Ökostrom ist ein unstetes Gut. Photovoltaik-Anlagen ruhen nachts, und bei Flaute stehen Windräder still. Künftig wird man den umweltfreundlichen Strom daher in beträchtlichen Mengen zwischenspeichern müssen. Derzeit werden unter anderem Elektroautos als mobiler Speicher heiß diskutiert. Experten sind sich einig, dass das allein nicht reichen wird. Große stationäre Speicher müssen her, die an zentralen Stellen im Versorgungsnetz sitzen und Energie in Megawatt-Mengen für stromarme Stunden puffern können.

Ein Fraunhofer-Konsortium treibt derzeit die Entwicklung von großen Energiespeichern, Redox-Flow-Batterien, voran. Das Fernziel der Experten ist der Bau einer hand-ballfeldgroßen Batterieanlage mit 20 Megawattstunden Kapazität, die etwa 2000 Haushalte während einer langen Winternacht oder an wolkigen Tagen mit Strom versorgt. Ganz so weit ist es noch nicht: Derzeit haben die größten Labor-Anlagen im Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT eine Leistung von einigen Kilowatt.

Robuste und langlebige Batterien

Auf der Hannover-Messe demonstrieren die Forscher die Funktionsweise der Redox-Flow-Batterie an einer 2-Kilowatt-Anlage. Drei Fraunhofer-Institute sind an dem Konsortium beteiligt, das die Entwicklung dieser Akkus vorantreibt. »Das Verfahren arbeitet bereits zuverlässig«, sagt Christian Dötsch, Geschäftsfeldleiter Energie-Effizienz-Technologien am UMSICHT, einem der beteiligten Institute. »Die Herausforderung besteht im Upscale, der Vergrößerung der Anlagen.« Bei den Redox-Flow-Speichern handelt es sich um große Vanadium-Flüssigbatterien, in denen chemische Vanadium-Verbindungen an Membranen abwechselnd Elektronen aufnehmen und abgeben. Da bei diesen Batterien nur Vanadium-Verbindungen und nicht wie in anderen Systemen zugleich zwei verschiedene Flüssigkeiten zum Einsatz kommen, bleiben Verunreinigungen aus. »Dadurch lassen sich sehr robuste und langlebige Batterien bauen – ein entscheidender Vorteil dieser Batterietechnologie«, betont Dr. Tom Smolinka, der die Arbeiten am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE koordiniert.

Aufbau der Zellen verbessern

Die Ladung und Entladung des Vanadiums findet in kleinen Reaktionskammern statt. Mehrere dieser Zellen werden nebeneinander zu Stapeln, Stacks, aufgereiht, wodurch sich die Leistung einer Batterieanlage weiter erhöht. Derzeit haben die Membranen und damit auch die einzelnen Zellen eine Fläche von der Größe eines DIN A4-Blatts. »Um Megawatt-Werte zu erreichen, müssen sie mindestens DIN A0-Größe erreichen«, schätzt Dr. Jens Tübke, Abteilungsleiter beim dritten Projekt-Partner, dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT. Die Herausforderung besteht unter anderem darin, die Vanadium-Flüssigkeit gleichmäßig durch diese großen Membranen und an den filzartigen Kohlenstoff-Elektroden der Zellen vorbei strömen zu lassen. Die Fraunhofer-Forscher setzen deshalb Strömungs-Simulationen ein, um den Aufbau der Zellen weiter zu verbessern.

Seit vergangenem Jahr arbeitet das Fraunhofer-Konsortium außerdem in einem vom Bundesumweltministerium geförderten Kooperationsprojekt an neuen Membranmaterialien und Batteriedesigns. Noch in diesem Jahr soll ein weiteres Projekt mit Industriebeteiligung starten. Grundsätzlich können im neuen Fraunhofer-Redox-Flow-Labor Batterien mit bis zu 80 Kilowatt aufgebaut werden – Ende kommenden Jahres soll eine 20-Kilowatt-Anlage in Betrieb gehen. Die Megawatt-Grenze hoffen die Forscher in etwa fünf Jahren überschreiten zu können.