Redox-Flow-Batterien als Lösung?

Der Bedarf an Batteriespeichern für erneuerbare Energien wird in Zukunft massiv steigen. Neue entwickelte Batterien sind kostengünstig und umweltfreundlicher als die bekannten Lithium-Ionen-Batterien. Wie zum Beispiel die Redox-Flow-Batterien.

Pumpspeicherkraftwerke schaffen es kaum, die wachsende Menge an erneuerbarer Energie alleine zu speichern. Der Bedarf an preisgünstigen, ortsfesten Speicherbatterien wird daher kräftig steigen. Aktuell stellen Lithium-Ionen-Batterien dabei die dominierende Technologie dar. Dank der Elektromobilität haben sie in den letzten Jahren einen ordentlichen Entwicklungsschub erfahren. Die Marktforscher von IDTechEx gehen davon aus, dass der Markt für Lithium-Ionen-Batterien für die stationäre Energiespeicherung bis 2031 einen Wert von über 50 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Risiken für die Umwelt

Doch Lithium-Ionen-Batterien sind alles andere als nachhaltig. Sie bestehen aus teuren Materialien, die aus der ganzen Welt stammen. Zusätzlich birgt deren Abbau erhebliche Gefahren für Mensch und Umwelt. Vor allem Lithium ist enorm explosiv. Und auch andere wichtige Bestandteile von Lithium-Ionen-Batterien wie Kobalt, Cadmium und Mangan sind gefährlich im Umgang. Darüber hinaus ist die Lebensdauer der Batterien ein Problem und auch das Recycling ist schwierig und generiert weitere Risiken.

Nachhaltig, leistungsfähig und sicher

Nicht umsonst schlägt die EU-Kommission im Rahmen des „Grünen Deals“ eine Änderung vor. Batterien, die in der Europäischen Union in Verkehr gebracht werden, sollen über ihren gesamten Lebenszyklus nachhaltig, leistungsfähig und sicher sein. Das heißt, Batterien möglichst mit geringen Umweltauswirkungen aus Materialien herzustellen. Vor allem solche, die unter vollständiger Einhaltung der Menschenrechte sowie sozialer und ökologischer Standards gewonnen werden. Batterien müssen langlebig und sicher sein. Am Ende ihrer Lebensdauer sollten sie umgenutzt, wiederaufbereitet oder recycelt werden, sodass wertvolle Materialien in die Wirtschaft zurückfließen.

Alles im Fluss mit Redox-Flow-Batterien

Ein Weg dahin können Redox-Flow-Batterien sein, auch Flussbatterien genannt. Sie weisen im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien zahlreiche Vorteile auf. Die Lebensdauer ist relativ hoch und ihre Kapazität nimmt auch nach tausenden Zyklen nicht merklich ab. Außerdem setzen sie keine umweltschädlichen Substanzen frei. Grundsätzlich lassen sich mit Redox-Flow-Batterien sehr hohe Speicherkapazitäten aufbauen, obwohl die Energiedichte in den flüssigen Elektrolyten gering ist. Flussbatterien, in deren Elektrolytbehältern sich gelöstes Vanadium befindet, haben sich in den letzten Jahren als eine im Prinzip hochattraktive Speichertechnologie erwiesen. Das Unternehmen RedFlow kündigte zum Beispiel Anfang 2021 die Installation von Zink-Bromid-Batterien mit einer Kapazität von zwei Megawattstunden in Kalifornien an. Und VanadiumCorp will sogar zusammen mit Conoship International Projects aus den Niederlanden und der Vega Reederei aus Deutschland eine Vanadium-Redox-Flow-Batterie-Technologie entwickeln, die den Dieselantrieb von Schiffen ersetzen kann.

Redox-Flow-Batterien mit Eisen

Aber: Bis dato waren Redox-Flow-Batterien schlichtweg zu teuer für den Massenmarkt. Doch mit dem Einsatz anderer Materialien soll sich das ändern: „Heute gilt Eisen als der mit Abstand vielversprechendste Kandidat für Flussbatterien. Es ist ein auf der Erde reichlich vorhandenes, kostengünstiges Metall, das sich durch eine geringe Toxizität auszeichnet und in verschiedenen molekularen Umgebungen eingesetzt werden kann“, sagt Dr. Birgit Weber, Professorin für Anorganische Chemie an der Universität Bayreuth. Sie will in einem Forschungsprojekt auf der Grundlage von Eisen umweltfreundliche und hocheffiziente Flussbatterien entwickeln.

Auch die Hochschule Landshut forscht an der All-Iron Redox-Flow Batterietechnologie (IRFB). Sie soll mindestens so leistungsfähig sein wie bestehende Stromspeicher, dabei aber deutlich günstiger in Anschaffung und Unterhalt: „Auf Basis einer ersten Schätzung könnten Einsparungen von über 80 Prozent erzielt werden“, betont Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger, wissenschaftlicher Leiter des Technologiezentrums Energie der Hochschule Landshut. „Das liegt daran, dass die IRFB-Technologie aus weltweit vorhandenen Materialien hergestellt werden kann und die Kosten von Lithium-Ionen-Akkus um 50 bis 70 Prozent unterbietet.“ Darüber hinaus ist die IRFB-Technologie besonders umweltfreundlich. Die notwendigen Komponenten sind größtenteils aus Recyclingmaterialien herstellbar.

Aluminium plus Kohlenstoff

Einen anderen Weg gehen Forscher der Cornell University unter der Leitung von Professor Lynden Archer. Sie haben eine Batterie auf Basis von Aluminium entwickelt, die bis zu 10.000 fehlerfreie Ladezyklen ermöglicht. „Interessant an dieser Batterie ist, dass nur zwei Elemente für die Anode und die Kathode verwendet werden – Aluminium und Kohlenstoff –, die beide kostengünstig und umweltfreundlich sind“, erklärt Projektmitarbeiter Jingxu Zheng. „Außerdem haben sie eine sehr lange Zykluslebensdauer.“ Zu den Vorteilen von Aluminium gehört, dass es in der Erdkruste reichlich vorhanden ist, dass es leicht ist und dass es mehr Energie speichern kann als viele andere Metalle.

Noch keine echte Konkurrenz

Auch wenn zurzeit viele neue Materialkombinationen für Batteriespeicher untersucht werden, die Empa- und ETH Zürich-Forscher Kostiantyn Kravchyk und Maksym Kovalenko sind skeptisch. Denn sie wissen nicht, ob eine dieser Technologien tatsächlich in absehbarer Zeit Lithium-Ionen-Batterien ersetzen kann. Sie haben sich mögliche Alternativen genauer angeschaut. Noch – so das Fazit der Forscher – könne „keine der vorgestellten Technologien bezüglich Energiedichte mit Lithium-Ionen-Akkus mithalten. Sehr wahrscheinlich wird das auch in Zukunft so bleiben“. Für eine wirtschaftliche Langzeitspeicherung von Energie bzw. Strom werden daher auch andere Lösungen erforderlich sein. Zum Beispiel auf der Basis von Druckluft, flüssiger Luft oder Gravitation.