Stromspeicher-Durchbruch: US-Forscher baut neuartige Flow-Batterie

Stromspeicher-Durchbruch: US-Forscher baut neuartige Flow-Batterie

von Wolfgang Kempkens

Flow-Batterien gelten als Stromspeicher der Zukunft - sind aber extrem teuer. Jetzt könnten sie erheblich günstiger werden.

Sie sind überaus effizient, gelten als langlebig und entladen sich kaum selbst: Flow-Batterien sind eine der besten Möglichkeiten sein, überschüssigen Wind- und Solarstrom zu speichern. Das geschieht in chemischen Verbindungen, die in zwei durch eine Membran getrennten Kreisläufen zirkulieren.

Die Technologie geht auf ein mehr als 40 Jahre altes Konzept zurück – doch bislang gibt es nur wenige Pilotanlagen mit einer großen Speicherkapazität.

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Denn die eingesetzten chemischen Verbindungen sind überaus teuer. Üblicherweise besteht einer der in der Batterie eingesetzten Elektrolyte aus einer Lösung, die teure Werkstoffe wie Vanadium enthält. Zudem sind oft Katalysatoren aus noch wertvollerem Material nötig, etwa aus Palladium.

Amerikanische Wissenschaftler glauben nun eine Lösung gefunden zu haben, wie man die Flüssigbatterien deutlich günstiger machen kann. Michael Aziz, Materialforscher an der Harvard-Universität, setzt stattdessen Werkstoffe ein, die weitaus preiswerter sind. Damit sind seine Batterien um bis zu zwei Drittel günstiger als bislang übliche Lösugnen. Außerdem lässt sich sein Speicher rund 1000 Mal schneller be- und entladen als konventionelle Flow-Batterien.

Organische Verbindungen statt EdelmetalleSpeicher dieser Art bestehen aus einer Zentraleinheit mit zwei durch eine Membran getrennten Kammern und zwei Tanks. Die Chemikalien in diesen Tanks, die so genannten Elektrolyte, werden beim Entladen in die beiden Kammern gepumpt.  Wenn sie an der Membran vorbeifließen, findet eine Ladungstrennung statt, die von der teildurchlässigen Membran aufrechterhalten wird. Elektronen und positiv geladene Ionen haben jetzt nur noch eine Möglichkeit, sich wieder zu vereinigen, um den energetischen Normalzustand wieder herzustellen: Sie müssen als Strom über die außen liegenden Elektroden abfließen.

Beim Entladen verändern sich die beiden Elektrolyte, bis ihre Kapazität erschöpft ist. Wenn über die Elektroden überschüssiger Strom in die Reaktionskammer fließt, regenerieren die Elektrolyte und kehren in ihren vorherigen Zustand zurück. Sie werden in Tanks außerhalb der Batterie gespeichert, sodass sich die Kapazität einfach durch Vergrößern der Behälter erhöhen lässt. So sind Kapazität und Leistung getrennt voneinander planbar – einer der größten Vorteile gegenüber anderen Speicherkonzepten.

In den vergangenen Jahrzehnten experimentierten Wissenschaftler in aller Welt mit nahezu allen chemischen Elementen, um die Materialkosten zu senken, ohne durchschlagenden Erfolg. „Deshalb haben wir es mit organischen Verbindungen versucht“, sagt Aziz, also Materialien, die Kohlenstoff enthalten.

Und er wurde fündig. Einer der beiden Elektrolyte besteht aus einer schwachen Schwefelsäure, der er eine organische Komponente namens Chinon beimischt. Beim Beladen wird aus Chinon Hydrochinon, das sich beim Entladen zurückverwandelt. Hydrochinon ist stark ätzend: Der Bombardierkäfer schießt diese Flüssigkeit auf Angreifer. Der zweite Elektrolyt besteht, wie in vielen Flow-Batterien, aus einer Bromlösung, die sich ebenfalls beim Laden und Entladen verwandelt. Chinone sind Bestandteil von Erdöl, kommen allerdings auch in Pflanzen vor, etwa in Rhabarber oder Sauerampfer.

Wie gemacht für Industrie und HaushalteAziz` Batterie hat 100 Ladezyklen überstanden, ohne an Speicherleistung zu verlieren. Als kommerzielle Version müsste sie 10.000 Zyklen überstehen. Der Chinone-Elektrolyt für eine Speicherkapazität von einer Kilowattstunde kostet, so Aziz, umgerechnet rund 20 Euro. Eine Vanadiumlösung ist dreimal so teuer.

Die US-Wissenschaftler wollen den positiven Elektrolyten weiter verbessern, um die Kosten zu senken. Gleichzeitig arbeiten sie an einem Ersatz der Bromverbindungen, die korrosiv sind und die Umwelt verschmutzen, wenn sie auslaufen.

Batterien dieser Art können zum einen von der Industrie genutzt werden, die sie mit billigem Überschussstrom lädt, um ihre Stromrechnung zu reduzieren. Auch private Haushalte würden davon profitieren, sagt Aziz. Für die Tanks reicht ein Raum, in den ein 2000-Liter-Heizöltank passt. „Es ist sinnvoll, die Stromausbeute eines sonnigen Tages zu speichern, um das Haus am Abend mit Energie zu versorgen“, sagt der Forscher.

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