Eine Redox-Flow-Batterie ist eine wiederaufladbare Energiespeicher-Technologie für mittlere bis größere Leistungen. Anders als bei vielen geschlossenen Akkuzellen befinden sich die aktiven Stoffe in Flüssigkeiten, die aus getrennten Behältern durch eine Reaktionszelle gepumpt werden.
Die Bezeichnung „Redox“ verbindet Reduktion und Oxidation. Bei der Reduktion werden Elektronen aufgenommen, bei der Oxidation abgegeben. Beide Teilvorgänge bilden zusammen die Redoxreaktion, auf der die Speicherung und Freisetzung elektrischer Energie beruht.
Aufbau und Komponenten
Das System arbeitet mit zwei getrennten Elektrolytkreisläufen. Jeder Kreislauf umfasst einen Behälter, eine Pumpe und eine Halbzelle. Die flüssigen Elektrolyte strömen an Elektroden vorbei. Zwischen den Halbzellen befindet sich eine Membran, die einen gezielten Ionentransport ermöglicht und eine unmittelbare Vermischung der Flüssigkeiten begrenzt.
Die Elektroden nehmen an der Reaktion teil, ohne zwingend selbst als Speichermaterial verbraucht zu werden. Beim Laden wandelt das System elektrische in chemische Energie um. Beim Entladen läuft die Reaktion in umgekehrter Richtung und stellt eine nutzbare Spannungsdifferenz bereit.
Elektrolyte zirkulieren
Pumpen fördern die beiden Flüssigkeiten aus separaten Tanks durch ihre jeweiligen Halbzellen.
Redoxreaktion findet statt
An den Elektroden werden Elektronen übertragen; die beiden Reaktionen laufen räumlich getrennt ab.
Ionen passieren die Membran
Der Ionenaustausch gleicht Ladungen aus, während die Elektrolyte weitgehend getrennt bleiben.
Strom fließt im äußeren Kreis
Beim Entladen bewegen sich Elektronen über den angeschlossenen Stromkreis und liefern elektrische Energie.
Leistung und Kapazität getrennt skalieren
Ein wichtiges Merkmal ist die konstruktive Trennung von Leistung und Speicherkapazität. Die Größe und Anzahl der Zellstapel beeinflusst vor allem die abrufbare Leistung. Die Menge und Zusammensetzung des Elektrolyten sowie das Tankvolumen bestimmen dagegen wesentlich die Speicherkapazität.
Damit lässt sich die Dauer der Energieabgabe erweitern, ohne alle elektrochemischen Komponenten im gleichen Verhältnis vergrößern zu müssen. Zusätzliche Tanks, Pumpen und Rohrleitungen erhöhen allerdings den Platzbedarf und den technischen Aufwand.
Elektrolyte und Energiedichte
Für Redox-Flow-Systeme kommen unterschiedliche Elektrolytchemien infrage. Häufig werden vanadiumbasierte Lösungen eingesetzt; daneben existieren weitere anorganische und organische Ansätze. Die Wahl der Chemie beeinflusst Zellspannung, Temperaturbereich, Materialverträglichkeit, Energiedichte und Betriebsführung.
Im Vergleich zu kompakten Akkuzellen ist die Energiedichte meist niedriger. Ein direkter Vergleich mit einem Bleiakku hängt jedoch von Zellchemie, Systemgrenze und Betriebsbedingungen ab. Für die Planung zählt deshalb nicht allein das Elektrolytvolumen, sondern die gesamte Anlage einschließlich Tanks, Pumpen, Zellstapeln und Leistungselektronik.
Typische Anwendungen
Redox-Flow-Batterien eignen sich besonders dort, wo Energie stationär über längere Zeiträume gespeichert und wiederholt bereitgestellt werden soll. Dazu gehören Quartierspeicher, Speicher für Photovoltaikanlagen sowie Puffer in der Stromversorgung.
Auch in USV-Systemen kann die Technik eingesetzt werden. Für kompakte mobile Geräte oder Fahrzeuge ist sie wegen Tanks, Pumpen und niedrigerer volumetrischer Energiedichte gewöhnlich weniger naheliegend. Kleinere stationäre Ausführungen können prinzipiell auch als Heimspeicher ausgelegt sein.
Eigenschaften richtig bewerten
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad umfasst nicht nur die elektrochemische Zelle. Auch Pumpen, Steuerung und Leistungselektronik benötigen Energie. Die tatsächliche Effizienz ist daher vom Lastpunkt und von der Systemauslegung abhängig.
Zyklen und Selbstentladung
Da die Speichermedien flüssig sind und die Elektroden nicht zwingend als aktives Material verbraucht werden, können viele Systemkonzepte eine hohe Zahl von Ladezyklen erreichen. Aussagen über eine vollständig fehlende Selbstentladung sind jedoch zu pauschal: Nebenreaktionen, Stofftransport durch die Membran und Hilfsenergie können den gespeicherten Energieinhalt beeinflussen.