EAST.19: Redox Flow — Spei­cher­tech­no­lo­gie der Spit­zen­klasse aus Thü­rin­gen

Das Jenaer Forscherteam um Prof. Dr. Ulrich S. Schubert (links), Tobias Janoschka (Mitte) und Dr. Martin Hager entwickelten die polymere Redox-Flow-Batterie. Foto: Anne Günther / Friedrich-Schiller-Universität Jena Speicher, ReduxFlow, Batterie
Das Jenaer Forscherteam um Prof. Dr. Ulrich S. Schubert (links), Tobias Janoschka (Mitte) und Dr. Martin Hager könnt emit der von ihnen entwickelten polymeren Redox-Flow-Batterie vor. Foto: Anne Günther / Friedrich-Schiller-Universität Jena

Der Kon­gress EAST.19 am 16. und 17. Sep­tem­ber 2019 in Erfurt widmet sich der Zukunft der Spei­cher­tech­nik. Eine mög­li­che Vari­ante: Redox-Flow-Batterien, die fast oder gar kom­plett ohne Metalle aus­kom­men. Sie lösen damit ein Problem her­kömm­li­cher E‑Batterien: Seltene oder nur mit hohem Aufwand und zulas­ten der Umwelt zu gewin­nende Metalle. Erforscht und her­ge­stellt wird die neu­ar­tige Tech­no­lo­gie in Thü­rin­gen, dem Gast­ge­ber­land der EAST.19.

Spei­cher sind der Schlüs­sel der Ener­gie­wende. Sie können Strom oder Wärme über längere Zeit erhal­ten und bei Bedarf abgeben. Ohne sie können die Gegen­sätze zwi­schen den Pro­duk­ti­ons­zei­ten erneu­er­ba­rer Ener­gien wie Wind und Sonne und den Ver­brauchs­zei­ten nicht über­brückt werden. Genau diese Tech­no­lo­gien bestim­men das Pro­gramm der EAST.19. Einer der Hoff­nungs­trä­ger dabei: Redox Flow.

Redox Flow beruht auf einem denkbar ein­fa­chen, elek­tro­che­mi­schen Prinzip. In zwei Tanks lagern gleich­ar­tige Elektrolyt-Flüssigkeiten unter­schied­li­cher Oxi­da­ti­on­s­tu­fen. Sie werden zwi­schen den Tanks, getrennt von einer Membran, hin- und her­ge­pumpt. Das eine Elek­tro­lyt mit stär­ke­rer Elek­tro­nen­bin­dung fun­giert als Kathode, das andere als Anode. Wird Strom zuge­führt, wandern die Ionen von der Kathode zur Anode. Damit wird die Bat­te­rie geladen.

Bekannt ist das Prinzip schon seit den 70er Jahren. Bisher wurde jedoch vor­ran­gig in Schwe­fel­säure gelös­tes Vana­dium ver­wen­det – ein Gefahr­stoff und umwelt­be­las­tend. Den For­schern des Center for Energy and Envi­ron­men­tal Che­mi­stry Jena (CEEC Jena) an der Friedrich-Schiller-Universität gelang es 2015 gänz­lich auf Metalle zu ver­zich­ten. Das Team unter Leitung von Prof. Ulrich S. Schu­bert ent­wi­ckelte orga­ni­sche Poly­mere, die in gesät­tig­tem Koch­salz­was­ser auf­ge­löst werden. Auch die Membran kommt gänz­lich ohne Metalle aus. Genutzt wird ein Faser­ma­te­rial, das schon lange in Trink­was­ser­fil­tern oder der  Dialyse zum Einsatz kommt.

Einen ersten Groß­ver­such plant derzeit für einen Zeit­raum von etwa zehn Jahren der nord­deut­sche Ener­gie­ver­sor­ger EWE aus Olden­burg. Er will das Prinzip in seinen Gas­ka­ver­nen, die bisher als Spei­cher für Erdgas dienen, im großen Stil rea­li­sie­ren und dort Wind­ener­gie ein­spei­sen. Wenn diese im Über­schuss anfällt und die Anlagen abge­schal­tet werden müssten, wird der Strom auf­ge­fan­gen und kann wieder abge­ge­ben werden, wenn dafür ein Bedarf besteht. In beiden Fällen wird so die Netz­sta­bi­li­tät auf­recht­erhal­ten – mit einer ein­zi­gen Tech­no­lo­gie.

Doch es geht auch viele Nummern kleiner. Denn das Redox-Flow-Prinzip ist gut nach unten ska­lier­bar. Jen­aBat­te­ries etwa baut diese metall­freien Bat­te­rien ab 100 kW Leis­tung und einer Spei­cher­ka­pa­zi­tät von 400 kWh.

Die Vor­teile von Redox Flow made in Thü­rin­gen liegen auf der Hand Die Wartung ist durch die Metall­frei­heit einfach und planbar. Das wie­derum erleich­tert Betrieb, aber auch Finan­zie­run­gen. Die Lebens­dauer liegt bei 10.000 Lade­zy­klen, die benö­tig­ten Grund­stoffe sind einfach her­stell­bar und in Deutsch­land ohne große Begren­zun­gen preis­güns­tig ver­füg­bar. Alle ver­wen­de­ten Mate­ria­lien sind weder brenn­bar noch explo­siv. Das ver­ein­facht Sicher­heits­re­ge­lun­gen und redu­ziert Prämien für die Ver­si­che­rung der Anlagen. Zudem können sie bei kleinen Anwen­dun­gen mittels 3D-Drucker her­ge­stellt werden, was die Tech­no­lo­gie wie­derum inter­es­sant für die Anwen­dung in kleinen Geräten etwa für das Inter­net of Things (IoT) macht. Da auf Schwer­me­talle wie Blei oder Vana­dium, aber auch auf Leicht­me­talle wie Lithium ver­zich­tet werden kann, ist es eine sehr umwelt­scho­nende Lösung.

Neben der revo­lu­tio­nä­ren Redox-Flow-Technologie wird in Thü­rin­gen aber auch an metal­li­schen Spei­cher­tech­no­lo­gien geforscht, die auf Lithi­um­ver­bin­dun­gen ver­zich­ten können. So koor­di­niert die Friedrich-Schiller-Universität Jena inner­halb des vom Bun­des­mi­nis­te­rium für Bildung und For­schung geför­der­ten  Pro­jekts TRANSITION wis­sen­schaft­li­che Arbei­ten zu flüs­si­gen und poly­me­ren Elek­tro­ly­ten für Natrium-Ionen-Batterien. In ihnen werden als Katho­den Über­gangs­me­tall­schich­toxide und als Anoden Hart­koh­len­stoff aus Bio­masse ver­wen­det. Auch hier ist eine hohe Ska­lier­bar­keit Gegen­stand der For­schun­gen.

Die neuen Spei­cher­kon­zepte, die die beson­dere Stärke der For­schungs­land­schaft für Energiespeicher- Tech­no­lo­gien in Mit­tel­deutsch­land bewei­sen, werden auf der EAST.19 in Vor­trä­gen und Work­shops und in der beglei­ten­den Aus­stel­lung beleuch­tet.

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