhen. Der Prototyp hat einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent. Er kann mit Strömen von bis zu 500 Ampere belastet werden. Diese Batterie präsentieren die Wissenschaftler auf der Hannover Messe am Fraunhofer-Stand der Allianz Energie in Halle 13, Stand C10.

Batterien komplett neu entworfen
Zunächst erprobten die Fraunhofer-Wissenschaftler neue Membranmaterialien, forschten am Batteriemanagement und dem Batteriedesign. Strömungssimulationen halfen dabei, den Aufbau der Zellen zu optimieren. Die Forscher haben die Batterien dann komplett neu entworfen und so den Durchbruch geschafft.
»Die größte Herausforderung bestand darin, dass wir für das Scale-up einen komplett neuen Aufbau der Stacks entwickeln mussten, um Batterien in dieser Leistungsstärke zu konzipieren«, erklärt Dr. Jens Burfeind, Gruppenleiter Elektrochemische Speicher am Fraunhofer UMSICHT.

Großes Testlabor für Redox-Flow-Batterien
Die UMSICHT-Experten arbeiten gemeinsam mit ihren Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT und vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in einem vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten Projekt intensiv an Redox-Flow-Batterien. Am Institut in Oberhausen steht für die Forschungsarbeiten eines der größten Testlabore für Redox-Flow-Batterien europaweit zur Verfügung.

Redox-Flow-Batterie soll bis zu 2.000 Haushalte mit Strom versorgen
»Uns ist mit dem Redesign des Batterie-Stacks ein sehr wichtiger Schritt gelungen auf dem Weg, Redox-Flow-Batterien zu entwickeln, die zum Beispiel 2.000 Haushalte mit Strom versorgen können«, sagt Dr. Christian Dötsch, der den Bereich Energie am Fraunhofer UMSICHT leitet. Dazu wären etwa zwei Megawatt Leistung nötig.
Als nächstes konkretes Ziel stehe daher zunächst die Entwicklung eines Stacks in der Größe von zwei Quadratmetern und einer Leistung von 100 kW auf der Agenda.

Zur Funktion der Redox-Flow-Batterie
Die Redox-Flow-Zelle (Red für Reduktion = Elektronenaufnahme, Ox für Oxidation = Elektronenabgabe) ist ein Akkumulator. Sie speichert Energie in Elektrolytlösungen. Diese fließen aus Tanks durch eine Zelle, die in einem chemischen Prozess daraus Strom erzeugt.
Am weitesten verbreitet ist die Vanadium-Redox-Flow-Batterie. Die Ladung und Entladung des Vanadiums findet in kleinen Reaktionskammern statt. Mehrere dieser Zellen sind nebeneinander zu Stapeln, Stacks, aufgereiht. Das erhöht die Leistung der Batterie. RedoxFlow-Batterien bieten einige Vorteile: Sie sind kostengünstig, robust, langlebig und lassen sich individuell anpassen.


07.03.2013 | Quelle: Fraunhofer UMSICHT | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH

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