Mit Dem Strom Schwimmen: Eine Einführung In Redox-Flow-Batterien

Erneuerbare Energietechnologien – insbesondere Solar-PV – stehen kurz davor, die Energielandschaft zu verändern. In Kombination mit dem richtigen Lastprofil und den richtigen Einstellungen hat Solarstrom einen Punkt erreicht, an dem er kosteneffizienter ist als Verbrennungsgeneratoren.

Aber um diesen nächsten großen Schritt zu machen, müssen wir eine Lösung finden, die eine kostengünstige Energiespeicherung ermöglicht, eine Fähigkeit, die das Problem der intermittierenden Stromerzeugung, die bei reinen PV-Energiesystemen* auftritt, beseitigt. Wenn dieser Tag kommt, wird er das Spiel verändern. Dies wird die Massen ernsthaft dazu bringen, die Rolle von Verbrennungsgeneratoren in unserem Energiemix in Frage zu stellen. Ein Schub für die Energiespeicherung ist ein Schub für die Solarenergie.

Von allen interessanten Energiespeichertechnologien, die sich in der Entwicklung befinden, scheint die Flow-Batterie der Spitzenreiter im Rennen um die Vorherrschaft bei der dezentralen Energiespeicherung zu sein. Die Flow-Batterie ist ein fortschrittliches Batteriedesign, das einzigartige Herausforderungen und Chancen mit sich bringt und in der Mitte des Spektrums zwischen kostenintensiven Hochleistungs-Lithium-Ionen-Einheiten und preiswerten Blei-Säure-Typen liegt.

Wie funktioniert eine Flow-Batterie?

Eine Flow-Batterie besteht im Wesentlichen aus:

Zwei getrennte Flüssigkeiten, die in Lösung gelöste elektroaktive chemische Elemente enthalten;
Eine speziell entwickelte Membran, die verhindert, dass sich die beiden Lösungen vermischen, und gleichzeitig den Ionenaustausch (dh die Bewegung elektrischer Ladung) ermöglicht;
Eine elektrochemische Zelle, die die Extraktion der in den Lösungen gespeicherten chemischen Energie zur Nutzung als nutzbarer Strom in einem externen Kreislauf ermöglicht; Und
Lagertanks und Pumpen, um die Lösungen durch die Zelle zu zirkulieren.

Schematische Darstellung der Durchflussbatterie

Schematische Darstellung einer Flow-Batterie (Bildnachweis: Universität von British Columbia)

Während die beiden Lösungen durch die elektrochemische Zelle zirkulieren, findet ein Ionenaustausch (dh ein Stromfluss) zwischen den beiden Lösungen und durch die Trennmembran statt. Über Kontaktierungselektroden kann dann Strom entnommen und zum Antrieb einer Last in einem externen Stromkreis verwendet werden. Flow-Batterien werden auch „Redox-Flow-Batterien“ genannt, in Anlehnung an die im Betrieb ablaufenden Reduktions- und Oxidationsreaktionen in den Lösungen.

Um die Flow-Batterie wieder aufzuladen, wird der Vorgang einfach umgekehrt, indem eine entgegengesetzte Spannung an die elektrochemische Zelle angelegt wird, wodurch sich die elektrische Ladung in die entgegengesetzte Richtung bewegt.

Im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien wird die Energie als gelöstes elektroaktives Material in den Lösungen und nicht als plattiertes festes Metall im Batteriegehäuse gespeichert. Dadurch sind die Leistungs- und Kapazitätseigenschaften von Flow-Batterien entkoppelt und können unabhängig voneinander angepasst werden – die Speicher können einfach vergrößert werden, wenn eine Erhöhung der gesamten Kilowattstundenspeicherung gewünscht wird.

Vor-und Nachteile

Die in den gängigeren Flow-Batterien verwendeten Lösungen können unbegrenzt wieder aufgeladen werden, was möglicherweise zu einer längeren Betriebslebensdauer und niedrigeren Levelized Cost of Storage (LCOS) führt. Darüber hinaus können Batterien schnell wieder aufgeladen werden, indem verbrauchte Lösungen einfach durch eine neue Charge ausgetauscht werden. Diese „Schnellbetankung“-Fähigkeit ist auch für den Einsatz in Elektrofahrzeugen attraktiv.

Der Bedarf an Pumpen, Durchflussreglern und Speichertanks erschwert jedoch den Betrieb des Systems und verringert die Gesamtenergiedichte von Durchflussbatterieeinheiten weiter. Während die Lösung möglicherweise eine unbegrenzte Lebensdauer hat, können sich die Komponenten, die korrosive elektrochemische Lösungen transportieren, bei falscher Implementierung als schwaches Glied erweisen. Flow-Batterien erfordern im Vergleich zu einfacheren Blei-Säure-Batteriedesigns auch eine kompliziertere Elektronik.

Wie werden Flow-Batterien den Einsatz von Solar-PV und erneuerbaren Energien fördern?

Unternehmen wie Imergy, Redflow und EnerVault haben bereits Durchflussbatterieeinheiten auf den Markt gebracht, die direkt mit Standard-Verbrennungsgeneratoren konkurrieren, sowohl für netzgebundene als auch für netzunabhängige Anwendungen. Einige dieser kommerziell erhältlichen Einheiten behaupten, dass die LCOS wettbewerbsfähiger seien als Spitzengasanlagen, und seien auf dem Weg, die teureren Verbrennungsgeneratortechnologien auslaufen zu lassen. Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Batterien in dieser Kapazität trägt dazu bei, die Tür für Solar-PV und andere erneuerbare Energietechnologien zu öffnen, um die Lücke zu schließen.

* Nicht alle erneuerbaren Energietechnologien haben das gleiche Erzeugungsprofil – die Summierung verschiedener Arten erneuerbarer Energietechnologien kann zu einer einigermaßen stabilen Ergänzung der Grundlast führen. Wasserkraftwerke, Windkraftanlagen, Wellenenergiegeneratoren und Solar-PV-Systeme arbeiten unabhängig voneinander. Beispielsweise können Windkraftanlagen nachts Strom erzeugen, wenn die PV-Anlagen inaktiv sind, während sie in der Hitze des Tages, wenn die Solarmodule am produktivsten sind, stationär bleiben. Ein verteiltes Hybridsystem könnte Wunder für die Widerstandsfähigkeit unseres Stromnetzes bewirken.

Top-Bildnachweis: Nikkei-Wirtschaftspublikationen