Die von Wind- und Photovoltaikanlagen erzeugte Energie fluktuiert und ist oft nicht bedarfsgerecht. Im Zusammenhang regenerativer Kraftwerke mit fluktuierender Leistungsabgabe stellt sich immer auch die Frage einer zeitlichen Entkopplung von Erzeugung und Verbrauch, d.h. der Speicherung der Energie. Sie soll vorgehalten werden und im Bedarfsfall Regelleistung liefern können. Redox-Flow-Batterien (RFB) basieren auf dem Prinzip der chemischen Energiespeicherung und stellen eine Möglichkeit zur Lösung des Problems dar. Sie besitzen das Potential für großtechnische Anwendungen, z.B. in einem Windpark. In der vorliegenden Arbeit soll die Frage bearbeitet werden, ob eine Redox-Flow-Batterie über die notwendige Dynamik verfügt, in einem Gesamtsystem mit einer oder mehreren Windkraftanlagen auf einen schwankenden Leistungsbedarf zu reagieren. Je nach Bedarf und Angebot kann es zu schnellen Wechseln zwischen Leistungsaufnahme und -abgabe kommen. Dabei wird von der Zielvorstellung ausgegangen, dass die Anlage, bestehend aus Kraftwerk und RFB, dezentral am Nieder- oder Mittelspannungsnetz angeschlossen ist, Energie nach Plan liefern und somit bezüglich der Frequenzhaltung netzstützend wirken kann. Für den Betreiber einer solchen Anlage würden sich über die Vergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz hinaus zusätzliche Vermarktungsmöglichkeiten der erzeugten Energie ergeben.

Textprobe: Kapitel 5, Aufbau und Komponenten der VRB: 5.1, Aufbau der Batterie: Eine VRB besteht aus einem oder mehreren Stapeln (Stacks) von seriell verschalteten Zellen. Bipolarplatten (Stromabnehmer) sorgen für die elektrische Kontaktierung (und elektrolytische Trennung) der Anode und Kathode benachbarter Zellen. An den Endplatten, vor der ersten und hinter der letzten Zelle, befinden sich die elektrischen Anschlüsse (Kupferplatten). Zwei weitere Stahl- oder Aluminiumplatten halten den Stack über lange Schrauben zusammen. Mehrere Stacks können in Serie zu einem Strang verschaltet werden. […] Je mehr Stacks umso höher die Leistung. Wenn jede Gruppe von Stacks über eine separate Fluidversorgung verfügt, ist die Möglichkeit gegeben, die Batterie in Stufen zu betreiben. Dies hat den Vorteil, dass die Selbstentladung merklich verringert wird wenn bei kleinen Lasten nur eine oder zwei Stufen in Betrieb sind und die Batterie mit verminderter Leistung weiter betrieben werden kann, wenn eine Komponente ausfällt. 5.2, Aufbau der Zelle: Die Leistungsfähigkeit jeder Zelle ist grundlegend für die der Batterie und wird maßgeblich von den Eigenschaften der Elektroden und der Membran bestimmt. 5.2.1, Elektroden: Die Elektroden wirken als Reaktionsfeld, das die elektrochemischen Reaktionen der aktiven Materialien fördert. In der Entwicklung der Elektrodenmaterialien ist man bestrebt, den Reaktionsumsatz zu erhöhen. Deshalb sollten die Elektroden einen porösen Zustand bzw. eine Struktur mit innerer Oberfläche aufweisen (Realisierung sog. dreidimensionaler Elektroden), so dass die zur Verfügung stehende aktive Elektrodenoberfläche größer als die geometrische ist. In der RFB sind die Elektroden mit den Stromkollektor-Platten verbunden: In einer vielzelligen Anordnung bipolar und an den Enden des Stacks unipolar ausgeführt. Die Platten müssen leitfähig und chemisch stabil sein. Eine hohe Leitfähigkeit spricht für eine Platte aus undurchlässigem Graphit. In einer einzelnen VRB-Zelle könnte sie dann auch als Elektrode fungieren, an der der Elektrolyt entlang strömt. Allerdings wird reiner Graphit durch die V5+-Ionen (positive Elektrode) stark angegriffen. Wegen ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit, der großen spezifischen Oberfläche und der Stabilität in säurehaltiger Elektrolyt-Lösung werden für die Elektroden in einer VRB Kohlenstoffmaterialien in einer nicht-gewebten Faseranordnung verwendet. Die Carbon-Vliese werden anschließend graphitiert, wodurch die Fasern eine zunehmende Orientierung, Kristallinität und v.a. Leitfähigkeit erhalten. Nach einer elektrochemischen Oxidation können nochmals höhere Stromdichten erreicht werden. Darüber hinaus können die als Elektroden verwendeten porösen Graphit-Vliese mit Rutheniumpartikeln katalysiert und - um die Entstehung von Wasserstoff und Sauerstoff zu vermeiden - mit Niob beschichtet werden. Ziel der Elektrodenoptimierung ist die Verringerung der ohmschen Verluste in der Zelle, d.h. […] Erhöhung der Entlade- und Senkung der Ladespannung bei gleich bleibender Stromdichte. Hierzu wurden verschiedene Graphit-Vliese miteinander verglichen. Es wurde festgestellt, dass Carbon-Vliese bestehend aus Carbonfasern auf Basis des Polymers Polyacrylnitril (PAN), graphitiert bei einer Temperatur von 1900°C und anschließend 30 h in Luft getempert bei 400°C, akzeptable Eigenschaften aufweisen. Die wichtigste Anforderung an die Kontaktierung der Elektrode und Platte ist wieder ein möglichst geringer Übergangswiderstand. Das Vlies kann gegen die Platte gepresst werden. Damit der Kontaktwiderstand genügend klein wird, muss der Druck entsprechend hoch sein. Dadurch werden allerdings auch die Vliese zusammengedrückt und es entsteht für die Elektrolyte ein höherer Strömungswiderstand. Hinzu kommt, dass die Höhe des Drucks auf die Platten – auch in der Stackanordnung über die Schrauben – begrenzt ist, da undurchlässige Graphitplatten wie auch Glaskohlenstoffe brüchig sind. Skyllas-Kazacos und Mitarbeiter entwickelten deshalb einen leitfähigen Verbundwerkstoff aus thermoplastischen Kunststoffen (Polyethylen), thermoplastischen Elastomeren oder Synthese­kautschuken sowie leitfähigen Füllmaterialien (Graphitfasern und/oder Rußen). Die flexible, leitfähige Plastikplatte dient als Substrat für die Graphit-Vliese, die durch das Verfahren des Schmelzverbindens (heat bonding) miteinander verschweißt werden. Die Leitfähigkeit ist vergleichsweise hoch: Der spezifische Widerstand ist >100 mO·cm und <300 mO·cm. […] Bei einer End-Elektrode wird auf der Rückseite ein leitfähiges Metall (Kupfer) mit dem Substrat verschweißt. Um die hohe Leitfähigkeit von Graphit mit einem spezifischen Widerstand <10 mO·cm zu nutzen, entwickelten Qian et al. 2008 für eine flexible, 2 mm dicke Graphitplatte eine leitfähige Beschichtung (adhesive conducting layer). Die <0,3 mm dicke Schicht wird aus einer Mischung bestehend aus einem duroplastischen Kunststoff (Phenoplast), Ruß und Graphitpulver hergestellt, mit der dann das Graphit-Vlies verschweißt wird. Es wurde bei kleinem Anpressdruck ein niedriger Kontaktwiderstand zwischen Elektrode und Platte erreicht und die Beschichtung hinderte den Elektrolyten in die Graphitplatte einzudringen. Darüber hinaus schätzen Qian und Mitarbeiter die Kosten für ihre Bipolar-Platte niedriger ein als die für eine Carbon-Plastik-Platte, für die sie einen Preis von etwa 10 US$/kg angeben. 5.2.2, Membran: Die Protonen-Austausch-Membran (PEM) trennt die beiden Halbzellen bzw. Vanadium-Elektrolyt-Lösungen voneinander und ermöglicht den Transport der Wasserstoff-Kationen, wodurch das Ladungsgleichgewicht in der Zelle beibehalten wird. Der Protonentransport kann nicht beliebig schnell erfolgen, so dass auch die Membran die Höhe der Stromdichte begrenzt. Eine PEM ist ein Festelektrolyt bestehend aus einer dünnen Polymer-Folie. Nafion® der Firma DuPont ist ein in VRB's als Membran häufig verwendetes Produkt. Es weist eine ausgezeichnete chemische Stabilität auf und wird gewöhnlich auch in Brennstoffzellen und anderen elektrochemischen Systemen verwendet. Es besteht aus einem sulfonierten Tetra­fluorethylen-Polymer, durch das die Protonen transportiert werden, indem sie von einer Sulfonsäuregruppe zur nächsten hüpfen . Alternative PEM-Produkte sind u.a. Gore-Select® (Gore Tex, USA) oder Flemion® (Asahi Glass, Japan ). Die Forschung und Entwicklung an bzw. von PEM konzentriert sich einerseits auf die Verbesserung ihrer Eigenschaften bezüglich Lebensdauer und Verminderung von Crossover-Effekten – z.B. durch die Behandlung der Membran mit Silizium-Nanopartikeln – andererseits auf die Reduzierung ihrer Kosten. Die Nafion®-Membran kostet je nach Stärke 250-1000 US$/m² und ihr Anteil an den Gesamtkosten des VRB-Systems beträgt 10-15%. Eine kostengünstigere Alternative ist ein häufig in Bleiakkumulatoren eingesetzter ölgefüllter, mikroporöser Separator, der mit einem dünnen Kationenaustauschpolymer überzogen wird. Vorgeschlagen wird auch eine sulfonierte Membran auf Polystyrol-Basis. Solch eine Membran fand schon vor der Entwicklung des Nafion® in Brennstoffzellen Verwendung, hatte (damals) aber nur eine kurze Lebensdauer.

• Regenerative Energietechnik

• Redox-Flow-Batterie

• Flussbatterie

• RFB

• Flüssigbatterie

• Nasszelle

• Energiespeicher

• Stromerzeuger

• Windkraftanlage

• Vanadium-Redox-Flow-Zelle