Fließende Batterien: Bitte gießen Sie Elektronen für mich!
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts in Deutschland führen neben den klassischen auch ernsthafte Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der elektrischen Batterien durch. Mit der Redox-Flow-Technologie unterscheidet sich das Speichern von Elektrizität grundlegend ...
Die Batterien, die mit Flüssigkeit als Kraftstoff geladen sind, werden in ein Auto mit Benzin- oder Dieselmotor gegossen. Es mag utopisch klingen, aber für Jens Noack vom Fraunhofer-Institut in Pfinztal ist dies eigentlich Alltag. Seit 2007 entwickelt das Entwicklungsteam, an dem er beteiligt ist, diese exotische Form des Akkus in vollem Gange. Tatsächlich ist die Idee einer Durchfluss- oder sogenannten Durchfluss-Redoxbatterie nicht schwierig, und das erste Patent auf diesem Gebiet stammt aus dem Jahr 1949. Jeder der beiden Zellräume, die durch eine Membran (ähnlich wie Brennstoffzellen) getrennt sind, sind mit einem Reservoir verbunden, das einen bestimmten Elektrolyten enthält. Aufgrund der Tendenz von Substanzen, chemisch miteinander zu reagieren, bewegen sich Protonen durch die Membran von einem Elektrolyten zum anderen, und Elektronen werden durch einen Stromverbraucher geleitet, der mit den beiden Teilen verbunden ist, wodurch ein elektrischer Strom fließt. Nach einer gewissen Zeit werden zwei Tanks entleert und mit frischem Elektrolyt gefüllt, und der gebrauchte wird an den Ladestationen „recycelt“.
So gut das alles aussieht, leider stehen dem praktischen Einsatz dieser Batterieart im Auto noch viele Hindernisse entgegen. Die Energiedichte einer Vanadium-Elektrolyt-Redox-Batterie liegt im Bereich von nur 30 Wh pro Kilogramm, was in etwa der einer Blei-Säure-Batterie entspricht. Um die gleiche Energiemenge wie eine moderne 16-kWh-Lithium-Ionen-Batterie zu speichern, benötigt die Batterie beim aktuellen Stand der Redox-Technologie 500 Liter Elektrolyt. Dazu natürlich die ganze Peripherie, deren Volumen auch ziemlich groß ist – ein Käfig, der nötig ist, um eine Leistung von einem Kilowatt bereitzustellen, wie eine Bierkiste.
Für Autos sind solche Parameter nicht geeignet, da die Lithium-Ionen-Batterie pro Kilogramm viermal mehr Energie speichert. Jens Noack ist jedoch optimistisch, denn die Entwicklung in diesem Bereich steht erst am Anfang und die Perspektiven sind vielversprechend. Im Labor erreichen die sogenannten Vanadium-Polysulfid-Bromid-Batterien eine Energiedichte von 70 Wh pro Kilogramm und sind in ihrer Größe vergleichbar mit den derzeit im Toyota Prius verwendeten Nickel-Metallhydrid-Batterien.
Dies reduziert das erforderliche Tankvolumen um die Hälfte. Dank eines relativ einfachen und kostengünstigen Ladesystems (zwei Pumpen pumpen neuen Elektrolyten, zwei saugen gebrauchten Elektrolyten ab) kann das System in zehn Minuten aufgeladen werden, um eine Reichweite von 100 km zu erreichen. Selbst Schnellladesysteme wie das des Tesla Roadster halten sechsmal länger.
In diesem Fall ist es nicht verwunderlich, dass sich viele Automobilunternehmen an die Forschung des Instituts wandten und das Land Baden-Württemberg 1,5 Millionen Euro für die Entwicklung bereitstellte. Bis zur Phase der Automobiltechnik wird es aber noch dauern. „Diese Art von Batterie kann sehr gut mit stationären Stromversorgungssystemen arbeiten, und wir bauen bereits Versuchsstationen für die Bundeswehr. Im Bereich der Elektrofahrzeuge ist diese Technologie jedoch in etwa zehn Jahren einsatzfähig“, sagte Noak.
Für die Herstellung von Durchfluss-Redoxbatterien werden keine exotischen Materialien benötigt. Es sind keine teuren Katalysatoren wie Platin, die in Brennstoffzellen verwendet werden, oder Polymere wie Lithiumionenbatterien erforderlich. Die hohen Kosten für Laborsysteme, die 2000 Euro pro Kilowatt Leistung erreichen, sind allein darauf zurückzuführen, dass sie einzigartig und von Hand gefertigt sind.
Inzwischen planen die Spezialisten des Instituts den Bau eines eigenen Windparks, in dem der Ladevorgang, also die Entsorgung des Elektrolyten, stattfinden soll. Mit Redox-Flow ist dieser Prozess effizienter, als Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu elektrolysieren und in Brennstoffzellen zu verwenden – Instant-Batterien liefern 75 Prozent des zum Laden verwendeten Stroms.
Wir können uns Ladestationen vorstellen, die zusammen mit dem herkömmlichen Laden für Elektrofahrzeuge als Puffer gegen die Spitzenlast des Stromversorgungssystems dienen. So müssen heute beispielsweise viele Windkraftanlagen in Norddeutschland trotz Wind abgeschaltet werden, sonst würden sie das Netz überlasten.
In Bezug auf die Sicherheit besteht keine Gefahr. „Wenn Sie zwei Elektrolyte mischen, gibt es einen chemischen Kurzschluss, der Wärme abgibt und die Temperatur steigt auf 80 Grad, aber sonst passiert nichts. Natürlich sind einige Flüssigkeiten nicht sicher, aber auch Benzin und Diesel. Trotz des Potenzials von Durchfluss-Redox-Batterien arbeiten Forscher am Fraunhofer-Institut intensiv an der Entwicklung der Lithium-Ionen-Technologie ...
Text: Alexander Bloch
Redox Flow Batterie
Eine Redox-Flow-Batterie ist eigentlich eine Kreuzung zwischen einer herkömmlichen Batterie und einer Brennstoffzelle. Strom fließt aufgrund der Wechselwirkung zwischen zwei Elektrolyten, von denen einer mit dem Pluspol der Zelle und der andere mit dem Minuspol verbunden ist. In diesem Fall gibt einer positiv geladene Ionen ab (Oxidation) und der andere empfängt sie (Reduktion), daher der Name des Geräts. Wenn ein bestimmter Sättigungsgrad erreicht ist, stoppt die Reaktion und das Laden besteht darin, die Elektrolyte durch frische zu ersetzen. Worker werden mithilfe des umgekehrten Prozesses wiederhergestellt.
