Energiewende, Bild: Thyssen Krupp

Im gemeinsamen Forschungsprojekt soll ein neues und kostengünstiges Herstellungsverfahren für eine der Kernkompetenten von Redox-Flow-Batterien entwickelt werden. Bild: Thyssen Krupp

Das Ziel ist es, eine neue Technologie zu entwickeln, die eine enorme Reduzierung der spezifischen Herstellungskosten von Redox-Flow-Batterien ermöglicht. Diese soll voraussichtlich ab 2018 von Thyssenkrupp vermarktet werden.
Der weltweite Markt für Energiespeichersysteme wächst rapide. Grund dafür ist, dass sich Erneuerbare Energien immer mehr am Energiemarkt durchsetzen. Die Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien wird sich im Zeitraum 2012 bis 2040 etwa verdreifachen, so die Prognosen der Internationalen Energie Agentur IEA.

Das Problem dabei: Wind und Sonne sind volatil. Die Energiemengen, die sie zur Verfügung stellen, richten sich nicht nach dem aktuellen Bedarf, sondern unterliegen starken Schwankungen. Um zukünftig große Energiemengen aus erneuerbaren Ressourcen speichern zu können, werden flexible Stromspeicher wie die Redox-Flow-Batterie benötigt.

Von Watt zu Megawatt

Die Besonderheit der Redox-Flow-Batterie liegt darin, dass die Speicherung der Energie und deren Umwandlung nicht wie bei anderen Batteriesystemen am selben Ort stattfindet, sondern räumlich voneinander getrennt abläuft. Redox-Flow-Batterien speichern den Stromals chemische Energie in zwei großen Tanks, in denen sich elektrolytische Flüssigkeitenbefinden – Salze, die in organischen oder anorganischen Säuren gelöst sind. Die beiden Tanks sind mit elektrochemischen Zellen verbunden, die den Strom in chemische Energie oder chemische Energie in Strom umwandeln. Die Leistung und die zu speichernde Strommenge der Redox-Flow-Batterie sind unabhängig voneinander skalierbar. Dies stellt neben der langen Lebensdauer einen großen Vorteil der Redox-Flow-Batterie gegenüber anderen Batteriesystemen dar.

Redox-Flow-Batterien eignen sich insbesondere als stationäre Energiespeicher. Sie können sehr schnell auf die jeweilige Versorgungssituation reagieren und in Sekundenbruchteilen von Speichern auf Entladen umstellen. Der Systemwirkungsgrad liegt momentan bei bis zu 80 Prozent. Je größer die Tanks, desto mehr Strom kann gespeichert werden. Die Leistung hängt dagegen von der Größe der aktiven Fläche der elektrochemischen Zellen und damit direkt von der Größe der Bipolarplatte ab.

Zellfläche vergrößern

Diese zu vergrößern, hat sich das Konsortium aus Industrie und Forschung zum Ziel gesetzt. Beim derzeitigen Stand der Technik misst die Zellfläche von kommerziellen Redox-Flow-Batterien circa 0,1 m²; die Leistung liegt damit bei nur etwa 80 Watt. Um zukünftig auch großtechnische, industrielle Anwendungen realisieren zu können, will man die aktive Zellfläche von Redox-Flow-Batterien auf 2,7 m² vergrößern, also auf das mehr als 30-fache. Durch Verschaltung einiger hundert bis mehrerer tausend dieser Zellen zu größeren Einheiten erhält man einen Energiespeicher im zwei- bis dreistelligen MW-Bereich. Dieses Prinzip ist nicht neu und wird bereits heute in anderen Elektrolyseanwendungen, zum Beispiel in der Chlorproduktion, praktiziert.

Wie Flow-Batterien funktionieren (Quelle: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science)

Branchenübergreifende Zusammenarbeit

Der Anlagenbauer Thyssenkrupp Industrial Solutions arbeitet schon seit geraumer Zeit an der Weiterentwicklung der Redox-Flow-Speichertechnologie hin zu Lösungen im großtechnischen Maßstab. Dabei liegt das Know-how des Unternehmens vor allem im Aufbau der elektrochemischen Zelle. Durch die Entwicklung eines verbesserten Zelldesigns konnte am Forschungs- und Entwicklungsstandort in Ennigerloh kürzlich ein Redox-Flow-Speicher in Technikumsgröße mit Zellflächen von bis zu 0,6 m² in Betrieb genommen werden. Hier werden zukünftig auch die neu entwickelten Bipolarplatten unter anwendungsnahen Bedingungen auf ihren Einsatz in Redox-Flow-Batterien getestet.

Im Rahmen des nun gestarteten Projekts zur Entwicklung eines Herstellungsverfahrensneuartiger Bipolarplatten ist Eisenhuth für die Übertragung der Forschungsergebnisse in die industrielle Fertigung und für die Produktion von flächenmäßig kleinen Bipolarplatten verantwortlich.

Das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) übernimmt mit Unterstützung durch Eisenhuth die Auswahl und Weiterentwicklung von Materialien und Werkstoffen, die hinsichtlich der neuen Technologie für die Herstellung der Bipolarplatten geeignet sind.

Der Kunststoffspezialist Centroplast wird das Scale-up der Bipolarplatten übernehmen und die Machbarkeit ihrer Herstellung im m²-Maßstab mittels der neuen Technologie demonstrieren. Dabei liegt der Schwerpunkt vor allem darauf, die Bipolarplatten fehlerfrei und in hoher Qualität reproduzierbar in einem robusten Prozess herzustellen.

Während des Entwicklungsprozesses werden die Forschungsinstitute ZBT und  das Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (EFZN) die Herstellung der Bipolarplatten durch Eisenhuth und Centroplast mithilfe umfangreicher Materialcharakterisierungen und elektrochemischer Untersuchungen unterstützen. Thyssenkrupp Industrial Solutions übernimmt schließlich die Einbindung der neu entwickelten Bipolarplatten in Redox-Flow-Batterien sowie die weitere Optimierung des Zelldesigns hin zu großtechnischen Anwendungen.