Flussbatterien als Windstromspeicher

Flussbatterien – auch Redox-Flow-Batterien genannt - gelten als viel versprechende Kandidaten für die Zwischenspeicherung von überschüssigem Strom aus Wind- und Solarparks. Zwar gleichen heute bereits Lithiumionen-Akkus sehr schnell kleine Schwankungen aus und stabilisieren das Stromnetz. Doch für größere Strommengen zum Ausgleich der fluktuierenden Erzeugung über Stunden und Tage sind sie zu teuer. Daher entwickelten Roy Gordon und seine Kollegen von der amerikanischen Harvard University in Cambridge eine Flussbatterie, die mit günstigen Elektrolyten auf große Speicher skalierbar sein soll.

„Deutschland hat bereits so viele erneuerbare Kraftwerke gebaut, dass nun große Speicher dringend benötigt werden, um das Stromnetz zu stabilisieren“, sagt Roy Gordon mit der Hoffnung auf einen großen Markt für Flussbatterien. Zusammen mit seinen Kollegen entwickelte er bereits vor knapp zwei Jahren einen Prototyp, der anders als andere Ansätze ohne teure Vanadium-Verbindungen auskommt. Dieses Konzept basierte bisher auf organischen Lösungen aus sogenannten Chinonen und Bromverbindungen. Nun ersetzten die Forscher die Bromverbindung mit dem mindergiftigen Hexacyanoferrat. Chinone und die Eisenverbindungen mischten sie jeweils in alkalische Kaliumhydroxid-Lösungen und füllten diese Flüssigkeiten in zwei kleine, voneinander getrennte Tanks mit jeweils etwa einem Liter Volumen.

Für die Stromspeicherung wurden diese flüssigen Elektrolyte durch eine Reaktionszone gepumpt, die durch eine dünne Membran unterteilt war. Floss über angeschlossene Elektroden ein Strom von bis zu 0,6 Milliampere pro Quadratzentimeter, wanderten Kationen durch die Membran von einem flüssigen Elektrolyten zum anderen. Umgekehrt konnten diese Elektrolyte später durch abermaligen Ionenfluss den gespeicherten Strom wieder bereit stellen. Ihr Prototyp erreichte dabei eine Spannung von 1,2 Volt bei einer Stromdichte von 100 Milliampere pro Quadratzentimeter.

Im Vergleich zu Lithiumionen-Akkus und selbst zu Bleibatterien (2 Volt pro Zelle) ist diese Speicherleistung zwar gering. Doch Flussbatterien können mit deutlich größeren Tanks ausgestattet werden, die dann den zeitweilig überschüssigen Strom von Windkraft- oder Solaranlagen mühelos speichern könnten. Das neue System mit Chinon- und Eisenverbindungen hat zudem den Vorteil, dass es verfügbare und sehr günstige Substanzen nutzt. So schlagen die von ihm verwendeten Chemikalien mit knapp 25 Euro pro Kilowattstunde gespeicherten Stroms zu Buche. Die Materialkosten für andere Flussbatterien, die Vanadium-Verbindungen nutzen, rangieren dagegen bei über 70 Euro.

Gordon und seine Kollegen sind davon überzeugt, dass sich ihre Flussbatterien problemlos skalieren lassen. Die Speicherkapazitäten einer Flussbatterie hängen dabei weniger von der Größe der Reaktionszone ab, sondern von den der angeschlossenen Elektrolyttanks. Auf diesem Weg wollen die Forscher auch die derzeit noch mit jedem Ladezyklus um etwa ein zehntel Prozent sinkende Effizienz in den Griff bekommen. Analysen an ihrem Prototyp haben gezeigt, dass weder eine chemische Zersetzung der Elektrolyte noch unerwünschte Vermischungen über die Membran für den Effizienzverlust auf 84 Prozent nach 100 Ladezyklen verantwortlich waren. Vielmehr beobachteten sie kleine Leckraten in der Hydraulik der Flussbatterie, die bei großen Anlagen vermieden werden könnten.

Ob diese Art von Redox-Flow-Batterien den großen Vorsprung von Vanadium-Redox-Akkumulatoren aufholen könnte, ist derzeit noch nicht abzusehen. Denn die Vanadium-Flussbatterien sind bereits weit über das Prototyp-Stadium hinaus entwickelt und erfüllen etwa bei Mobilfunk-Basisstationen oder in ersten Windparks die Aufgabe leistungsfähiger Stromspeicher. Auch für Elektromobile wurde der Einsatz der Flussbatterien erprobt, da ein schneller Austausch der Elektrolyttanks zum „Aufladen“ ausreicht. Wegen zu geringer Leistungsdichte im Vergleich zu Lithiumionen-Akkus werden den Flussbatterien für diese mobile Anwendung jedoch nur sehr geringe Chancen gegeben.

Jan Oliver Löfken

PH