Lexikon Redox-Flow-Zelle

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Die (Redox-)Flussbatterie oder Redox-Flow-Zelle (Red für Reduktion = Elektronenaufnahme, Ox für Oxidation = Elektronenabgabe) ist ein Akkumulator und speichert elektrische Energie in chemischen Verbindungen, wobei die Reaktionspartner in einem Lösungsmittel in gelöster Form vorliegen. Die zwei energiespeichernden Elektrolyte zirkulieren dabei in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen denen in der Zelle mittels einer Membran der Ionenaustausch erfolgt. Die Zellenspannung ist durch die Nernst-Gleichung gegeben und liegt bei praktischen Systemen zwischen 1,0 und 2,2 V.

Die energiespeichernden Elektrolyte werden außerhalb der Zelle in getrennten Tanks gelagert. Damit ist es der einzige Typ von elektrochemischen Energiespeichern, bei dem Energiemenge und Leistung unabhängig voneinander skaliert werden können. Die Tanks können einfach und manuell befüllt und die Batterie somit geladen werden. Durch den Austausch der Elektrolytflüssigkeiten können diese auch in getrennten Batterien geladen und entladen werden; somit braucht nicht die gesamte Batterie mit Wandlertechnik und Gehäuse, sondern nur der eigentliche Energieträger zwischen der Lade- und Entladestation ausgetauscht zu werden. Vorteilhaft sind auch die hohen Wirkungsgrade, die gute Vermeidbarkeit von Selbstentladung und eine hohe Lebenserwartung, die daraus resultiert, dass die Elektroden nicht reagiert werden und damit nicht degenerieren. Nachteilig sind bei Flussbatterien die bisher vergleichsweise geringen Energiedichten (bis zu 70 Wattstunden Energie pro Liter Elektrolytflüssigkeiten bei einer Vanadium-Bromid-Verbindung als bisher effektivster Chemikalie).

Die Redox-Flow-Zelle ist grundsätzlich mit der Brennstoffzelle, aber auch mit den Akkumulatoren verwandt (elektrochemische Reversibilität).

Geschichte

Die Grundlagen für Redox-Flow-Zellen wurden Mitte des 20. Jahrhunderts erarbeitet, als erstmals die Möglichkeiten der Energiespeicherung mit Redox-Paaren geprüft wurden.^[1] In den 1970er Jahren beschäftigte sich die NASA mit der Entwicklung der Technik.^[2] Die reine Vanadium-Lösung wurde 1978 erstmals vorgeschlagen, in den 1980ern an der University of New South Wales durch Maria Skyllas-Kazacos und ihren Mitarbeiter entwickelt und 1986 patentiert und ist bisher am verbreitetsten. Sie erfuhr eine Weiterentwicklung zur Vanadium-Bromid-basierten Zelle, die doppelt so hohe Energiedichten erlaubt.

Aufbau

Im Aufbau ähnelt sie einem Brennstoffzellensystem. Die galvanische Zelle wird durch eine Membran in zwei Halbzellen geteilt. An der Membran fließt der Elektrolyt vorbei. Die Halbzelle wird durch eine Elektrode abgegrenzt, an der die eigentliche chemische Reaktion (Reduktion oder Oxidation) abläuft.

Die Membran ist entweder ein mikroporöser Separator, der alle Ionen passieren lässt, oder eine selektive Anionen- oder Kationentauschermembran. Die Membran soll die Vermischung der beiden Elektrolyte verhindern.

Die Elektroden bestehen aufgrund ihres hohen elektrochemischen Spannungsfensters in wässrigen Lösungen meistens aus Graphit. Für eine möglichst hohe spezifische Leistung werden als Elektrodenmaterial Graphitfilze mit hoher spezifischer Oberfläche eingesetzt.

Elektrolyt

Der Elektrolyt besteht aus in einem Lösungsmittel gelösten Salzen. Die Zusammensetzung des Elektrolytes, genauer die Dichte, bestimmt maßgeblich mit der Zellspannung die Energiedichte der Redox-Flow-Batterie. Als Lösungsmittel werden entweder anorganische oder organische Säuren verwendet. Als verwendbare Redoxpaare sind Verbindungen aus Titan, Eisen, Chrom, Vanadium, Cer, Zink, Brom und Schwefel bekannt.

Anwendungen

Aus den Eigenschaften der Zellen ergibt sich ihre Eignung vor allem für größere, stationäre Anwendungen mit Leistungen von einem Kilowatt bis zu mehreren Megawatt.

So werden Redox-Flow-Zellen etwa in Form des Vanadium-Redox-Akkumulators als Reservequelle für Mobilfunk-Basisstationen oder Pufferbatterie für Windkraftanlagen eingesetzt. Das größte System dieser Art wird in einer japanischen Windkraftanlage eingesetzt und kann zehn Stunden lang mit einer Leistung von sechs Megawatt genügend Strom liefern, wenn das Windkraftwerk in Folge von Windstille nicht arbeitet.

Angestrebt werden dabei die folgenden Eigenschaften:

Energiedichte ähnlich der herkömmlicher Autobatterien
Keine oder minimale Selbstentladung
Wirkungsgrad deutlich oberhalb von 75 %

Weitere Anwendungen sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen, bei denen die Batterie bei Stromausfall längere Zeit Leistung liefert.

Die Redox-Flow-Zelle wurde darüber hinaus auch als Energiespeicher für künftige Elektroautos vorgeschlagen^[3]. Hier stellt das schnelle Aufladen eine wesentliche Herausforderung dar, ein Vorgang, der bei Redox-Flow-Batterien einfach durch Austausch der Flüssigkeiten erfolgen kann, etwa an einer speziell ausgerüsteten Tankstelle. Der eigentliche Ladevorgang findet dann außerhalb des Fahrzeugs statt, und die Handhabung würde dem heutigen Tanken an der Zapfsäule ähneln. Gegen ein solches Verfahren spricht aktuell noch das relativ schlechte Leistungsgewicht im Vergleich etwa zu modernen Lithium-Ionen-Akkumulatoren, dafür die gute Eignung einer entsprechenden Infrastruktur als Energiespeicher im Stromnetz.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ergibt sich aus der Tatsache, dass alle Zellen dasselbe Elektrolyt nutzen, somit laden und entladen mit unterschiedlicher Zellenanzahl erfolgen kann. So lassen sich leistungsstarke Gleichstrom-Spannungswandler (Gleichstromsteller) aufbauen, oder auch die Leistungsabgabe je nach Verschaltung vorhandener Zellen, etwa bei Fahrzeugen, steuern.

Weblinks

Energy-2.0-Fachbericht „Lastausgleich durch Redox-Flow-Batterien“
RWTH Aachen, ISEA - Redox-Flow-Batteriesysteme
Umfangreicher Artikel im Energy Blog (engl.)
Beitrag im Wissenschaftsmagazin nano des Fernsehsenders 3Sat vom 14. Feb. 2008 mit Video
Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in Energieversorgungssystemen mit regenerativer Stromerzeugung Interessanter Überblick (PDF-Datei)
Redox-Flow-Batterien bei der Fraunhofer-Gesellschaft

Einzelnachweise

↑ W. Kangro, H. Pieper: Zur Frage der Speicherung von elektrischer Energie in Flüssigkeiten. In: Electrochimica Acta. 7, 1962, S. 435 bis 448.</span>
↑ US-Patent Redox Flow Cell 1976
↑ Elektromobilität fördern - VDI: Leistungsfähigkeit der Batterie größte Herausforderung

Galvanische Zellen