Redox-Flow-Batterien

Netzspeicher für die Energiewende

KIT-Presseinformation 11.4.2018

Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT – http://www.kit.edu/) erwarten einen Durchbruch der Flow-Technologie und stellen ein automatisches Batterie-Management vor.

Die Redox-Flow-Batterie könnte ein entscheidendes Puzzleteil in den Energienetzen der Zukunft darstellen: Sie ist fast beliebig skalierbar, recyclebar und kann Energie stabil speichern. Zudem werden bei der Herstellung keine seltenen Rohstoffe benötigt. Allerdings mussten die Batterien bisher für jedes Anwendungsszenario neu angepasst werden. Zukünftig soll diese Aufgabe ein neuartiges Batterie-Management übernehmen, das Forscherinnen und Forscher am KIT entwickeln.

Für die Energiewende werden Lösungen benötigt, um die Energie aus der Solar- und Windstromproduktion dezentral zu speichern und schwankende Produktionskapazitäten auszugleichen. Zentralisierte Lösungen wie Pumpspeicherkraftwerke haben einen großen Platz- und Kapitalbedarf – am einfachsten wäre es, den Strom dezentral in Batterien zu speichern. Dabei gerät neben den etablierten Lithium-Ionen Batterien vor allem die innovative Redox-Flow-Batterie immer mehr in den Fokus, die elektrische Energie in flüssigen chemischen Verbindungen speichert. Häufig kommt dabei ein Vanadium-Elektrolyt zum Einsatz, das in Tanks in unterschiedlichen Oxidationsstufen gespeichert wird, während der Strom ähnlich wie bei der Brennstoffzelle an einer Membran produziert wird. Dabei bestimmt die Größe dieser Membran die Leistung (kW), die Energie (kWh) hängt wiederum von der Tankgröße ab, also der Menge der eingesetzten Flüssigkeit. Energie und Leistung können bei der Redox-Flow-Batterie demnach unabhängig voneinander skaliert werden. Diese fast unbegrenzte Skalierbarkeit prädestiniert die Redox-Flow-Batterie zum Netzspeicher für die Energiewende, etwa zur Verschiebung von Sonnenenergie für den Verbrauch während der Nacht.

Die Redox-Flow-Batterie eignet sich aber nicht für jede Anwendung. Aufgrund einer geringen Energiedichte sind die Batterien groß und schwer, für Elektronikgeräte oder Elektroautos sind leichte Lithium-Ionen-Akkus deshalb viel besser geeignet. „Bei der stationären Anwendung in großen und mittleren Modulen ist die Flow-Technologie aufgrund ihrer Skalierbarkeit aber überlegen“, sagt Professor Thomas Leibfried vom Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik des KIT. Außerdem sei das Vanadium für den gängigen Vanadium-Akkumulator eines der häufigsten Elemente, während die weltweiten Lithiumvorräte schon in wenigen Jahrzehnten ausgebeutet sein könnten. Für die Redox-Flow-Batterie spreche auch, dass sie feuersicher sei, weil ein „thermal runaway“, also eine unkontrollierte Erhitzung, ausgeschlossen werden kann. Zudem sei sie weniger giftig und auch ein Recycling sei im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterie kein Problem. Dass ein Durchbruch der Flow-Technologie bisher nicht erfolgt sei, liege vor allem an der Schwierigkeit, sie effizient einzusetzen, erläutert Leibfried. Während in die Steuerung von Lithium-Ionen-Batterien bereits Jahrzehnte der Entwicklung investiert werde, befinde man sich bei der Redox-Flow-Batterie noch ganz am Anfang. Aktuell müsse sie deshalb noch für jedes Anwendungsszenario baulich angepasst werden.

Um das zu ändern, hat Thomas Leibfried mit seiner Forschungsgruppe nun ein automatisches Batterie-Management entwickelt, das zurzeit als Prototyp in einem Vanadium-Akkumulator am KIT getestet wird. Es stellt sicher, dass die Redox-Flow-Batterie sowohl im Lade- als auch im Entladezyklus immer an ihrem effizientesten Punkt betrieben wird, egal wofür sie eingesetzt wird. Die momentane elektrische Effizienz werde dabei vor allem durch die Pumpgeschwindigkeit bestimmt, erklärt Thomas Lüth, der den ersten Prototypen der automatischen Steuerung selbst zusammengelötet hat: „Lasse ich die Pumpe schneller laufen, sinkt der Innenwiderstand und damit auch der Verlust bei der Energieumwandlung. Allerdings benötigt das System dann mehr Energie für die Pumpe.“ Je nachdem wieviel Leistung im Betrieb eingefordert oder eingebracht werde, steuere das neue Batterie-Management hier den idealen Kompromiss an. Eine weitere wichtige Komponente für einen effizienten Betrieb sei außerdem das thermische Management, weil auch eine Kühlung Energie kostet und zur richtigen Zeit erfolgen muss. Wenn der aktuelle Prototyp seine Funktionalität bewiesen hat, soll das Batterie-Management miniaturisiert werden: In einer marktreifen Version wird es dann auf einem Mikrochip Platz finden.

Ein automatisches Batterie-Management ist ein wichtiger Schritt, um den Durchbruch der Flow-Technologie voranzutreiben. Am KIT findet weitere Forschung zudem am Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT statt. Dort werden die Degradationsprozesse an der Membran untersucht, um die eingesetzten Materialien zu optimieren. Außerdem wird am KIT auch der praktische Einsatz der Technologie erprobt, so wird eine Redox-Flow-Batterie samt neuer Steuerung gerade in das „Energy Smart Home Lab“ des Verbundprojekts iZEUS (intelligent Zero Emission Urban System) eingebundenen. Die Forschung am KIT zur Flow-Technologie zielt insgesamt auf eine neue Generation effizienter Batterie-Module für die Massenproduktion, die am Aufstellungsort nur noch angeschlossen werden müssen.

Das Batterie-Management zum dezentralen Überwachen und Regeln von Redox-Flow-Batterien stellt das KIT vom 23. bis 27. April auf der Hannover Messe  in Halle 27, Stand K51 vor.

Batterien aus Bioabfall

Pressemitteilung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)

20.01.2016
Das neue kohlenstoffbasierte Material für Natrium-Ionen-Batterien kann aus Äpfeln gewonnen werden. (Abbildung: KIT/HIU)
Das neue kohlenstoffbasierte Material für Natrium-Ionen-Batterien kann aus Äpfeln gewonnen werden. (Abbildung: KIT/HIU)

Ein kohlenstoffbasiertes Aktivmaterial, das aus Apfelresten gewonnen wird, und ein Material aus Schichtoxiden könnten helfen die Kosten für zukünftige Energiespeicher zu senken. Beide zeigen exzellente elektrochemische Eigenschaften und stehen für umweltfreundliche und nachhaltige Nutzung von Ressourcen. In den Zeitschriften „ChemElectroChem“ und „Advanced Energy Materials“ stellen Forscher des Helmholtz-Instituts Ulm des Karlsruher Instituts für Technologie die neuen Materialien vor.

Natrium-Ionen-Batterien sind nicht nur deutlich leistungsstärker als Systeme wie Nickel-Metallhydrid- oder Bleisäure-Akkumulatoren, sondern repräsentieren auch eine Alternative zur Lithium-Ionen-Technologie, da ihre Ausgangsrohstoffe weit verbreitet, einfach zugänglich und kostengünstig sind. Daher sind Natrium-Ionen-Batterien eine äußerst vielversprechende Technologie für stationäre Energiespeicher, welche eine zentrale Rolle in der Energiewende einnehmen und damit einen äußerst attraktiven Markt in der Zukunft darstellen.

In der Entwicklung von Aktivmaterialien für Natrium-basierte Energiespeichersysteme ist dem Team um Professor Stefano Passerini und Dr. Daniel Buchholz am Helmholtz-Institut Ulm des Karlsruher Instituts für Technologie nun ein bedeutender Schritt gelungen. Für die negative Elektrode wurde ein kohlenstoffbasiertes Material entwickelt, welches aus Apfelabfällen gewonnen werden kann und exzellente elektrochemische Eigenschaften besitzt. Über 1000 Lade- und Entladezyklen mit hoher Zyklenstabilität und hoher Kapazität konnten bisher demonstriert werden. Diese Entdeckung stellt einen wichtigen Schritt zur nachhaltigen Nutzung und Verwertung von Ressourcen wie beispielsweise biologischer Abfälle dar.

Schematische Struktur der hergestellten Schichtoxide. (Abbildung: KIT/HIU)
Schematische Struktur der hergestellten Schichtoxide. (Abbildung: KIT/HIU)

Für die positive Elektrode wurde ein Material entwickelt, welches aus verschiedenen Schichten von Natriumoxiden besteht. Dieses Aktivmaterial kommt völlig ohne das teure und umweltschädliche Element Cobalt aus, welches heutzutage häufig noch immer ein wichtiger Bestandteil in Aktivmaterialien von kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien ist. Das neue Aktivmaterial, in dem die eigentliche elektrochemische Speicherung von Energie stattfindet, kann im Labor ohne Kobalt über Hunderte Zyklen die gleichen Leistungsdaten erreichen, wenn es um Effizienz, Zyklenstabilität, Kapazität sowie Spannung geht.

Mit diesen Materialien ist nun ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung kostengünstiger und umweltfreundlicher Natrium-Ionen-Batterien gemacht worden. Die Ergebnisse werden nun in zwei Fachmagazinen vorgestellt:

Europäisches Stromverbundziel

Pressemitteilung von Cornelia Ernst, Mitglied der Delegation DIE LINKE. im EP

über die Abstimmung des Industrieausschusses des Europaparlaments über den Bericht zur Erreichung des Stromverbundziels von 10 Prozent  (mit 56 Stimmen Mehrheit, drei Gegenstimmen und fünf Enthaltungen)

Brüssel, 10. November 2015

Im Rahmen der Europäischen Energieunion soll auch der Stromverbund zwischen den Mitgliedstaaten ausgebaut werden, mindestens auf 10 Prozent. Ich begrüße den heute abgestimmten Bericht, denn er fordert, dass der Strombinnenmarkt allen EU-Verbrauchern in Form von sinkenden Preise zugute kommt und sich nicht allein auf Großhandelspreise beschränkt. Bei der Bewertung des Bedarfs für den grenzüberschreitenden Leitungsausbau müssen die nationalen Netz-Kapazitäten bestmöglich genutzt werden. Vor allem aber sind intelligente Übertragungs- und Verteilnetze entscheidend, um einen wachsenden Anteil von dezentralisierten Energieprosumenten in den Markt zu integrieren.

Ob jedoch der weitere Ausbau erneuerbarer Energien in der EU gelingen kann, hängt nicht von der Frage des Leitungsbaus ab, sondern von dem nationalen Energiemix, für den sich die einzelnen Mitgliedstaaten entscheiden. Das gemeinschaftliche Ausbauziel für erneuerbare Energien liegt bei 27 Prozent – doch dafür gibt es nach 2020 keine nationalen Zielfestlegungen mehr. Wir brauchen hier mehr Verbindlichkeit in Form von nationalen Zielen – einmal, um den Ausbau unter den Mitgliedstaaten vergleichen zu können, und um bei Zielverfehlung Konsequenzen folgen zu lassen.

Mein Antrag, der mehr Anreize für den Ausbau von energieautarken Bürger-Projekten forderte, wurde leider mit einer knappen Mehrheit von vier Stimmen abgelehnt.

neue Fernleitungen?

Unter der Überschrift „Braucht die Energiewende neue Fernleitungen?“ stellt Matthias Diehl am 2.5.2015 fünft Thesen auf:

  1. Die konventionelle Energiewirtschaft versucht, Braunkohlekraftwerke künstlich am Netz zu halten.
  2. Wir werden in absehbarer Zeit bezahlbare Stromspeicher haben.
  3. Der billigste und sofort verfügbare Energiespeicher sind große Wassertanks.
  4. Auch im Süden muss die Wind- und die Sonnenenergie massiv ausgebaut werden.
  5. Wir brauchen einen flexiblen Strompreis an jeder Steckdose.

Er kommt zum Ergebnis:

Mit all diesen verschiedenen Maßnahmen kann es gelingen, ein Industrieland wie Deutschland nachhaltig mit 100% Erneuerbaren Energien zu versorgen. Mit all den volkswirtschaftlichen Vorteilen, die sich daraus ergeben. Ich hoffe, dass auch in der Politik allmählich die Erkenntnis heranreift, dass man die Zukunft weder mit Braunkohle noch mit Atomenergie gewinnen wird und dass große Fernleitungen weder ökonomisch noch technisch der richtige Weg dorthin sind.

Systemveränderung statt Klimawandel!

Linke Alternativen zu Kapitalismus und Klimakatastrophen

Gemeinsames Seminar von isl und RSB

wann?

Samstag, 8. November, u. Sonntag, 9. November 2014

wo?

Jugendherberge Wiesbaden

Themen:

  • Daniel Tanuro spricht über Klimawandel und ökosozialistische Alternative.
  • Wolfgang Pomrehn befasst sich mit Gabriels Rückwärtsrolle bei der Energiewende und beschreibt die Möglichkeiten, die in den erneuerbaren Energien stecken.
  • Birger Scholz referiert zu Verteilungsgerechtigkeit und Energiewende. Welches Strommarktdesign brauchen wir?

weitere Informationen

hier

Netzausbaupläne dienen der fossilen Energieerzeugung

Die Netzbetreiber rechnen auch künftig mit Dauerbetrieb von Kohlekraftwerken – trotz des Ausbaus der Erneuerbaren.

Die Agentur für Erneuerbare Energien (AEE) hat ein neues Vergleichsdossier über die mögliche Entwicklung der Volllaststunden von Kraftwerken in Deutschland erstellt.
Es zeigt, dass der Weiterbetrieb der fossilen Kraftwerke auch in Zukunft vorgesehen bzw. von den Übertragungsnetzbetreibern geplant ist.

Ausgangspunkt ist die Tatsache, dass in verschiedenen Studien Aussagen zur künftigen Auslastung von Kraftwerken gemacht werden. Die Gründe und Herangehensweisen der Studien sind unterschiedlich. Die Agentur für Erneuerbare Energien (AEE) hat diese verglichen und festgestellt, dass trotz steigender Kapazitäten bei den Erneuerbaren Energien vor allem die Übertragungsnetzbetreiber von einer sehr hohen Auslastung der Braunkohlekraftwerke ausgehen. Durch diese hohe Auslastung der Kohlekraftwerke wird immer öfter mehr Strom erzeugt, als in der Republik abgenommen wird. Dadurch sinken die Börsenpreise und die EEG-Umlage steigt – ebenso, wie die Netzbelastung.
Da Stromerzeugung und -abnahme übereinstimmen müssen, wird der überschüssige Strom exportiert.

Den Szenarien der Übertragungsnetzbetreiber zufolge werden sich diese Zusammenhänge trotz politisch proklamierter Energiewende in Zukunft nicht ändern. Auch im Jahr 2023 und 2033 rechnen die Netzbetreiber unter den gegenwärtigen Rahmenbedingungen im Strommarkt mit einer durchgängig hohen Auslastung insbesondere von Braunkohlekraftwerken und einer Zunahme des Stromexports. Im als am wahrscheinlichsten dargestellten Szenario B des Entwurfs für den Netzentwicklungsplan 2013 prognostizieren die Übertragungsnetzbetreiber, dass Braunkohlekraftwerke auch im Jahr 2023 fast rund um die Uhr laufen. Bei einer installierten Leistung von 17,6 Gigawatt würden sie 129,4 Terawattstunden Strom erzeugen. Rechnerisch liefen die Braunkohlekraftwerke an 7.371 Stunden im Jahr mit voller Leistung (= Volllaststunden). Das wäre sogar mehr als die rund 6.000 Volllaststunden im Jahr 2011, die sich aus den Angaben des Bundeswirtschaftsministeriums und der AG Energiebilanzen für die installierte Leistung und die Stromerzeugung von Braunkohlekraftwerken berechnen lassen (Demnach erzeugten Braunkohlekraftwerke mit einer installierten Leistung von 25 Gigawatt im Jahr 2011 rund 150 Terawattstunden Strom.) Hohe Volllaststunden sind ein Indikator dafür, dass Braunkohlekraftwerke auch dann noch auf voller Leistung laufen, wenn Sonnen- und Windenergieanlagen viel Strom produzieren.

Braunkohlestrom passt nicht zur Energiewende

Wenn allerdings gleichzeitig Strom aus Erneuerbare-Energien-Anlagen und Kohlekraftwerken im Netz transportiert werden muss, erfordert dies mehr Übertragungskapazität. „Im Umkehrschluss bedeutet das: Der erforderliche Netzausbau und die damit verbundenen Kosten bis 2023 könnten vermutlich geringer ausfallen, wenn das Übertragungsnetz neben der Stromeinspeisung aus Erneuerbaren Energien nicht noch zusätzlich eine quasi unverminderte Einspeisung des Kohlestroms ermöglichen müsste“, erklärt Philipp Vohrer, Geschäftsführer der Agentur für Erneuerbare Energien. „Werden konventionelle Kraftwerke nicht vom Netz genommen, wenn Erneuerbare-Energien-Anlagen einen Großteil der Nachfrage decken, entstehen Stromüberschüsse, die zum Beispiel zu negativen Preisen ins Ausland exportiert werden müssen. Das ist energiewirtschaftlich unnötig und widerspricht eklatant den Klimaschutzzielen“, kritisiert Vohrer.

Der aktuelle Netzentwicklungsplan der Übertragungsnetzbetreiber gibt den Stromexport im Szenario B für das Jahr 2023 mit 87 Terawattstunden an. (Zum Vergleich: Im Jahr 2012 exportierte Deutschland 66,6 Terawattstunden Strom ins Ausland.) Damit würde Deutschland sogar Frankreich überholen, dessen Exportmenge im Leitszenario für 2023 auf rund 84 Terawattstunden geschätzt wird.

Die Übertragungsnetzbetreiber erstellen den Netzentwicklungsplan jährlich seit 2012, um den zukünftigen Ausbaubedarf zu ermitteln. Auf Basis der oben genannten Annahmen kommen sie zu dem Fazit, dass bis 2023 rund 4.000 Kilometer neue Leitungen benötigt würden. Die Investitionskosten dafür beliefen sich auf 21 Milliarden Euro. Ein so modernisiertes Netz wäre in der Lage, nicht nur den Strom von Erneuerbare-Energien-Anlagen mit einer installierten Leistung von insgesamt 139,5 Gigawatt zu transportieren, sondern gleichzeitig auch den Strom aus den vorhandenen Kohlekraftwerken.

Das Deutsche Institut für Wirtschaftsforschung in Berlin (DIW) geht davon aus, dass insbesondere die geplanten neuen Stromautobahnen des Korridors A zwischen Nordrhein-Westfalen und Baden-Württemberg und des Korridors D zwischen dem Leipziger Raum und Bayern dazu beitrügen, Strom aus Kohlekraftwerken zu verteilen. „Sobald der Verdacht besteht, dass der Netzausbau nicht mehr vorrangig der Energiewende dient, sondern stattdessen die klimaschädliche Kohleverstromung manifestiert, wird die Glaubwürdigkeit der Netzausbaupläne beschädigt und die Akzeptanz für neue Stromleitungen schwindet“, warnt Vohrer.

Das vollständige Dossier mit Vergleichsgrafiken zu Volllaststunden-Prognosen einzelner Kraftwerkstypen ist auf der Internetseite des Forschungsradars Erneuerbare Energien abrufbar.

Der „Studienvergleich: Entwicklung der Volllaststunden von Kraftwerken in Deutschland“ kann auch hier heruntergeladen werden.

13.7.2013

Tarantel Nr. 60 (3/2013)

Tarantel_60
32 Seiten,
11 Abb.
Redaktionsschluss: 15.2.2013
Link zur Ausgabe

 

Inhaltsverzeichnis

Seite

Editorial

Abschied von Karin Lück 2
Einladung zum Bundestreffen 3

Gesellschaftsperspektive / Theorie

Sanft auftreten 4
Grüner Sozialismus und ‚gutes Leben’ 7

International

Gerichtsurteil verhängt Baustopp des Ilisu-Staudamms 11
Debakel in Doha: NGOs ohne Biss 13

Gedicht

Spitzbergen 17

Energie

Erneuerbare Energie ist mehr als Strom 18

Verkehr

Elektroautos – Rettung aus der Energiekrise oder kindliche Hoffnung? 21

Bücherecke

Klimawandel und Biodiversität – Folgen für Deutschland 23
Cattenom 24
Klimawandel im Bewußtsein 25
Der ökologische Bruch 26

Leserbrief

25
Warum ich nicht nach Bad Sachsa fahre 27

Autorenangaben

30

Impressum

30

Kontaktadressen

31