Vanadium-Redox-Flow: Sonnenenergie auch im Dunkeln nutzen

Autor / Redakteur: Michael Peither / Richard Oed

Stromspeicher sind eine Schlüsseltechnologie: Sie machen Solarstrom rund um die Uhr nutzbar. Eine neue Produktionstechnik bringt die im Großspeicher-Segment bereits erfolgreiche Vanadium-Redox-Flow-Technologie nun in die eigenen vier Wände.

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Heimspeichersysteme für Solarenergie auf Basis der Vanadium-Redox-Flow-Technologie zeichnen sich durch Langlebigkeit, Sicherheit und hohe Umweltfreundlichkeit aus.
Heimspeichersysteme für Solarenergie auf Basis der Vanadium-Redox-Flow-Technologie zeichnen sich durch Langlebigkeit, Sicherheit und hohe Umweltfreundlichkeit aus.
(Bild: VoltStorage)

Die Strompreise in Deutschland sind seit dem Jahr 2000 um mehr als das Doppelte angestiegen. Und mit ihnen wuchs der Wunsch vieler Hausbesitzer nach mehr Unabhängigkeit vom Energiemarkt und dessen weiter aufwärts drehender Preisspirale. Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) versprechen mehr Autarkie, indem der tägliche Strombedarf durch selbstproduzierte Solarenergie gedeckt wird. Doch die Realität sieht oftmals anders aus. Denn der Strombedarf ist in den meisten Haushalten dann am größten, wenn Photovoltaikanlagen wenig bis gar keinen Strom produzieren: in den Morgen- und Abendstunden.

Dies führt dazu, dass Haushalte in der Regel nur bis zu 30 Prozent ihres Strombedarfs aus der eigenen PV-Anlage beziehen. Nicht genutzte Solarenergie wird zwar ins Stromnetz eingespeist und vom Staat vergütet – doch in den vergangenen Jahren ist die über lange Zeit finanziell äußerst lohnende Einspeisevergütung deutlich gesunken. Und zwar in einem Maß, dass eine eigene Solarstromnutzung immer lukrativer wird.

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Solarenergie wird 24 Stunden verfügbar

Stromspeicher gelten als zukunftsweisende Schlüsseltechnologie, um Solarstrom rund um die Uhr verfügbar zu machen. Mit ihnen lässt sich überschüssige Solarenergie speichern und für den späteren Verbrauch abrufen. Aktuell wird der Heimspeicher-Markt von lithiumbasierten Lösungen dominiert. Einen anderen Weg geht das Münchner Start-up VoltStorage, das als weltweit erster Heimspeicher-Anbieter auf die Vanadium-Redox-Flow-(VRF-)Technologie setzt. Diese wird bereits seit Jahren erfolgreich zur Speicherung von Wind- und Solarenergie in Großspeichern eingesetzt. So wurde beispielsweise Mitte 2017 am Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (ICT) in Pfinztal die größte Batterie Deutschlands installiert – auf Basis der VRF-Technologie.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Speichersystemen auf Lithium- und Bleibasis setzt die VRF-Technologie auf eine Elektrolytflüssigkeit als Hauptenergieträger. Diese Flüssigkeit zirkuliert in zwei voneinander abgeschotteten Kreisläufen mit jeweils unterschiedlichen Oxidationsstufen und wird dabei durch spezielle Batteriezellen gepumpt – daher werden VRF-Batterien auch als Flussbatterien bezeichnet. Die Batteriezellen bestehen aus zwei durch eine ionenaustauschende Membran voneinander getrennten Halbzellen.

Beim Aufladevorgang wird den Batteriezellen elektrische Energie zugeführt, was in der kathoden Halbzelle zu einer Oxidation und in der anoden Halbzelle zu einer Reduktion der Elektrolytflüssigkeit führt – daher die Bezeichnung „Redox-Flow“. Die in der kathoden Halbzelle freiwerdenden Elektronen wandern über speziell behandelte Graphitelektroden in die anode Halbzelle, die über die ionenaustauschende Membran mit freigesetzten positiven Ausgleichsionen aus der kathoden Halbzelle versorgt wird. Es findet somit ein Umwandlungsprozess von elektrischer in chemische Energie statt. Beim Entladevorgang kehrt sich dieser Prozess um.

Langlebigkeit und Sicherheit sind Trumpf

Die VRF-Technologie bietet im Vergleich zu lithiumbasierten Batterien viele Vorteile – allen voran in puncto Langlebigkeit. So stellt die Dendritenbildung, eine elektrochemische Ablagerung von Metall an Elektroden, ein massives Problem bei Lithium-Batterien dar, da sich dadurch mittel- bis langfristig die Speicherkapazität und -leistung deutlich verringern. Aufgrund des flüssigen Vanadium-Elektrolyts ist eine Dendritenbildung bei VRF-Speichersystemen zu 100 Prozent auszuschließen. Dies resultiert in einer überdurchschnittlich hohen Zyklenzahl, die auf Basis von Langzeitests bei weit über 10.000 Vollzyklen liegt und die Vanadium-Redox-Flow-Technologie somit zur derzeit langlebigsten Speichertechnologie macht.

Auch beim oft vernachlässigten Thema Betriebssicherheit weist die VRF-Technologie große Vorteile auf. Aufgrund des hohen Wasseranteils des Vanadium-Elektrolyts von 80 Prozent sind Elektrolyt und Batterie-Stack nicht entflammbar oder explosiv, sodass keine besonderen Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden müssen wie es etwa bei Lithium-Batterien der Fall ist. Insofern eignen sich VRF-Speichersysteme bestens für den Betrieb in sensitiven Umgebungen – wie zum Beispiel in Eigenheimen.

Vanadium bietet viele Vorteile

Mit Blick auf die Rohstoffverfügbarkeit erweist sich die VRF-Technologie als besonders ökonomisch. So handelt es sich bei Vanadium um das 16-häufigste Element der Erdkruste, das bei einer weltweiten jährlichen Förderung von 80.000 Tonnen (Stand: 2015) und geschätzten Reserven von 15 Millionen Tonnen lange Zeit verfügbar sein wird. Dies macht die VRF-Technologie angesichts der Rohstoffverknappung und den damit verbundenen Preissprüngen in den vergangenen zwei Jahren von Lithiumcarbonat (+29 %), Mangan (+33 %) und Cobalt (+120 %) zu einer preiswerten Alternative zu Lithium-Ionen-Speichern.

Auch in puncto Recyclingfähigkeit weisen VRF-Heimspeicherysteme deutliche Vorteile gegenüber Lithium-Speichern auf. Während Lithium nur mittels eines energieintensiven Spezialverfahrens recycelt werden kann, ist eine Wiederverwendung von Vanadium sehr einfach möglich. Nach einer elektrochemischen Oxidation des Elektrolyts zu Vanadium 5 muss die Elektrolytflüssigkeit lediglich auf 70 °C erwärmt werden, damit das darin gelöste Vanadiumpentoxid ausflockt. Es kann dann mit einfachen Filtern absorbiert werden.

Problematisch war bisher der Herstellungsprozess. Um die Leistung von VRF-Speichersystemen zu erhöhen, werden mehrere Batteriezellen zu einem Batterie-Stack aufeinandergeschichtet. Dieses Verfahren konnte bislang nur manuell und somit unter hohem zeitlichen und personellen Ressourcen-Einsatz durchgeführt werden, was eine preiswerte Produktion von VRF-Batterien verhinderte. Ein von VoltStorage entwickelter und zum Patent angemeldeter vollautomatischer Produktionsprozesses macht nunmehr eine kostengünstige Stack-Produktion möglich, die die VRF-Technologie erstmals für das Heimspeicher-Segment realisierbar macht.

Optimierter Gesamtwirkungsgrad dank Leistungselektronik

Aktuell liegt der maximale Wirkungsgrad der VRF-Batterien bei 86 Prozent - und damit unter den ausgewiesenen Wirkungsgraden von Lithium-Batterien. Eine eigens für den Spannungsbereich der VRF-Batterien von 35 bis 55 V und die im Haushalt üblichen Leistungsbereiche bis 1 kW optimierte Leistungselektronik ermöglicht dennoch einen Gesamtwirkungsgrad, der auf dem Niveau von Lithium-Heimspeichern liegt. Zudem ermöglicht die intelligente Leistungselektronik ein automatisches Umschalten von 3-Phasen- auf 1-Phasen-Betrieb, um so in niedrigen Leistungsbereichen eine zusätzliche Effizienzsteigerung zu erzielen.

Da VRF-Batterien überdurchschnittlich oft be- und entladen werden können, ohne an Speicherkapazität zu verlieren, ist ein Zusammenschluss aller VoltStorage Heimspeicher zu einem virtuellen Großspeicher, der sogenannten VoltCloud in Planung. So können freie oder nicht benötigte Speicherkapazitäten kurzfristig bereitgestellt werden, um Strom aus dem öffentlichen Netz aufzunehmen und bei Bedarf wieder abzugeben. In Phasen der Über- bzw. Unterproduktion erneuerbarer Energien kann so ein wertvoller Beitrag zur Stabilität der Stromnetze und zur Zukunftsfähigkeit regenerativer Energieformen geliefert werden.

Das VoltStorage VRF-Heimspeichersystem wird ab Frühjahr 2018 in zweifacher Ausfertigung angeboten: als einphasiges System mit einer nominellen Leistung von 2 kW bei einer Speicherkapazität von 6,8 kWh und als dreiphasiges System mit gleicher Kapazität und 4,5 kW Maximalleistung. Dieses verfügt zudem über eine Notstromfunktion, die einen Inselbetrieb möglich macht. Durch Kopplung zweier oder mehrerer Systeme lassen sich Leistung und Speicherkapazität beliebig skalieren.

Durch einen optimierten Herstellungsprozess und die abgestimmte Leistungselektronik ermöglicht die Vanadium-Redox-Flow-Technologie eine kostengünstige Eigennutzung von Solarstrom in den eigenen vier Wänden. Damit wird die Verwendung dieser umweltfreundlichen Technologie zeitunabhängig möglich.

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