Von vielen Seiten wird die Redox-Fluss-Batterie (RFB) als einer der vielversprechendsten, zukünftigen Ansätze zur Speicherung von erneuerbarer Energie angesehen. Im Rahmen des Internationalen Projekts „FlowCamp“ arbeiten Wissenschaftler an der nächsten Generation des Batteriesystems. An dem Projekt beteiligt sich auch die ZHAW.

Im ostfriesischen Jemgum soll dereinst eine Batterie der Superlative entstehen. Um diese zu realisieren, möchte die Initiatorin des Mega-Akkumulator, die EWE Gasspeicher GmbH, in ihrem Projekt „brine4power“, zwei riesige, unterirdische Salzkavernen in eine gigantische Redox-Fluss-Batterie (RFB), auf der Basis von neu entwickelten Polymeren, verwandeln. Diese soll rund 700 Megawattstunden (MWh) Strom aus einem angeschlossenen Windpark speichern können. Das wäre genug, um rund 75‘000 Haushalte für einen Tag mit Strom zu versorgen. Wann genau die Batterie fertiggestellt werden soll, ist gegenwärtig aber noch offen. Etwas weiter ist man da bereits in der chinesischen Provinz Dalian. Seit 2016 befindet sich hier ein vergleichbares Batteriesystem im Bau, das künftig 800 MWh Strom im chemischen Element Vanadium speichern soll. Gebaut wird es vom regierungsnahen Unternehmen Dalian Rongke Power Co. Ltd. in Zusammenarbeit mit dem amerikanischen RFB-Hersteller UniEnergy Technologies.

Erneuerbare Energien in Batterien speichern – Die Redox-Fluss-Batterie (RFB) gilt dafür als eine der aussichtsreichsten Kandidatinnen in Zukunft. (Quelle: FlowCamp)

Für eine grössere Verbreitung der RFB sind Projekte wie in Jemgum und Dalian förderlich. Darüber hinaus demonstrieren sie auch die hohe Aktualität der RFB. Nicht zu Unrecht wird dieser bestimmte Batterietyp heute von zahlreichen Seiten als einer der vielversprechendsten Ansätze zur Speicherung von erneuerbaren Energien, wie Sonnen- oder Windenergie, angesehen. Gleichzeitig ist die RFB aber immer noch, aus unterschiedlichen Gründen, Gegenstand intensiver Forschung. Jürgen Schumacher, Professor für elektrochemische Zellen und Energiesysteme an der ZHAW, meint dazu: „Zurzeit sehen wir, dass die Anzahl an Publikationen zur RFB exponentiell zunimmt. Die Entwicklung steht und fällt dabei mit den Materialkombinationen für den Akkumulator. Wenn man hier stabile und kostengünstige Komponenten identifizieren kann, ist das Potential der RFB als enorm hoch einzustufen.“ Schumacher weiss wovon er spricht. Er arbeitet mit am Projekt „FlowCamp“, einem international aufgestellten Forschungs- und Trainingsprogramm zur RFB. Er und seine Forscherkollegen sind dabei die nächste Generation der RFB zu entwickeln.

Energie in Flüssigkeiten speichern

Die Idee Energie in chemischen Flüssigkeiten zu speichern geht bereits auf die Mitte des 20. Jahrhunderts zurück. So liess sich Walther Kangro von der Technischen Universität Braunschweig bereits 1949 ein „Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie“ (Patentschrift Nr. 914264) eintragen. Damit gilt Kangro als Erfinder der RFB.

In der Patentschrift von damals wird denn auch das grundsätzliche Funktionsprinzip der Batterie folgendermassen charakterisiert: „Das Verfahren (…) ist dadurch gezeichnet, dass zur Stromerzeugung die chemische Wechselwirkung von in Flüssigkeiten gelösten Stoffen verwandt wird, die in oxidierte und reduzierte Zustände überführbar sind, indem die Lösungen dieser Stoffe zum Laden einerseits durch einen Kathodenraum (Reduktion), andererseits durch einen Anodenraum (Oxydation) der Sammlerzellen geführt und hierbei entstehenden chemisch verschiedenen Lösungen getrennt gespeichert werden, zum Entladen jede der gespeicherten Lösungen durch einen Elektrodenraum gleicher Priorität, wie beim Laden, zurückgeführt und gespeichert wird.“

In der darauffolgenden Zeit wurde es ruhiger um die RFB. Erst ab den 70er und 80er Jahren des letzten Jahrhunderts erlebte der Ansatz eine erste Renaissance. Dieses Mal auf der anderen Seite des Atlantischen Ozeans. Mit Ihrem „Redox Storage System Development Project“ verfolgte die NASA damals die Idee, mittels der RFB, Solarenergie für die Versorgung zukünftiger Mondbasen zu speichern. Aus den Mondbasen wurde vorerst einmal nichts, aber etwa zeitgleich dazu erzielte ein Forscherteam um die australische Wissenschaftlerin Maria Skyllas-Kazacos an der University of New South Wales entscheidende Fortschritte auf dem Gebiet der auf Vanadium basierenden RFB. Bis heute ist dieser 1986 patentierte Typ der RFB der verbreitetste. Der weitere Weg für die Technik war damit bereitet. „Seit Mitte der 90er Jahren erlebt die Forschung zur RFB eine zweite Renaissance, weil sie eine der aussichtsreichsten Batterietypen zur Speicherung von erneuerbaren Energien darstellt. In Zukunft werden fluktuierende Energiequellen, wie sie die Photovoltaik oder der Windkraft darstellen, stark zunehmen. Für die, aus Sonne und Wind gewonnene Energie benötigt man passende Speicher.

RFB am Fraunhofer Institut in Pfinztal mit 2 MW Leistung und 20 MWh Speicherkapazität. Die Energie stammt aus einem gekoppelten Windrad. (Quelle: Fraunhofer Institut)

Aufbau und beschränkte Anzahl kommerzieller Varianten

Eine RFB besteht, vereinfacht gesagt, aus den folgenden Hautkomponenten: Zwei Tanks, einer galvanischen Zelle, einem Pump- und Steuersystem und einer Stromquelle (z.B. ein Windrad). In den voneinander getrennten Tanks befinden sich unterschiedliche Elektrolyte (in Flüssigkeiten aufgelöste chemische oder organische Stoffe wie z.B. Vanadium, Brom, etc.), die unabhängig voneinander zirkulieren. Mittels Leitungen werden diese Elektrolytlösungen in jeweils eine Hälfte der galvanischen Zelle geleitet, die von einer Membran aufgeteilt wird.

In den porösen Elektroden zweier Halbzelle findet dann die chemische Reaktion der getrennten Flüssigkeiten statt. Beide Elektrolyte können Elektronen (negativ geladene Teilchen) unterschiedlich stark an sich binden. Beim Elektrolyten mit der stärkeren Bindungsaffinität an die Elektronen spricht man vom Katolyt und bei demjenigen mit der schwächeren vom Anolyt. Wenn dem System nun Strom von aussen zugeführt wird, verliert der Katolyt Elektronen (Oxidation), die dem Anolyt zugeführt werden (Reduktion). Durch diesen Prozess wird die RFB geladen. Während dem Entladevorgang verliert der Katolyt die Elektronen zu Gunsten des Anolyt wieder, wobei elektrischer Strom fliesst, der dann verwendet werden kann. Die Reaktionen in der RFB können entweder in Einzelzellen stattfinden oder auch in hintereinander angeordneten chemischen Zellen, den sogenannten „Stacks“.  Eine grössere Anzahl letzterer erhöht die Speicherkapazität des Systems.

Abhängig davon, welches Material für die Elektrolyte verwendet wird, liegen verschiedene Ausformungen der RFB, mit unterschiedlichen Eigenschaften und technischen Voraussetzungen dafür vor. „Es gibt nicht die RFB, sondern zahlreiche unterschiedliche Materialkombination. Das macht das System potentiell enorm vielseitig.“

Bis heute wurden etwas mehr als 60 unterschiedliche Typen der Batterie beschrieben. Sehr viele mehr sind theoretisch denkbar. Beispiele für RFB, die heute technisch als fortgeschritten gelten, sind beispielsweise die Vanadium-Vanadium-RFB, die Chrom-Eisen-RFB und die Zink-Brom-RFB.

Wegen dem relativ hohen Kostenaufwand in der Herstellung und der technischen Komplexität des Gesamtsystems kommen bis anhin aber nur etwa eine Handvoll Varianten der RFB für kommerzielle Zwecke in Betracht. Ein wichtiges Stichwort in diesem Zusammenhang heisst Energiedichte. Denn nur ein RFB-System, das über eine verhältnismässig hohe Energiedichte verfügt, hat gute Chancen künftig auch kommerziell umgesetzt zu werden. Letztlich hängt das damit zusammen, dass RFB über niedrigere Energiedichten als beispielsweise Lithium-Ionen- oder gar Bleibatterien verfügen. So hat eine Vanadium-RFB eine Energiedichte von 25 Wattsunden (Wh) pro Liter und eine Bromid-RFB 50 Wh pro Liter. Dem gegenüber stehen 80 Wh pro Liter in handelsüblichen Bleibatterien. Um dies zu kompensieren und eine hohe Speicherleistung für den Akkumulator zu erzielen, müssen dessen Elektrolytmenge, und damit die ganze Batterie, entsprechend gross ausfallen.

Interessant für die Speicherung erneuerbarer Energien

Für bestimmte Anwendungen bei der Stromspeicherung aus erneuerbaren Energien könnten RFB künftig eine wichtige Rolle spielen. „Grosse Chancen hat das System heute vor allem als stationärer Energiespeicher für Windparks oder Photovoltaikanlagen aber auch für die Industrie, lokale Stromgemeinschaften oder Gebiete ohne direkte Netzanbindung.“ Schumacher betont dabei, dass die RFB hier einen von verschiedenen Ansätzen darstellt. „In Zukunft wird sich nicht ein Batteriesystem durchsetzen, sondern es wird ein Mix an unterschiedlichen Anwendungen geben. Je nach Vorteilen und Nachteilen wird die eine hier und die andere dort zum Einsatz kommen.“  Anders als bei Lithium-Ionen basierten Batterien, die zurzeit den Markt dominieren, sich aber eher für kleinere oder mobile Anwendungen eignen, liegen die Stärken der RFB eher bei stationären Anwendungen, bei denen grössere Mengen an Energie gespeichert werden sollen. „RFB haben zudem den Vorteil, dass Energieinhalt und Leistung des Speichersystems unabhängig voneinander skaliert werden können. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien kann man den Energiegehalt eines RFB-Systems durch die Grösse der Elektrolyt-Tanks variieren, wogegen die elektrische Leistung durch die Grösse der RFB-Stacks bestimmt wird.“

Jürgen Schuhmacher: „In Zukunft wird sich nicht ein Batteriesystem durchsetzen, sondern es wird ein Mix an unterschiedlichen Anwendungen geben. Je nach Vorteilen und Nachteilen wird die eine hier und die andere dort zum Einsatz kommen.“

Mit RFB lassen sich Leistungen von mehreren Megawatt (MW) zu erzielen. „Am Fraunhofer Institut in Pfinztal ist zur Zeit eine entsprechende Batterie mit 2 MW Leistung und 20 MWh Speicherkapazität im Aufbau, die die Energie aus einem gekoppelten Windrad speichert.“ Gleichzeitig verfügen RFB über hohe Energieeffizienzen (ca. 80%) und sind in Sekundenbruchteilen betriebsbereit. Da das Elektrodenmaterial, wegen des technischen Aufbaus der Batterie, chemisch nicht mit den jeweiligen Elektrolyten direkt reagiert, entlädt sich die Batterie auch kaum von selbst und ist daher sehr langlebig und öfter wieder aufladbar als andere Akkumulatoren. „Weitere wichtige Vorteile der RFB sind, dass sie, je nach Materialkombination, weniger toxisch und, im Vergleich zur Lithium-Ionen-Batterie, auch feuersicher sind. Darüber hinaus arbeiten wir an RFB, die ohne seltene Rohstoffe auskommen.“ Für die Zukunft des Systems könnte gerade der letzte Punkt von entscheidender Bedeutung sein.

Grosses Potential und „Flowcamp“

Die Technik der auf Vanadium basierten RFB gilt heute als ausgereift. „Das System ist testbar, kaufbar und installierbar. Im Moment ist es aber tendenziell noch zu teuer, um richtig konkurrenzfähig zu sein.“ Die bis anhin auf den Markt gebrachten Varianten basieren beinahe alle auf Vanadium. Gerade diese Technik hat aber ihre Grenzen, die mittlerweile langsam erreicht sind.

Anders könnte es sich mit neuen RFB-Typen verhalten. Zum Beispiel solchen mit organischen Redox-Spezies. Das Potential dieser Batterie ist erheblich. Einerseits wegen seiner spezifischen Eignungen im Bereich der erneuerbaren Energien und andererseits wegen der zahlreichen, potentiellen Materialkombinationen, die für den Bau einer solchen Batterie in Frage kommen.

Wollen neue Formen der RFB entwickeln. Elf Institute und Unternehmen aus acht verschiedenen Ländern arbeiten mit. Das Team von „FlowCamp“. (Quelle: „FlowCamp“

Nicht zuletzt deshalb hat sich die Forschung zum Thema in der jüngeren Vergangenheit stark intensiviert. Ein Projekt, das sich mit der Entwicklung der nächsten Generation der RFB beschäftigt, ist das „Redox Flow Battery Campus“, kurz „FlowCamp“. „Das Ziel des Projekts ist es, neue Materialkombinationen zu identifizieren und Techniken für eine nächste, kostengünstige Generation der RFB zu entwickeln. Darüber hinaus geht es bei „FlowCamp“ aber auch darum, spezialisierte Wissenschaftler zum Thema auszubilden, die die Forschung weitertragen und den Transfer der RFB-Technologie in die Wirtschaft für die Zukunft gewährleisten können.“

„FlowCamp“ wird während seiner Laufzeit in drei Hauptphasen unterteilt. Einer Trainingsphase, einer Forschungs- und Entwicklungsphase und einer Ergebnis- und Präsentationsphase. Ein Kennzeichen von „FlowCamp“ ist es, dass die während der jeweiligen Phasen gewonnenen Erkenntnisse und Resultate laufend in die darauffolgenden einfliessen.

„FlowCamp“ begann am 1. September 2017 und dauert noch bis Ende August 2021. Getragen wird das Projekt vom EU-Forschungsprogramm Horizon 2020 und dem Marie Sklodowska-Curie Programm. „Heute beteiligen sich elf Partnerorganisationen aus acht unterschiedlichen Ländern an FlowCamp.“ Nebst der ZHAW sind das beispielsweise das Fraunhofer Institut für Chemische Technologie aber auch die Universitäten Prag und Stuttgart.

Drei neue RFB im Fokus

Entwickeln möchte man während „FlowCamp“ einerseits eine H2/Br2-RFB. Diese Materialkombination verspricht eine bis zu zehn Mal höhere Leistungsdichte als bei der bis anhin gängigen Vanadium-RFB. Zum zweiten soll ein Zink/Luft-Akkumulator gebaut werden, der über eine hohe Speicherkapazität verfügt. Die dritte Variante soll eine organische RFB sein, die, im Vergleich zu den anderen Varianten, umweltfreundlicher ausfallen soll.

Im Fokus von „FlowCamp“ stehen drei neue Ausformungen der RFB, die man entwickeln möchte. Alle haben verschiedene Stärken. (Quelle: „FlowCamp“)

Gerade hier könnte denn auch das grösste Potential der RFB noch im Verborgenen liegen. „Wenn man bei den organischen RFB einen Durchbruch erzielt, würde das die Kosten des Systems früher oder später massiv senken. Gleichzeitig könnte das zur Unabhängigkeit von seltenen Rohstoffen bei der Herstellung der RFB beitragen.“ Eine organische RFB, in der erneuerbare Energie gespeichert werden, ist heute bereits möglich. „So steht beispielsweise die Firma JenaBatteries bereits nahe an deren Kommerzialisierung und auch in China wird sehr intensiv daran gearbeitet. Zurzeit kann man aber noch nicht sagen, welches Materialsystem sich hier kommerziell durchsetzen wird. Im Rahmen von Forschungsprojekten wie „FlowCamp“ beschäftigen wir uns mit solchen Fragen.“

Ausbildung von „early-stage researchers“

„FlowCamp“ ist ein trainingsorientiertes Forschungsprogramm. Das bedeutet, dass, im Laufe des Projekts, 15 spezialisierte Wissenschaftler, sogenannte „early-stage researchers“ umfänglich für die Arbeit an RFB ausgebildet werden und an deren Weiterentwicklung aktiv mitarbeiten. Damit wird einerseits die Grundlage für deren Karrieren im Bereich der Energiespeichertechnologien gelegt und andererseits der hohen Aktualität der RFB Rechnung getragen. Das Interesse von dieser Seite am Projekt war denn auch entsprechend gross. „An der ZHAW haben sich rund 50 Bewerber auf jede ausgeschriebene Stelle beworben. Aktuell arbeiten bei uns, im Rahmen von „FlowCamp“, zwei Doktoranden an der mathematischen Modellierung und Simulation von RFB.“

Nebst der Identifikation neuer Materialkombinationen für die RFB stehen in der Anfangsphase von „FlowCamp“, im Rahmen von sieben Lerneinheiten, beispielsweise die Entwicklung neuer Membranen und Formen von Elektroden, aber auch von Elektrolyten und Dichtungsmaterialien im Fokus. So bekommen die Wissenschaftler die Gelegenheit ihre Kenntnisse auf diesem Gebiet zu vertiefen und aktiv an neuen Ansätzen zu partizipieren.

Von den Grundlagen bis zur nächsten Generation der RFB. Schematischer Aufbau von „FlowCamp“. (Quelle: „FlowCamp“)

In der eigentlichen Forschungsphase finden dann numerische Simulationen der drei neuen RFB-Zelltypen, die Modellvalidierung und die Prototypentwicklung statt. Publikationen in wissenschaftlichen Zeitschriften und Präsentationen auf Fachkonferenzen bestimmen dann die Präsentationsphase und sind für die Doktorierenden sehr wichtig. „Andererseits soll dann aber auch der Know-How-Transfer in die Europäische Industrie erreicht werden. Hierzu dienen sogenannte „secondments“, d.h. Kurzaufenthalte der Doktorierenden bei Europäischen Firmen und den an FlowCamp beteiligten Forschungsinstitutionen.“  Zudem werden in dieser Phase dann auch Marktimplementierungs- und Verkaufsvorschläge für die neuen Systeme entwickelt und vorgestellt.

Auf die Resultate von „FlowCamp“ darf man gespannt sein. Und von der RFB wird man künftig sicher noch so einiges hören.