25.01.13

Energie

Wie Wind- und Solarstrom haltbar gemacht werden

Forscher entwickeln ein langlebiges Batteriemodell, das eines der größten Probleme der Energiewende lösen soll. Damit könnte das Zwischenspeichern von überschüssigem Strom möglich werden.

Von Marc Hasse
Foto: Roland Magunia

Die blaue Flüssigkeit, die Ingenieur Simon Ressel zeigt, dient als Elektrolyt für eine Redox-Flow-Batterie
Die blaue Flüssigkeit, die Ingenieur Simon Ressel zeigt, dient als Elektrolyt für eine Redox-Flow-Batterie

Etwas mulmig ist ihm manchmal zumute, wenn er an die große Verantwortung denkt und an die hohen Erwartungen. Vier Hochschulen, zwei Forschungsinstitute und zwei Unternehmen sind an dem Projekt beteiligt, fünf Millionen Euro Fördergeld gibt das Bundesforschungsministerium für die kommenden fünf Jahre, und er – 30 Jahre alt, Doktorand, Nachwuchsforscher also – soll die Arbeiten koordinieren, den Überblick behalten, die Richtung vorgeben. "Das macht mir schon zu schaffen", sagt Simon Ressel.

Andererseits seien da die Chancen.

"So kann es nicht weitergehen, es muss sich etwas ändern", sagt der Maschinenbauingenieur und meint damit unsere Abhängigkeit von Kohle, Gas und Atomkraft und die Pläne der Bundesregierung, dass der Strom in Deutschland bis 2050 zu 80 Prozent aus erneuerbaren Quellen wie Wind- und Sonnenkraft kommen soll.

Batterie unter einer Abzugshaube

Diese Energiewende wird aber wohl nur stattfinden, wenn bald spezielle Akkus verfügbar sind, die überschüssigen Strom zwischenspeichern, in windschwachen und sonnenarmen Zeiten wieder freigeben und so die starken Schwankungen bei der Erzeugung von Ökostrom ausgleichen können. "Etwas dazu beitragen zu können, treibt mich an", sagt Ressel. "Ich will einfach, dass wir das schaffen."

Die Schaltzentrale des Projekts "Tubulair" befindet sich im vierten Stock eines alten Backsteingebäudes der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW). Zwischen Aktenordnern, Schraubenschlüsseln, Teebeuteln und Kondensmilch haben Ressel und sein Team einen Kontrollstand mit Monitoren und Reglern aufgebaut; von dort führen Kabel zu einer Abzugshaube, in der transparente Kunststoffröhren, Laborgläser und Membranen den Aufbau des Forschungsobjekts simulieren: einer neuartigen Redox-Flow-Batterie. Ihre Besonderheit: Sie soll mithilfe von Luft doppelt so viel Energie pro Volumen speichern können wie bisherige Modelle.

Funktionsweise von Akkus

Um die Vorteile von Redox-Flow-Batterien zu verstehen, muss man sich klarmachen, wie herkömmliche Akkus funktionieren. Grundsätzlich besteht jede Batterie aus Pluspol, Minuspol (Elektroden) und einer chemischen Verbindung, Elektrolyt genannt. Plus- und Minuspol sind nötig, damit ein Strom fließen kann. Der Elektrolyt befindet sich in der Regel zwischen Plus- und Minuspol, auch bei Lithium-Ionen-Batterien, den modernsten Akkus auf dem Markt.

Um einen solchen Akku zu "füllen", legt man einen elektrischen Strom an; dadurch wandern positiv geladene Lithium-Ionen vom Pluspol durch den Elektrolyt zum Minuspol, wo sie sich zwischen Grafitschichten einlagern. Wie viel Energie der Akku speichern kann, hängt davon ab, wie viele Ionen zwischen die Schichten passen.

Wenn der Akku entladen wird, "zieht" ein Verbraucher Elektronen heraus; sodann wandern die von ihren Elektronen befreiten Ionen wieder zum Pluspol. Sind alle Lithium-Ionen dorthin gewechselt, ist der Akku "leer".

Lithium-Ionen-Akkus speichern schon bei einer geringen Größe relativ viel Strom, sie erreichen also eine hohe Energiedichte; außerdem haben sie im Verhältnis zur Größe eine relativ hohe Leistung, können also in relativ kurzer Zeit viel Energie abgeben. Deshalb kommen sie unter anderem in Smartphones, Tablets, Kameras und Elektroautos zum Einsatz.

Nachteil: nur wenige Jahre haltbar

Allerdings sind Lithium-Ionen-Akkus vergleichsweise teuer und nur wenige Jahre haltbar, weil sich ihre Elektroden beim Laden umwandeln und so altern - mehr als 3000 Ladezyklen sind in der Regel nicht möglich. "Bei großen stationären Einrichtungen wie Windkraftanlagen, die mehrere Jahrzehnte laufen sollen, müssen die Batterien aber vor allem lange halten und preisgünstig sein; eine geringe Größe ist nicht entscheidend. Deshalb macht der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien hier keinen Sinn", erläutert Simon Ressel.

Anders verhalte es sich mit Redox-Flow-Batterien. Bei diesem erstmals 1972 von der Nasa entwickelten Akku-Typ ist der Elektrolyt von Plus- und Minuspol getrennt; der Minuspol wandelt sich bei der Stromspeicherung nicht um, vielmehr findet eine Reaktion nur an seiner Oberfläche statt. Mehr als 10.000 Ladezyklen seien so möglich, sagt Ressel. Außerdem finde im Ruhezustand fast keine Entladung statt, im Gegensatz zu herkömmlichen Akkus.

Bisher haben alle Hersteller von Redox-Flow-Batterien auf zwei Elektrolyte gesetzt, die je nach Typ verschiedene Metallionen enthalten, meistens aber Vanadium-Ionen. Diese chemische Verbindung wird in zwei Tanks gelagert und dann durch ein poröses Vlies im Plus- und im Minuspol gepumpt. Zwischen den Polen befindet sich eine Membran, die Protonen durchlässt. Das ist nötig, damit sich die Ladungen der beiden Elektrolyte ausgleichen und ein Strom fließen kann.

Flexible Leistung und Speicherkapazität

Wird nun eine Stromquelle an Plus- und Minuspol angelegt, nehmen die Ionen in einem Tank Elektronen auf; es kommt zu einer Reduktion. Die Ionen in dem anderen Tank geben Elektronen ab, es kommt zu einer Oxidation - daher der Name Redox-Flow-Batterie. Beim Entladen läuft der Prozess umgekehrt ab.

Die Vorzüge der von Plus- und Minuspol getrennten Tanks: Leistung und Speicherkapazität lassen sich unabhängig voneinander festlegen. Die Speicherkapazität reicht nicht aus? Dann wird eben mehr Elektrolyt in den Tank gegossen oder ein Tank dazugestellt. Es wird wenig Leistung benötigt, aber eine große Speicherkapazität? Dann hält man Plus- und Minuspol relativ klein, stellt aber einen riesigen Tank dazu. Mit Lithium-Ionen-Akkus ginge das nicht: Mit der Speicherkapazität wüchse auch die Leistung. "Dagegen lassen sich Redox-Flow-Batterien an unterschiedlichste Anwendungen anpassen. Das spart Kosten", erläutert Simon Ressel.

40 Jahre alte Idee

So weit, so theoretisch. Die Idee ist seit 40 Jahren auf dem Markt, von einem Durchbruch, einer massenhaften Verbreitung von Redox-Flow-Batterien kann bisher aber keine Rede sein, zumindest nicht in Deutschland. Vor allem Australien und Japan haben die Forschung vorangetrieben; in diesen Ländern gibt es immerhin schon etliche Pilotanlagen. Seit einigen Jahren investiert zudem China massiv in die Technologie.

Die kanadische Firma Prudent Energy, eines der führenden Unternehmen, lässt ihre Redox-Flow-Batterien in China fertigen. In Deutschland wollte RWE Innogy, eine Tochter des Energieversorgers RWE, von 2001 bis 2003 Demonstrationsanlagen bauen. Diese wurden aber wegen zahlreicher Probleme nie fertiggestellt. "Deutschland hinkt hinterher", sagt Simon Ressel.

Mit einem neuen Ansatz, der bereits an der Universität Twente (Niederlande) erprobt wurde, will das von Ressel koordinierte Forscherteam den Rückstand zur internationalen Konkurrenz nun aufholen. Was wäre, wenn man einen Teil der Protonen, die für den Ladungsausgleich zwischen den beiden Elektrolyten sorgen, aus der Umgebungsluft gewinnen könnte? Dazu würde man Wasserdampf ansaugen und diesen mit einen Katalysator in Sauerstoff und Protonen aufspalten, wobei Elektronen freiwürden. Man hätte also einen Pluspol mit der gleichen Funktion wie bisher, nur dass ein Vanadium-Elektrolyt, also ein Tank, wegfallen könnte. Das hieße: "Bei halbem Volumen könnte man genauso viel Energie speichern wie vorher", sagt Ressel.

Forschung an verschiedenen Orten

Kann das gelingen? Um zügig voranzukommen, haben sich die Forscher aufgeteilt: Ingenieure der RWTH Aachen tüfteln an einem neuen Katalysator für den Pluspol, der nicht nur Wasser in Sauerstoff und Protonen umwandeln kann, sondern auch umgekehrt funktioniert - sonst könnte die Batterie nur laden, aber nicht entladen. Der Kat soll außerdem weniger von dem teuren Edelmetall Platin enthalten und dafür mehr unedle Metalle wie Vanadium.

Chemiker der Universität Hamburg wollen den verbleibenden Vanadium-Elektrolyt so weiterentwickeln, dass er mehr Elektronen aufnehmen, also mehr Strom speichern kann. Ein Team der Universität Nürnberg will die Elektroden verbessern. Die Firma Fuma-Tech entwickelt die Membran weiter, die Plus- und Minuspol trennt. Die Firma Uniwell tüftelt daran, wie sich die Zellen röhrenförmig als Meterware herstellen ließen und damit erheblich günstiger als plattenförmig aufgebaute herkömmliche Modelle. Aus all diesen Teilen soll das Team um Simon Ressel und seinen Chef Professor Wolfgang Winkler an der HAW Prototypen bauen.

Wirkung jedes Teils am Computer simuliert

Nun kann Ressel nicht jede kleinste Verbesserung der Partner testen, denn dazu müsste er im Labor jedes Mal eine neue Versuchsreihe aufbauen, die prinzipiell alle Bestandteile der Batterie einschließt. "Dann würden wir in 20 Jahren noch messen", sagt Ressel. Stattdessen montiert er aktuell erhältliche Teile in seinem Prüfstand und misst alle relevanten Parameter - etwa den Durchfluss des Elektrolyts, Temperatur, Wärmeentwicklung - und simuliert parallel die Wirkung jedes Teils am Computer, um zu errechnen, wie die Einzelteile beschaffen sein müssten, damit sie so effizient wie möglich funktionieren. Diese Informationen gibt er an die Partner weiter, die ihre Erkenntnisse damit abgleichen und ihr Produkt verbessern. "Das Ganze ist sehr komplex, aber ich finde es auch spannend, wie wir uns in vielen kleinen Schritten dem Ziel nähern", sagt Ressel.

Allein sind sie in Deutschland nicht: Auch Forscher von drei Fraunhofer-Instituten tüfteln an effizienteren Redox-Flow-Batterien, die Ökostrom massenhaft zwischenspeichern können, auch sie wollen den Aufbau der Batterien vereinfachen und preisgünstigere Materialien einsetzen. Das Rennen ist also eröffnet.

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