Günstige Redox-Flow-Batterien ohne Metallverbindungen

Steigt der Anteil an regenerativ erzeugten Strom in deutschen Netzen, erhöht sich auch der Bedarf an Stromspeichern für eine Lastverschiebung. Derzeit werden viele Technologien für solche Speicher entwickelt, getestet und bereits eingesetzt – von der Wasserstoffgewinnung mittels Elektrolyse über Druckluftspeicher in Kavernen bis hin zu teuren Lithiumionen-Akkus. Hohe Wirkungsgrade von über achtzig Prozent, nicht allzu hohe Kosten und schnelle Reaktionszeiten bieten sogenannte Redox-Flow-Batterien. Erste Anlagen, die mit metallischen Salzen und Vanadium arbeiten, sind bereits entwickelt. Nun stellten amerikanische Wissenschaftler eine neuartige Redox-Flow-Batterie vor, die ganz ohne Metalle auskommt und die Investitionskosten in Zukunft dritteln könnte.

„Sichere und günstige Redox-Flow-Batterien könnten eine sehr wichtige Rolle für eine Stromversorgung aus erneuerbaren Energiequellen spielen“, sagt Michael J. Aziz von der Harvard University in Cambridge. Mit seinen Kollegen entwickelte er einen Prototypen, der völlig auf metallische Verbindungen verzichtet und stattdessen sogenannte Chinone nutzt. Das Chinon AQDS aus dieser Gruppe spezieller organischer Verbindungen zeigte ein extrem schnelles und reversibles Reduktionsverhalten und eignete sich daher sehr gut für eine elektrochemische Stromspeicherung.

Der kleine Prototyp der Aziz-Arbeitsgruppe – bestehend aus zwei kleinen Tanks und einer elektrochemischen Zelle – passte gut in einen Schuhkarton. In den einen Tank füllten die Forscher eine mit Chinonen versetzte Flüssigkeit, in den anderen eine Bromid-Lösung. Zusammen bildete die Chinon-Bromid-Kombination ein elektrochemisches Redox-Paar mit einem Redox-Potenzial von knapp einem Volt. Pumpten die Forscher nun diese elektroaktiven Substanzen in eine elektrochemische Zelle, die in der Mitte von einer Membran in zwei Teilzellen getrennt wurde, konnte über einen angeschlossenen Stromkreis ein elektrischer Strom fließen. Ähnlich wie in einer Brennstoffzelle wanderten positiv geladene Ionen durch die Membran der elektrochemischen Zelle, während sich zeitgleich Elektronen durch einen Stromkreis bewegten. Um das Speicherpotenzial dieser organischen Redox-Flow-Batterie zu testen, führten die Forscher wiederholt Ladezyklen durch. Dabei erreichte der Prototyp relativ hohe Leistungsdichten von 600 Milliwatt pro Quadratzentimeter. Nach bis zu 15 Ladezyklen konnten sie keinen nennenswerten Leistungsverlust feststellen.

Um beispielweise als stationärer Stromspeicher in einem Windparks zu dienen, ist allerdings eine sehr gute Langlebigkeit von bis zu 10.000 Ladyzyklen erwünscht. Redox-Flow-Batterien auf der Basis von metallischen Salzen und Vanadium bieten diese Stabilität bereits heute. Doch auch für die Chinon-Bromid-Flow-Batterien bleibt Aziz optimistisch, dieses Ziel bald zu erreichen. Um so mehr betont der Forscher den Vorteil gegenüber den metallhaltigen Batterien: die geringeren Kosten. So schlagen die von ihm verwendeten Chemikalien mit 27 Dollar pro Kilowattstunde gespeicherten Stroms zu Buche. Die Materialkosten in einer Vanadium-Flussbatterie summierten sich hingegen auf über 80 Dollar. Zudem könnten die elektrochemischen Eigenschaften der organischen Flow-Batterie sich durch chemische Varianten der verwendeten Chinon-Verbindungen noch weiter verbessern lassen.

Bis organische Redox-Flow-Batterien in großem Maßstab Wind- und Solarstrom zwischenspeichern könnten, werden noch einige Entwicklungsjahre nötig sein. Dennoch bieten sie parallel zu anderen Speichertechniken – Druckluft, Schwungrad, Wasserstoff oder Lithiumionen-Akkus – ein großes Potenzial. Auch der Batterieexperte Grigorii Soloveichik, Forscher des Energiekonzerns General Electric, prognostiziert in einem begleitendem Kommentar dieser organischen Redox-Flow-Batterie eine gute Zukunft. Allerdings nur unter der Voraussetzung, falls hohe Ladekapazitäten nach tausenden von Ladezyklen erhalten bleiben. So werden mit großer Wahrscheinlichkeit in den kommenden Jahren alle verfügbaren Speichertechniken in der Praxis getestet werden. Und es ist nicht ausgeschlossen, dass nahezu jede abhängig von den lokalen Anforderungen ihr Einsatzfeld finden wird.

Jan Oliver Löfken

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