Ingenieure haben sich verschiedene Möglichkeiten ausgedacht, die von uns erzeugte saubere Energie in Batterien zu speichern. Während die Batterieindustrie für erneuerbare Energien noch in den Kinderschuhen steckt, gibt es einige beliebte Energiespeichersystemtechnologien, die Kombinationen aus Bleisäure und Hochleistungs-Lithium-Ionen (Li-Ion) verwenden, die den Markt zur Akzeptanz geführt haben.
Die vorgenannten Batterietypen weisen jedoch Mängel auf. Beide haben eine relativ kurze Lebensdauer und es wird nicht empfohlen, sie vor dem Wiederaufladen vollständig zu entladen. Batteriefreaks bezeichnen letzteres als geringe „Entladetiefe“.

Flow-Batterien sind ein Neuzugang auf dem Batteriespeichermarkt, der auf groß angelegte Energiespeicheranwendungen abzielt. Diese Speichertechnologie wird seit Jahrzehnten in Forschung und Entwicklung betrieben, beginnt nun aber in der Praxis eingesetzt zu werden.

Die Flow-Batterietechnologie zeichnet sich durch ihr einzigartiges Design aus. Anstelle einer einzelnen umhüllten Batteriezelle, in der sich Elektrolyt leicht mit Leitern vermischt, wird die Flüssigkeit in zwei Tanks getrennt und Elektronen fließen durch elektrochemische Zellen und eine Membran, die sie trennt.

In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf ihre Funktionsweise, vergleichen die Vorteile von Power-Batterien mit kostengünstigen Lithium-Ionen-Batterien, diskutieren einige potenzielle Anwendungen und geben einen Branchenausblick für ihre umfangreichen Verwendungsmöglichkeiten.

Was sind Flow-Batterien und wie funktionieren sie?

Der Hauptunterschied zwischen Power-Batterien und anderen wiederaufladbaren Batterietypen besteht darin, dass die in anderen Batterien übliche wässrige Elektrolytlösung nicht in den Zellen gespeichert wird, die die positive Elektrode und die negative Elektrode umgeben. Stattdessen werden die aktiven Materialien in externen Tanks gelagert und zu einer Durchflusszellenmembran und einem Power Stack gepumpt. Je größer die Speicher, desto mehr Strom kann erzeugt werden.

Stromquellen, wie z. B. eine Photovoltaikanlage oder Windturbinenbänke, laden Elektronen in der Elektrolytlösung in dem mit der Anode verbundenen positiven Anolyttank durch einen als "Oxidation" bezeichneten Prozess auf.

Die geladenen Elektronen werden dann durch einen als "Reduktion" bezeichneten Prozess in den Katholyttank gedrückt, der an der Kathode befestigt ist. Der Ionenaustausch findet in Halbzellen statt, die die Schutzmembran zwischen den Tanks umschließen.

Wenn die Batterie eingeschaltet wird, fließen die Elektronen mithilfe einer Pumpe durch eine leitfähige mikroporöse Polymermembran, die einen elektrischen Strom erzeugt, zurück in den ersten Tank.

Vanadium auf dem Vormarsch als bevorzugter Elektrolyt für Flow-Batterien

Es gibt verschiedene Arten von Flow-Batterien, von Polysulfid-Redox-, Hybrid- bis hin zu organischen, sowie eine lange Liste von elektrochemischen Reaktionskopplungen (einschließlich Zink-Brom und Eisen-Chrom), obwohl keine die Leistungs-, Effizienz- oder Kostenniveaus erreicht für eine groß angelegte Einführung benötigt - bis jetzt.

Die meisten im Handel erhältlichen Power-Batterien verwenden einen flüssigen Vanadium-Elektrolyten, ein Material, das hauptsächlich in Russland vorkommt.

Das Besondere an Vanadium ist neben seinem russischen Ursprung seine Fähigkeit, als eine Art Garderobe für elektrochemische Energie zu fungieren. Genauso wie eine Garderobe Jahrhunderte des Hinzufügens und Entfernens von Schichten von ihren Sprossen aushalten kann, können Elektronen scheinbar für immer aus Vanadium hinzugefügt und entfernt werden, ohne dass sich das Material durch Lade-Entlade-Zyklen verschlechtert.

Der Ionenaustauschprozess des Hinzufügens und Entfernens von Elektronen aus einem einzelnen Element wie Vanadium unterscheidet sich stark von chemischen Energiereaktionen, die die Materialien in anderen Batteriezelltypen im Laufe der Zeit zersetzen können.

Wenn Vanadium als Hauptbestandteil in einer Durchflussbatterie verwendet wird, wird die Systemlebensdauer gegenüber Lithium-Ionen-Batterien erheblich verlängert. Während eine Power-Batterie theoretisch unbegrenzt halten kann, beträgt die praktische Lebensdauer eher 30 Jahre, da Pumpen und Graphitspeicher nach diesem Zeitraum möglicherweise überholt werden müssen.

Einige Strombatterie-Arrays im Netzmaßstab haben die Größe von Lagerhäusern, die Megawattstunden (MWh) Strom speichern können.

In der obigen Abbildung experimentiert beispielsweise ein britischer Energieversorger mit der Verwendung einer Multi-Megawatt-Batteriebank als Puffer zwischen seiner Stromversorgung und seiner elektrischen Verteilungsinfrastruktur. Invinity, der Hersteller von Flow-Batterien für dieses Projekt, hofft, dass groß angelegte Installationen wie diese in den kommenden Jahren häufiger werden.

Zukünftige Anwendungen für Flow-Batterien

Werkzeuge

Beide ElektrikerNetzbetreiber wie Versorgungsunternehmen haben das Versprechen von Flow-Batterien zur Kenntnis genommen, eine langlebige Zuverlässigkeit und weitaus mehr tägliche Nutzungsstunden als andere Batteriespeicheroptionen wie Lithium-Ionen- oder Blei-Säure-Batterien zu bieten.

Flow-Batterien können bis zu 10 Stunden am Stück entladen werden, während die meisten anderen handelsüblichen Batterietypen darauf ausgelegt sind, jeweils eine oder zwei Stunden zu entladen.

Die Rolle von Power-Batterien in Versorgungsanwendungen wird normalerweise als Puffer zwischen der verfügbaren Energie aus dem Netz und dem schwer vorhersehbaren Strombedarf betrachtet. So kann beispielsweise im Sommer an manchen Tagen viel Strom aus sauberen Quellen wie Sonnenkollektoren auf dem Dach erzeugt werden, an bewölkten Tagen vor allem weniger. Wenn es draußen heiß ist, besteht mehr Bedarf an einer Klimaanlage.

Da eine Power-Batterie fast einen halben Tag lang zuverlässig eine Menge Strom speichern und entladen kann, bietet sie Versorgern eine Möglichkeit, eine Überproduktion zu vermeiden und die Netzinfrastruktur von zu viel Energie zu entlasten.

Mikrogitter

Microgrids sind kleinere Versionen eines Stromnetzes und können jederzeit unabhängig vom Stromnetz betrieben werden.

Microgrid-Stromversorgungen können aus kleinen erneuerbaren Quellen stammen, wie z. B. Ansammlungen von Solarmodulen, die über ein Dorf und mehrere Windturbinen verstreut sind. Sie haben mehrere starke Vorteile, darunter:

• Gemeinsame Stromversorgung für kritische Einrichtungen wie medizinische Zentren bei Stromausfällen
• Energieunabhängigkeit für die Gemeinde
• Umweltmanagement durch den Einsatz sauberer Energie
• Obwohl sie normalerweise als eine Art Hippie-sozialistischer Traum angesehen wurden, der eine idealisierte Gemeinschaftsexistenz widerspiegelt, gewinnen sie an Popularität und werden in letzter Zeit in mehr Bereichen eingesetzt.

Flow-Batterien könnten aus den gleichen Gründen, aus denen Versorgungsunternehmen sie verwenden möchten, gut in die Microgrid-Architektur passen. Sie sind langlebig und können den Bedarf der Gemeinschaft decken, wenn der Netzstrom teuer ist oder das Microgrid nicht in der Lage ist, selbst genug Energie zu produzieren.

Elektrofahrzeuge (EVs)

Da Power-Batterien durch Austausch der Elektrolytflüssigkeit schnell wieder „aufgeladen“ werden können, sind sie für die Zukunft des Kraftstoffs für Elektrofahrzeuge sehr sinnvoll.

Der verbrauchte Elektrolyt könnte theoretisch einfach abgelassen und an einer Tankstelle ersetzt werden. Das wäre sicherlich eine schnellere Lösung, als bis zu 20 Minuten warten zu müssen, während Ihr Elektrofahrzeug langsam Elektronen zurück in seine Lithium-Ionen-Zellen schlürft.
Starkstrombatterien haben jedoch eine geringe Energiedichte. Das heißt, die Driving Range wäre sehr kurz. Es gibt einige elektrochemische Forscher, die die Verwendung von Salzen mit hoher Löslichkeit in der Elektrolytlösung untersuchen, um die Reichweite zu erhöhen, aber die Anwendung von Power-Batterien in Elektrofahrzeugen scheint vorerst Wunschdenken zu sein.

Flow-Batterien versus Lithium-Ionen-Batterien

Beim Vergleich von Power-Batterien mit führenden Batterietechnologien wie Lithium-Ionen-Batterien sind einige wesentliche Unterschiede zu beachten:

Sicherheit

Flow-Batteriesysteme sind relativ sicher, da sie keine brennbaren Elektrolyte enthalten.

Die in den Tanks am häufigsten verwendete Vanadiumflüssigkeit ist zwar selten und teuer, aber auch umweltfreundlich. Da die Tanks weiter entfernt von der leitfähigen Zellmembran und dem Powerstack platziert werden können, sind sie noch sicherer.

Gewinner: Flow-Batterien

Lebensdauer

Wenn Sie Li-Ionen-Batterien jeden Tag verwenden, können Sie davon ausgehen, dass sie etwa 8 Jahre halten, während Vanadium-Power-Batterien bis zu 30 Jahre halten. Dies liegt vor allem daran, dass in Flow-Batterien keine chemischen Reaktionen von Phase zu Phase erforderlich sind.

Elektronen können dem Vanadium-Elektrolyten zugeführt und entnommen werden, ohne dass das Material zerfällt. Dies führt zu einer hypothetisch unbegrenzten Akkulaufzeit.

Gewinner: Flow-Batterien

Fußabdruck

Wie bereits erwähnt, sind Leistungsbatteriesysteme schwer und erfordern sperrige Elektrolytspeichertanks. Diese Speicherkapazität nimmt viel Platz ein.

Lithium-Ionen-Batterien sind leichter und tragbarer.

Gewinner: Lithium-Ionen-Akkus

Kosten

Da Durchflussbatterien relativ niedrige Lade- und Entladeraten haben, müssen ihre Elektroden und Membranseparatoren eine ziemlich große Oberfläche haben. Das führt zu höheren Kosten.

Außerdem erfordern Power-Batterien mehr Pumpen, Rohrleitungen und Wartung als Lithium-Ionen.

Tenslostte power Batterien haben noch nicht die Industriereife von Lithium-Ionen erreicht. Infolgedessen erzielt diese Technologie keine Skaleneffekte, die den Vorteil niedrigerer Preise bringen würden.