Aufbau und Funktion einer Redox-Flow-Batterie
Aus dem Inhalt:
Die Redox-Flow-Batterie (auch VRF-Stromspeicher oder Flüssigbatterie) ist ein sogenannter Akkumulator. Er besteht einfach beschrieben aus zwei Flüssigkeitskreisläufen, in denen Elektrolyte unabhängig voneinander zirkulieren. Bei den Stoffen handelt es sich meist um Vanadium unterschiedlicher Oxidationsstufen, das in einem Lösungsmittel gelöst ist. Die Flüssigkeiten befinden sich dabei in großen Tanks und werden von Pumpen durch eine Batteriezelle geleitet. Hier sind sie nur von einer dünnen Membran getrennt. Diese ist ionendurchlässig und Voraussetzung für die Funktion der Redox-Flow-Batterien.
Elektrochemische Reaktionen beim Be- und Entladen der Stromspeicher
Speist zum Beispiel eine Photovoltaikanlage überschüssige Solarkraft in den Speicher ein, laufen verschiedene Umwandlungsprozesse ab. So kommt es in der negativ geladenen Halbzelle der Batterie zu einer Reduktion (Elektronenaufnahme), während auf der positiven Seite eine Oxidation (Elektronenabgabe) stattfindet. Die hier frei werdenden Elektronen wandern dabei über Elektroden in die negative Halbzelle der Batterie. Gleichzeitig schlüpfen auch Ionen durch die nur für sie durchlässige Membran und es findet eine Umwandlung von elektrischer in chemische Energie statt. Gibt der VRF-Batteriespeicher (VRF für Vanadium-Redox-Flow) Energie ab, kehrt sich der elektrochemische Prozess um. Das folgende Video zeigt den Prozess im Detail.
Größe der Elektrolyttanks bestimmt die Speicherkapazität
Wie viel Energie eine Redox-Flow-Batterie speichern kann, hängt von der eingesetzten Elektrolytmenge ab. Je mehr Flüssigkeit in den Tanks lagert, umso mehr Strom lässt sich auch bevorraten. Die Leistung der Systeme ist wiederum von der Beschaffenheit und der Anzahl der Batteriezellen abhängig. Verbinden Hersteller mehrere Zellen zu sogenannten Stacks, steigt damit die Leistung, mit der sich Energie einlagern und abgeben lässt.
Vorteile und Nachteile der VRF-Stromspeicher
Geht es um Stromspeicher (auch Solarspeicher) für die heimische Photovoltaik, sind heute überwiegend Lithium-Ionen- oder Blei-Akkumulatoren im Einsatz. Diese haben aber einen entscheidenden Nachteil: Bei jedem Be- und Entladevorgang entstehen Ablagerungen an den Elektroden der Batteriezellen. Die sogenannte Dendritbildung führt unter anderem dazu, dass die Speicherkapazität mit der Zeit abnimmt. Bei Redox-Flow-Batterien lassen sich diese Ablagerungen vermeiden und die Kapazität bleibt auch nach Hunderten Lade- und Entladevorgängen genauso hoch, wie zu Beginn. Von Vorteil ist außerdem der sehr hohe Wirkungsgrad. Die Systeme entladen sich nicht selbst und halten problemlos mehr als 10.000 Ladezyklen aus. Sie haben keinen Memory-Effekt und erreichen eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren. Zum Vergleich: Konventionelle Blei-Akkumulatoren sind in der Regel nach vier bis acht Jahren auszutauschen.
Nachteilig sind hingegen das hohe Gewicht und die aktuell noch eher niedrige Energiedichte der Redox-Flow-Batterien. Aus diesem Grund sind die Anlagen häufig deutlich größer und rauben viel Platz im Aufstellraum. Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Vor- und Nachteile der VRF-Stromspeicher im Vergleich.
| Vorteile der Redox-Flow-Batterien | Nachteile der Redox-Flow-Batterien |
|---|---|
| sehr hoher Wirkungsgrad | aktuell noch geringere Energiedichte |
| hohe Lebensdauer ohne Kapazitätsverlust | Redox-Flow-Batterien sind schwer |
| keine Selbstentladung | höherer Platzbedarf im Aufstellraum |
| kein Memory-Effekt | |
| Skalierung der Kapazität über die Elektrolyt-Menge | |
| keine seltenen Rohstoffe im Einsatz (Vanadium ist eines der häufigsten Elemente der Erde) | |
| keine Selbstentzündung | |
| Recycling ist möglich | |
| Elektrolyte sind weniger giftig |
Einsatzbereiche der Redox-Flow-Batterien
Die VRF-Systeme kommen überall da zum Einsatz, wo elektrische Energie vorübergehend zu speichern ist. Ein Beispiel dafür sind große Photovoltaik- und Windkraftanlagen, die erneuerbaren Strom nicht kontinuierlich liefern. Die größte Anlage dieser Art steht derzeit im japanischen Ariba. Sie erreicht eine Leistung von 15 MW und kann 60 MWh Energie bevorraten. Der größte VRF-Stromspeicher in Deutschland befindet sich im baden-württembergischen Pfinztal. Er erreicht eine Leistung von 1 MW und kann immerhin 10 MWh Strom bevorraten.
Aber auch private Besitzer einer Solarstromanlage können heute von den Vorteilen der Redox-Flow-Batterien profitieren. Denn Anbieter wie VoltStorage bieten die Systeme seit 2018 zu vergleichsweise günstigen Preisen auf dem freien Markt an. Ungeeignet sind VRF-Stromspeicher heute allerdings in der Elektromobilität oder als Akkus in mobilen Elektrogeräten. Die Gründe dafür liegen im hohen Gewicht und dem größeren Platzbedarf. Mit fortschreitender Technik könnte sich aber auch das in Zukunft ändern.
VRF-Stromspeicher für private Hausbesitzer
Suchen Hausbesitzer heute nach einem leistungsfähigen und bezahlbaren Stromspeicher, fällt die Wahl meist auf Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Mit dem VoltStorage Smart gibt es aber auch eine interessante VRF-Alternative. Die Systeme des Münchener Start-Ups haben eine Kapazität von 6,2 Kilowattstunden und leisten allein 1,5 kW. Indem Experten beliebig viele Redox-Flow-Batterien in Reihe schalten, lassen sich Kapazität und Leistung dabei einfach skalieren. Eine Kombination aus 5 Speichern leistet dabei 7,5 kW bei einer Speicherkapazität von 31 kWh. Der Preis ist mit rund 1.000 Euro pro kWh durchaus konkurrenzfähig.
Übrigens: In einigen Regionen Deutschland bekommen Hausbesitzer für die Anschaffung der Technik noch hohe Fördermittel. Einen Überblick dazu gibt der Beitrag "Stromspeicher-Förderung"
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