Gamechanger Redox-Flow-Batterie

Die Redox-Flow-Batterie: Der Gamechanger für die Energiewende?

Die Energiewende stellt Stromnetze weltweit vor eine zentrale Herausforderung: Wie speichern wir überschüssigen Strom aus volatilen Quellen wie Wind und Sonne effizient, sicher und langfristig? Während Lithium-Ionen-Akkus den Markt für Elektroautos und Heimspeicher dominieren, stößt diese Technologie bei Großspeichern zur Überbrückung längerer Dunkelflauten (geringe Sonneneinstrahlung und wenig Wind) an Grenzen bezüglich Kosten. Hier tritt die skalierbare Redox-Flow-Batterie (RFB) als vielversprechende Alternative auf den Plan. Als ein Beispiel sei Amazon genannt, die nahe Berlin eine Redoxflow-Batterie zur besseren Nutzung des selbst generierten Solarstroms einsetzen wollen.

1. Skalierbarkeit und Aufbau

Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien, bei denen die Energie in den Elektroden selbst gespeichert wird, trennt die Redox-Flow-Batterie Leistung und Kapazität voneinander. Möchte man die Speicherkapazität verdoppeln, muss man nicht (wie bei Lithium-Ionen) die doppelte Menge an teuren Batteriezellen kaufen, sondern lediglich die Tanks vergrößern und mehr Elektrolyt einfüllen. Das macht das System extrem gut skalierbar.

Die Speicher-Tanks (Kapazität): Die Energie wird in flüssigen Elektrolyten gespeichert, die sich in zwei separaten, externen Tanks befinden. Je größer die Tanks, desto mehr Energie kann gespeichert werden.
Der Stack / Die Zelle (Leistung): Die eigentliche chemische Reaktion findet in einer zentralen Zelle (dem Stack) statt. Hier werden die Elektrolyte hindurchgepumpt.
Die Membran (im klassischen Aufbau): Eine dünne Trennschicht verhindert die direkte Vermischung der Flüssigkeiten, lässt aber Ionen (z. B. Protonen) hindurch, um den Ladungsausgleich zu ermöglichen.

2. Unterschiedliche technologische Ansätze

Obwohl das Grundprinzip gleich bleibt, gibt es mehrere unterschiedliche Ansätze bei der verwendeten Chemie und Bauweise.

A. Vanadium-Redox-Flow (Beispiel: Stryten, US; https://www.stryten.com/)

Am häufigsten werden nach wie vor Systeme mit Vanadium, gelöst in Schwefelsäure, eingesetzt. Vanadium kann in vier verschiedenen Oxidationsstufen vorliegen, was es ermöglicht, die Redox-Reaktionen auf beiden Seiten der Membrane mit demselben Element ablaufen zu lassen.

Ein Nachteil von Vanadium (z.B. Zuschlagstoff zu Chrom-Vanadium-Stählen) ist, dass Preisschwankungen unterliegt und teuer ist. Ausserdem schafft es neue geopolitische Abhängigkeiten (Hauptproduzenten: China, Russland, Südafrika, Brasilien). Zudem sind die notwendigen Membranen kostenintensiv (Allerdings signifikant weniger teuer gegenüber solchen der PEM-Elektrolyse oder PEM-Brennstoffzelle)

B. Organic SolidFlow (Beispiel: CMBlu, D; (https://www.cmblu.com/de/technologie/))

Ein innovativer Ansatz verfolgt das Unternehmen CMBlu aus Deutschland (Alzenau). Für ihren Redox-Flow Batterien nutzen sie organische Moleküle anstatt teure Metallsalze.

Technologie: Es wird eine organische Kohlenstoff-Komponent verwendet. Der Begriff "Solid Flow" deutet darauf hin, dass Feststoffpartikel oder Cluster in der Flüssigkeit die Energiedichte erhöhen.
Vorteil: Verzicht auf seltene Metalle (wie Lithium oder Vanadium), nicht brennbar und nahezu vollständig recycelbar. Das Elektrolyt wird aus Lignin hergestellt, dass neben Cellulose der Hauptbestandteil von Holz ist und in der Papierindustrie massenhaft als Abfallprodukt anfällt (Schwarzlauge). Der Rohstoffe ist global verfügbar. CMBlu reklamiert für sich, das erste Unternehmen mit einer kommerziell verfügbaren organischen Redoxflow-Batterie zu sein.

C. Membranlose Flow-Batterien (Beispiel: Unbound Potential; https://www.unbound-potential.com/)

Das Schweizer Startup Unbound Potential AG verfolgt – wie der Firmenname es andeutet - einen radikalen Ansatz zur Kostensenkung: Sie entfernen das teuerste Bauteil – die Membran.

Technologie: Es werden zwei nicht mischbare Elektrolyte verwendet (ähnlich wie Wasser und Öl). Durch physikalische Gesetze und präzise Strömungsmechanik (Überlauf-Prinzip, konstante Druckbedingungen) bleiben die Flüssigkeiten getrennt, obwohl sie sich berühren. Es sind massive Kostensenkung (Materialkosten ca. 30 % geringer) und einfacherer Aufbau möglich und bietet eine komplette Unabhängigkeit von Membran-Herstellern.

3. Die Vorteile von Redox-Flow-Batterien

Redox-Flow-Batterien (RFBs) zeichnen sich durch spezifische Stärken aus, die sie ideal für den stationären Einsatz im Stromnetz machen. Ein wesentlicher Vorteil ist die hohe Sicherheit: Da die meisten Elektrolyte auf Wasserbasis hergestellt werden, sind sie nicht brennbar und kaum explosiv. Dadurch ist ein gefährliches "Thermal Runaway" (chemisches Durchgehen), wie es bei Lithium-Ionen-Akkus auftreten kann, praktisch ausgeschlossen. Hinzu kommt die außergewöhnliche Langlebigkeit und Zyklusfestigkeit der Technologie. Da die Elektroden selbst nicht an der chemischen Reaktion teilnehmen (sie "lösen" sich nicht auf und verändern sich kaum), können diese Batterien oft 15 bis 20 Jahre oder länger halten und über 10.000 Zyklen ohne nennenswerten Kapazitätsverlust absolvieren.

Ein weiterer großer Vorteil ist die Skalierbarkeit: Die Leistung (gemessen in MW) und die Kapazität (gemessen in MWh) können unabhängig voneinander dimensioniert werden, da für längere Speicherdauer einfach größere Tanks für den Elektrolyten benötigt werden. Dies trägt auch zur Nachhaltigkeit und Unabhängigkeit bei; insbesondere organische RFB-Varianten können die Abhängigkeit Europas von kritischen Rohstoffimporten und damit verbundenen Lieferkettenproblemen verringern. Schließlich bieten Redox-Flow-Batterien eine hervorragende Netzdienlichkeit und eignen sich bestens sowohl für die Netzstabilisierung (z. B. durch "Peak Shaving") als auch für die Langzeitspeicherung (Long Duration Energy Storage - LDES).

4. Herausforderungen und Nachteile

Trotz ihrer vielen Vorteile stehen Redox-Flow-Batterien (RFBs) noch vor bestimmten Hürden, die ihre breitere Marktdurchdringung beeinflussen:

RFBs besitzen eine deutlich geringere Energiedichte als beispielsweise Lithium-Ionen-Akkus. Das bedeutet, sie benötigen erheblich mehr Platz für die Speicherung der gleichen Energiemenge. Diese Eigenschaft macht sie ungeeignet für Anwendungen, bei denen das Gewicht und das Volumen kritisch sind, wie etwa in E-Autos oder Smartphones. Sie sind primär auf den stationären Einsatz ausgelegt.

Zudem ist die Systemtechnik von RFBs komplex und umfasst Komponenten wie Pumpen, Tanks und aufwendige Steuerungssysteme. Ohne die vollen Skaleneffekte der Massenproduktion sind die Initialpreise pro Kilowattstunde (kWh) derzeit noch relativ hoch. Bei Vanadium-Systemen können die Kosten pro MWh Speicherkapazität teilweise noch fast 1 Million Euro betragen, was deutlich über den aktuellen Kosten für Lithium-Systeme liegt (die sich oft zwischen 150.000 und 200.000 € pro MWh bewegen).

Auch liegt der elektrische Wirkungsgrad von Redox-Flow-Batterien typischerweise bei etwa 70 % bis 80 % gegenüber oft über 90% bei Lithium-Ionen-Akkus. Der Hauptgrund für diesen Effizienzverlust ist der Energiebedarf der Pumpen, die den Elektrolyten ständig zwischen den Tanks und der Zelleinheit zirkulieren lassen müssen.

5. Konkrete Beispiele: Vom Labor in die Wirtschaft

Die Technologie verlässt aktuell das Forschungsstadium und geht an zahlreichen Stelle in Europa und weltweit in die industrielle Anwendung.

Projekt "Kraftwerk Staudinger" (Uniper & CMBlu)

Dieser Batteriespeicher ist ein Paradebeispiel für die Transformation ("Revitalisierung") alter Infrastruktur. Das ehemalige Kohlekraftwerk Staudinger in Großkrotzenburg an der bayerisch-hessischen Grenze. 36 organische "Solid Flow" Großspeicher-Module werden installiert und sollen zunächst 1 Megawatt im Pilotbetrieb erzeugen können. Langfristig sollen tausende Module die Versorgungssicherheit garantieren und das Kraftwerk zu einem "Green Energy Hub" umbauen. Die vorhandene Netzinfrastruktur (Anschluß ans Übertragungsnetzwerk) des alten Kraftwerks wird so weitergenutzt.

Pilotprojekt Amazon & Unbound Potential

Das Schweizer Startup Unbound Potential, eine Ausgründung der ETH Zürich und Teilnehmer des Amazon Sustainability Accelerators, hat einen bedeutenden Durchbruch erzielt: Es konnte den globalen Technologieriesen Amazon als ersten großen Kunden für seine innovative Batteriespeicherlösung gewinnen.

Der Fokus des Pilotprojekts in der Region Berlin/Brandenburg liegt auf der Optimierung des Eigenverbrauchs in Amazons Logistikzentren, welche typischerweise über große Dach-Solaranlagen verfügen. Aufgrund des 24/7-Betriebs der Logistikzentren kann der tagsüber erzeugte Solarstrom oft nicht vollständig direkt verbraucht werden. Die Redox-Flow-Batterien ermöglichen die Speicherung dieses überschüssigen Stroms, um ihn zeitversetzt (z. B. nachts oder bei Spitzenlastzeiten) zu nutzen. Dies ist ein entscheidender Schritt für Amazon, um die angestrebte Unabhängigkeit vom öffentlichen Netz

Dalian Flow Battery Energy Storage Power Station

Dieses Vanadium-Redox-Flow-Batterie-Projekt (VRFB) ist ein Massen-Energiespeicherprojekt, das für die Netzstabilisierung und das Peak-Shaving (Abdeckung von Lastspitzen) im regionalen Stromnetz konzipiert wurde. Sie wird in Dalian, Provinz Liaoning, China aufgebaut und hat eine Leistung von 200 MW bei einer Speicherkapazität von 800 MWh (also rund 4 Stunden bei Volllast).

Die Redox-Flow-Technologie ist kein Ersatz für die Lithium-Ionen-Batterie, aber sie ist ein sehr gut geeigneter Partner für die Energiewende im Stromnetz. Durch Ansätze wie organische Elektrolyte oder den Verzicht auf Membranen werden die bisherigen Nachteile (Kosten, Rohstoffe) eliminiert. Wenn Projekte wie in Staudinger oder bei Amazon erfolgreich skalieren, könnte dies das Problem der "Dunkelflaute" nachhaltig lösen.