Weltweit steigende Temperaturen, vermehrt auftretende Dürren und Extremwetterereignisse: Eine der größten Herausforderungen der heutigen Zeit ist der Klimawandel, der hauptsächlich durch die menschengemachten Emissionen von klimaschädlichen Gasen verursacht wird. Ein großer Teil dieser Emissionen wird durch das Verbrennen von fossilen Energieträgern freigesetzt. Erneuerbare Energien wie Wind-, Wasser- oder Solarenergie leisten ihren Beitrag zur Energiewende. Allerdings treten insbesondere Solar- und Windenergien oft mit tages- und jahreszeitlichen Schwankungen auf.
Ein Beitrag von Monja Schilling
Betrachten wir einmal kurz das Beispiel Solarenergie etwas genauer: Die Sonne scheint untertags am stärksten und dementsprechend sind in dieser Zeit auch die Fotovoltaikanlagen am effektivsten und generieren Strom. Abends und nachts funktionieren die Anlagen nicht, weil kein Sonnenlicht da ist. Selbstverständlich möchte man aber auch am Abend Strom aus der Steckdose zum Kochen, Waschen und Beleuchten haben.
Akkus speichern nur in kleinem Maßstab
Hierfür gibt es in der Theorie eine einfache Lösung: Die Energie, die tagsüber erzeugt wird, muss zwischengespeichert werden und kann dann abends genutzt werden. Es werden also Speicher benötigt. Die Bandbreite reicht hier von klassischen Pumpspeicherkraftwerken über Schwungmassenspeicher bis hin zu elektrochemischen Speichern, also Akkumulatoren und Batterien.
Weltweit wird an unzähligen Standorten an vielfältigen chemischen Lösungen für Energiespeicherung geforscht. Sehr bekannt sind Lithium-Ionen-Akkus, die oft in Handys, Laptops oder E-Autos verbaut werden. Für eine Energiespeicherung in sehr großem Maßstab werden allerdings andere Technologien benötigt. Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie bietet hierfür eine bestens geeignete und bereits kommerziell erhältliche Lösung.
So funktioniert die Vanadium-Redox-Flow-Batterie
Seit der Entwicklung der Vanadium-Redox-Flow-Batterie in den späten 1980er-Jahren wurde die Technologie immer weiter verbessert. Die Funktionsweise und der grundlegende Aufbau blieben im Kern aber gleich. Während des Ladens und des Entladens wird eine Flüssigkeit, der Elektrolyt, von den Tanks zum Herzstück der Batterie, der elektrochemischen Zelle, gepumpt. In der elektrochemischen Zelle geschieht dann die Chemie: Die Vanadium-Ionen im Elektrolyten reagieren chemisch und ändern ihren Oxidationszustand. Hierbei wird dann entweder elektrische Energie verbraucht (Ladevorgang) oder freigesetzt (Entladevorgang). Das Besondere an dieser Technologie ist die Entkopplung von Energiekapazität und Leistungsdichte. Vereinfacht bedeutet das: Wenn mehr Energie gespeichert werden soll, müssen nur die Tanks größer gemacht werden. Wenn da[1]gegen mehr Leistung zu einem bestimmten Zeitpunkt gefragt ist, müssen mehr elektrochemische Zellen verschaltet werden. Die jeweils andere Größe kann dabei unverändert bleiben.
Jede Speichertechnologie hat ihr eigenes Anwendungsgebiet
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Das klingt jetzt eigentlich nach einer perfekten Technologie, oder? Warum ist sie noch nicht in unserem Laptop oder Handy verbaut? Die Antwort ist simpel: Vanadium-Redox-Flow-Batterien sind schwer und brauchen relativ viel Platz, da der Elektrolyt in großen Tanks gelagert wird. Die Lösung ist also nicht perfekt fürs Handy, aber eben doch für das Ausgleichen der tages- und jahreszeitlichen Schwankungen im Stromnetz. So hat jede elektrochemische Speichertechnologie ihr Anwendungsgebiet: Für portable, kleine und leichte Anwendungen werden heutzutage Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt, aber für die großtechnische Energiespeicherung ist dann doch eine Redox-Flow-Batterie eine exzellente Wahl.
Monja Schilling
Doktorandin am Helmholtz-Institut Ulm, Leiterin des Team Science & Education im JungChemikerForum der Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. sowie Mentorin im juFORUM e.V.