Redox-Flow - Wenn der Strom im Tank lagert

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Aus ELVjournal 05/2018     0 Kommentare
 Redox-Flow - Wenn der Strom im Tank lagert

Inhalt des Fachbeitrags

  • Alles fließt
  • Redox Wind“ – größter Windkraftspeicher Deutschlands
  • Redox-Flow für kleine und große Energiesysteme
  • Besser und preiswerter
  • Großspeicher unter der Erde
  • Die Elektromobilität und ihre Energiequellen
  • Lithium raus!
  • Hoffnungsträger Festkörpersystem
  • In fünf Minuten voll!
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Alles fließt

Bild 1: Das Funktionsprinzip des Redox-Flow-Akkusystems. Bild: Wikipedia, Nick B. (CC BY-SA 3.0)
Bild 1: Das Funktionsprinzip des Redox-Flow-Akkusystems. Bild: Wikipedia, Nick B. (CC BY-SA 3.0)
Das darf man bei der Redox-Flow-Technik wörtlich nehmen; allein die Bezeichnung verrät hier schon das Arbeitsprinzip. Der Redox-Flow-Akku (RFB, Bild 1) basiert auf der elektrochemischen Wandlung flüssiger Speichermedien durch Reduktion (das ist das „Re“ im Namen) und Oxidation („ox“), im Prinzip fast wie eine Brennstoffzelle.

Die eigentliche Akkuzelle besteht zunächst aus zwei Halbzellen mit den Elektroden auf der Plus- und Minusseite. Jede Halbzelle wird mit den in einem externen Elektrolyttank gelagerten Elektrolyten (in Säure gelöste Salze) durchströmt. Die beiden Elektrolytlösungen werden in der Zelle durch eine semipermeable Membran getrennt, die nur einen Ionenaustausch zulässt, aber sonst die Elektrolyten strikt trennt. Die Elektrolyten erzeugen mit dem Elektrodenmaterial, meist Graphit, eine Spannungsdifferenz. Der Elektrolyt mit stärkerer Elektronenbindung heißt Katolyt, der mit schwächerer Elektronenbindung Anolyt. Führt man den Elektroden nun von außen Energie zu, etwa durch eine Solaranlage, beginnt die elektrochemische Reaktion. Jetzt wandern durch Oxidation Elektronen vom Katolyt zum Anolyt, der die Elektronen wiederum durch Reduktion an sich bindet. Das Ergebnis: Der Akku wird geladen. Schließt man nun eine Last an die Zelle an, setzt sich die umgekehrte Reaktion in Gang, der stärker Elektronen bindende Katolyt entzieht dem weniger stark bindenden Anolyt die Elektronen, und es kommt zum Stromfluss.

Die Energiedichte einer solchen Zelle ist nicht sehr hoch, man kann sie mit der des Bleiakkus vergleichen, bisher wurden je nach System zwischen 25 und 50 Wh je Liter Elektrolyt erzielt. Allerdings arbeitet ein Redox-Flow-System über eine deutlich längere Lebensdauer konstanter als der Bleiakku. Die geringe Energiedichte ist auch der Hauptgrund, weshalb Redox-Flow nicht ernsthaft als Antriebsakku-Technologie für Fahrzeuge infrage kommt, auch wenn es Firmen gibt, etwa die Liechtensteiner Firma Nanoflowcell, die immer wieder Fahrzeuge auf Redox-Flow- Technikbasis als Prototypen präsentieren.

Wie bei der Brennstoffzelle haben wir hier eine Akkuzelle, deren Elektrolyt sich hauptsächlich in externen Speichern, den Tanks, befindet. Das zieht einen großen Vorteil dieses Energiespeichersystems nach sich – es kann quasi beliebig skaliert werden, sowohl in der Zellenzahl (Bildung von Stacks) als auch in der Größe der Elektrolyttanks. Letztere legen also die Kapazität des Akkus fest, die Zellenzahl (und auch deren aktive Fläche, weshalb hier Graphitfilze mit extrem großer Oberfläche eingesetzt werden) die Leistung.

Ein weiterer Vorteil ist die kaum vorhandene Selbstentladung, denn die Elektolyten befinden sich, solange die Umwälzpumpe nicht läuft, zum größten Teil sicher in getrennten Behältern und können nicht mit dem Pendant reagieren. So kann der Akku beliebig lange in einem beliebigen Ladezustand verbleiben. Auch die geringe Temperaturabhängigkeit, konkret auf das Lade- und Entladeverhalten bezogen, macht diese Technik in vielen Temperaturzonen der Welt ohne aufwendige Kühllogistik einsetzbar. So ist diese Technologie thermisch deutlich stabiler und problemloser zu betreiben als etwa Lithium-Akkus.

Die hohe Lebensdauer dieses Systems und die erreichbare hohe Zyklenzahl werden auch durch die die Elektroden schonenden chemischen Vorgänge erreicht – Erstere werden nämlich weit weniger geschädigt bzw. verbraucht als bei den meisten anderen Systemen. Ach ja, das Thema Tiefentladung spielt hier keine Rolle. Wird die Energie gebraucht, muss man nur die Pumpen einschalten, und sofort liefert der Akku Energie, da nun die chemische Reaktion wieder in Gang gesetzt wird. Damit haben sich Redox-Flow- Akkus schon in vielen Anwendungen als Netzausfallüberbrückung, Backup-Speicher, aber auch als reguläre Windkraft- und Solarenergiespeicher bewährt.

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