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Die Kombination nichtkorrosiver Chemikalien und die Stack-Energieumwandlung, auf denen der neue Speicher beruht, stammen vom Startup-Unternehmen Kemwatt. Die Entwicklung des industriellen Prototypen hat zwei Jahre gedauert. Sie macht laut Hersteller den Weg frei für die Entwicklung günstigerer, zuverlässiger und unproblematischer Energiespeichertechniken und soll dem weltweiten Ausbau der erneuerbaren Energieversorgung über Smart Grids und Micro Grids neuen Schub verleihen.
Die Lebenszeit des wartungsarmen Speichersystems entspricht der der Windkraft- und Solaranlagen, mit denen es verbunden werden könnte. Es eignet sich für den Einsatz in den großen Smart Grid-Projekten in Europa oder den USA, aber auch für lokale Micro Grids in Entwicklungsländern.
Flüssige Energie lenken
Für den kommenden Einsatz von Redox-Flow-Batterien entwickelt Trumpf Hüttinger in einem Pionierprojekt gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut bidirektionale Wechselrichter für den kommenden Einsatz von Redox-Flow-Batterien. Bei Redox-Flow-Batterien lag der Schwerpunkt der Forschungsprojekte bisher sehr stark auf der Speichertechnik selbst, weniger auf der notwendigen Leistungselektronik. Die Charakteristik herkömmlicher Wechselrichter ist für Redox-Flow-Batterien mit ihrem hohen Energiefluss in einem niedrigen Spannungsbereich nur eingeschränkt geeignet. In Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat das Unternehmen Trumpf Hüttinger einen bidirektionalen Wechselrichter entwickelt, der auf die Anforderungen der Speichertechnik ausgelegt ist.
Skalierbare Wechselrichter
Dazu konstruiert Trumpf Hüttinger Wechselrichter für Redox-Flow-Funktionsblöcke auf Stack-Ebene, die skalierbare Gesamtanlagen möglich machen. Diese Funktionsblöcke erfordern einen geringeren Installationsaufwand. Zudem schaffen sie ein redundantes Gesamtsystem, das auch nachträglich leicht in seiner Kapazität verändert werden kann.
Der Wechselrichter soll zunächst in drei Modellen mit Leistungen von 6, 20 und 33 kW angeboten werden. Er ist für den Anschluss an Niederspannungsnetze von 400 bis 480 VOLT vorgesehen, die Toleranz beträgt minus 15 Prozent bei der Minimal- und plus 10 Prozent bei der Maximal-Netzspannung. Die zulässige Netzfrequenz liegt im Bereich von 45 bis 65 Hz, so dass der Wechselrichter weltweit ohne Anpassungsaufwand eingesetzt werden kann. Auf der DC-Seite gibt Hüttinger den Spannungsbereich mit 0 bis 70 V und eine Stromstärke bis 1350 A an.
Die kontinuierliche Leistung ist mit 20 kVA beziffert, die Überlastkapazität liegt bei 120-150 Prozent. Damit sind auch die grundlegenden Leistungsdaten pro Funktionsblock vorgegeben. Diese Daten lassen eine zuverlässige Netzqualität erwarten, die insbesondere in kleineren Netzen und Mico-Grids die Stabilität entscheidend beeinflussen kann. Peaks können in einem weiten Bereich aufgefangen werden, was die angeschlossenen Verbraucher entlastet.
Hintergründe: So wird Energie flüssig
Die wiederaufladbaren Redox-Flow-Batterien sollen die Vorzüge von Brennstoffzellen und Batterien vereinen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass Leistung und Speicherkapazität unabhängig voneinander skaliert werden können.Die Zahl der Stacks, die elektrische in chemische Energie umwandeln und umgekehrt, kann leicht an die erforderliche Kapazität angepasst werden; das gleiche gilt für die Menge des Elektrolyts, das die Energie chemisch speichert. Der gesamte Prozess der Speicherung und Entnahme der Energie ist praktisch verschleißfrei. Zudem können Redox-Flow-Batterien zu einem sehr großen Teil gut recyled werden (das Elektrolyt zu 100 Prozent) und verursachen deshalb eine geringe Umweltbelastung. Ihr Elektrolyt lässt sich einfach wieder auftanken - sofern man dafür die passenden Chemikalien findet.
Derzeit kommt bei Redox-Flow-Batterien unter anderem Vanadiumoxid als Elektrolyt zum Einsatz. Dieses Material ist jedoch knapp: Gerade mal 80.000 Tonnen pro Jahr werden auf der Welt jährlich produziert, was für eine groß angelegte Energiespeicherung zu wenig ist.
Gesucht werden als Elektrolyt vor allem organische Moleküle, die sich leicht in Massen produzieren lassen. Ihre chemische Reaktion darf nicht zu langsam verlaufen, um die Batterieleistung nicht zu schmälern. Da die Elektrolyten während des Betriebs durch eine Membran gepumpt werden müssen, darf das Material nicht zu dickflüssig sein.
Energiespeicher mit Vitamin B
Auch bei Energiespeichern ist Vitamin B hilfreich: So testen Forscher derzeit ein Molekül, das in der Struktur dem Vitamin B2 ähnelt und sich mit dem ungiftigen Eisencyanid verbinden lässt. Die Synthese des so zusammengesetzten Elektrolyts läuft unter Zimmertemperatur und Normalbedingungen ab und erfordert nur günstige, geläufige Chemikalien wie Alloxazine. Die so entstehenden Chemikalien sind weitgehend ungiftig und schwer entflammbar.
Pro Ladezyklus verliert die Batterie nur 0,013 Prozent und behält nach 400 Ladezyklen somit eine Restkapazität von 95 Prozent. Die Energieeffizienz der Redox-Flow-Batterien bleibt hinter der von Lithium-Ionen-Batterien zurück: Zwischen 25 und 40 Prozent der Energie gehen zwischen Laden und Entladen verloren. Die Speicherkapazität der Redox-Flow-Batterien beträgt 6,5 Watstunden pro Liter Elektrolyt, bei Lösungen mit Vanadium 25 Wattstunden pro Liter.
Ohne Pumpen alles im Fluss
Um die Kosten für Redox-Flow-Batterien zu reduzieren, greifen Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) auf das Sanduhr-Prinzip zurück. Die Elektrolytlösungen werden in zwei Tanks aufbewahrt - wie der Plus- und Minus-Pol einer Batterie. In eine Wandler-Einheit zwischen den beiden Tanks wird der Elektrolyt gepumpt. Nun werden wie bei einer Sanduhr die beiden Tanks übereinander gelegt, um die Schwerkraft zum Transport der Flüssigkeit zu nutzen. Je nach Winkel kann die Flussgeschwindigkeit bei Bedarf angepasst und die Energiemenge reguliert werden. Somit wird eine Pumpe und der mit ihr verbundene Stromverbrauch überflüssig.
