Sonne und Wind sind wichtige Energielieferanten. Schon heute stammt fast ein Viertel unseres Stroms aus erneuerbaren Quellen. Bis 2050 soll der Bedarf sogar komplett mit Strom aus Sonne, Wind, Biomasse und Co. gedeckt werden, so das Ziel der Bundesregierung. Doch damit die Energiewende gelingt, müssen die wachsenden Mengen an Solar- und Windstrom für nachts oder windschwache Zeiten gespeichert werden – etwa in elektrischen Akkus. Redox-Flow-Batterien bieten eine gute Möglichkeit, um die Schwankungen bei erneuerbaren Energien auszugleichen und eine stetige Versorgung zu sichern. Sie speichern elektrische Energie in chemischen Verbindungen, den flüssigen Elektrolyten. Die Ladung und Entladung der Elektrolyten findet dabei in kleinen Reaktionskammern statt. Mehrere dieser Zellen werden nebeneinander zu Stapeln, Stacks, aufgereiht. Doch bislang liefern die auf dem Markt verfügbaren etwa DIN-A4- Blatt großen Batterien (1/16 Quadratmeter) nur eine Leistung von 2,3 Kilowatt (kW).

Erste Präsentation auf der Hannover Messe

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik
UMSICHT in Oberhausen konnten nun die Größe der Stacks und damit die Leistungsfähigkeit deutlich erhöhen. Dank eines neuen Designs ist es ihnen gelungen, Stacks mit 0,5 Quadratmeter Zellgröße zu fertigen. Das ist achtmal größer als die bisherigen Systeme und entspricht einer Leistung von 25 kW.  Diese Batterie präsentieren die Wissenschaftler auf der Hannover Messe am Fraunhofer-Stand der Allianz Energie in Halle 13, Stand C10. Der Prototyp verfügt über einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent. Er kann mit Strömen von bis zu 500 Amper belastet werden.

Doch wie ist es den Experten gelungen, die Größe und Leistungsfähigkeit so deutlich zu erhöhen? Zunächst erprobten die Fraunhofer-Wissenschaftler neue Membranmaterialien, forschten am Batteriemanagement und dem Batteriedesign. Strömungssimulationen halfen dabei, den Aufbau der Zellen zu optimieren. Die Forscher haben die Batterien dann komplett neu designt und so den Durchbruch geschafft. »Die größte Herausforderung bestand darin, dass wir für das Scale-up einen komplett neuen Aufbau der Stacks entwickeln mussten, um Batterien in dieser Leistungsstärke zu konzipieren«, erklärt Dr. Jens Burfeind, Gruppenleiter Elektrochemische Speicher bei Fraunhofer UMSICHT.

Großes Testlabor für Redox-Flow-Batterien

Die UMSICHT-Experten arbeiten gemeinsam mit ihren Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT und vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in einem vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten Projekt intensiv an Redox-Flow-Batterien. Am Institut in Oberhausen steht für die Forschungsarbeiten eines der größten Testlabore für Redox-Flow-Batterien europaweit zur Verfügung. »Uns ist mit dem Redesign des Batterie-Stacks ein sehr wichtiger Schritt gelungen auf dem Weg, Redox-Flow-Batterien zu entwickeln, die zum
Beispiel 2000 Haushalte mit Strom versorgen können«, sagt Dr. Christian Dötsch, der den Bereich Energie am Fraunhofer UMSICHT leitet. Dazu wären etwa zwei Megawatt Leistung nötig. Als nächstes konkretes Ziel stehe daher zunächst die Entwicklung eines Stacks in der Größe von zwei Quadratmetern und einer Leistung von 100 kW auf der Agenda.

Funktionsweise der Redox-Flow-Batterie

Die Redox-Flow-Zelle (Red für Reduktion = Elektronenaufnahme, Ox für Oxidation = Elektronenabgabe) ist ein Akkumulator. Sie speichert Energie in Elektrolytlösungen. Diese fließen aus Tanks durch eine Zelle, die in einem chemischen Prozess daraus Strom erzeugt. Am weitesten verbreitet ist die Vanadium-Redox-Flow-Batterie. Die Ladung und Entladung des Vanadiums findet in kleinen Reaktionskammern statt. Mehrere dieser Zellen sind nebeneinander zu Stapeln, Stacks, aufgereiht. Das erhöht die Leistung der Batterie. Redox-Flow-Batterien bieten einige Vorteile: Sie sind kostengünstig, robust, langlebig und lassen sich individuell anpassen.

• Das Projekt »1 MWh Redox-Flow-Netzspeicher« wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördert. (Förderkennzeichen: 0325219)