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Hallo Welt!

Flow-Batterien: Definition, Vor- und Nachteile, Marktanalyse und Ausblick

Während Sie vielleicht mit traditionellen Batterietypen wie Blei-Säure, Ni-Cd und Lithium-Ionen vertraut sind, sind Flow-Batterien eine weniger bekannte, aber immer wichtigere Technologie im Energiespeichersektor.

In diesem Artikel untersuchen wir, was Flow-Batterien sind, ihre Vor- und Nachteile sowie den aktuellen Stand und die zukünftige Entwicklung des Marktes.

Was sind Flow-Batterien?

Man könnte meinen, Flow-Batterien seien eine neue Technologie, die erst in den letzten Jahren erfunden wurde.

Tatsächlich lässt sich die Entwicklung von Durchflussbatterien bis in die 1970er Jahre zurückverfolgen, als Lawrence Thaller von der NASA den ersten Prototyp dieses Batterietyps entwickelte. Mittlerweile haben sich Flow-Batterien zu einer vielversprechenden Technologie für bestimmte Solarenergiespeicheranwendungen entwickelt.

Die Zusammensetzung von Flow-Batterien

Schematische Darstellung einer Flow-Batterie
Die schematische Ansicht einer Flow-Batterie | Quelle: Science

Flow-Batterien umfassen typischerweise: drei Hauptkomponenten: der Zellstapel (CS), der Elektrolytspeicher (ES) und Hilfsteile.

Der Zellstapel (CS) einer Durchflussbatterie besteht aus Elektroden und einer Membran. Hier finden elektrochemische Reaktionen zwischen zwei Elektrolyten statt, bei denen chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Im Gegensatz zu herkömmlichen wiederaufladbaren Batterien werden die Elektrolyte in einer Durchflussbatterie nicht im Zellstapel um die Elektroden herum gespeichert; vielmehr sind sie es getrennt in Außentanks gelagert.

Neben den Tanks zur Speicherung von Elektrolyten umfassen weitere Hilfsteile einer Durchflussbatterie im Allgemeinen Rohre und Ventile zur Steuerung des Elektrolytdurchflusses, Pumpen zur Umwälzung von Elektrolyten, Sensoren zur Überwachung von Temperatur, Druck und Durchflussrate sowie ein Steuersystem.

Die Klassifizierung von Flow-Batterien

Flow-Batterien werden hauptsächlich anhand der elektrochemischen Reaktionen und der in den Elektrolyten verwendeten Materialien klassifiziert. Die wichtigsten Arten von Flow-Batterien sind:

  • Redox-Flow-Batterien (RFBs)
  • Hybrid-Flow-Batterien (HFBs)
  • Organische Flussbatterien (OFBs)

Unter den verschiedenen Typen sind einige bekannt Zu den Varianten gehören Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFBs) und zinkbasierte Flow-Batterien.

So funktioniert eine Flow-Batterie

Flow-Batterien funktionieren, indem sie Energie in chemischer Form in separaten Tanks speichern und elektrochemische Reaktionen zur Stromerzeugung nutzen.

Konkret enthält jeder Tank einer Durchflussbatterie eine der Elektrolytlösungen. Die Elektrolyte sind durchgepumpt einem Zellstapel, wo sie an in die Lösungen eingetauchten Elektroden vorbeiströmen. Diese Elektroden sind durch eine Membran getrennt, die den Durchgang von Ionen ermöglicht, aber die Vermischung der Elektrolyte verhindert.

Während des Ladevorgangs treibt eine externe Stromquelle wie Solarenergie die Oxidations-Reduktions-Reaktionen an (ein Elektrolyt verliert Elektronen, während der andere Elektronen aufnimmt) und speichert Energie in den Elektrolyten. Beim Entladen kommt es zu Rückreaktionen, bei denen die gespeicherte Energie als Strom freigesetzt wird.

Was sind die Vor- und Nachteile von Flow-Batterien gegenüber herkömmlichen?

Als neuere Batterieenergiespeichertechnologie weisen Flow-Batterien einige deutliche Stärken gegenüber herkömmlichen Batterien auf. Aber ohne Frage gibt es einige Nachteile, die einer breiten kommerziellen Anwendung entgegenstehen.

Vorteile von Flow-Batterien

Tiefentladefähigkeit

Flow-Batterien zeigen überlegene Entladungsfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Batterien, wie sie kann nahezu vollständig entladen werden, ohne dass es zu Schäden kommt die Batterie beschädigen oder ihre Lebensdauer verkürzen. Herkömmliche Batterien wie Blei-Säure- und Lithium-Ionen-GeräteBei häufiger Tiefentladung kann es hingegen zu einer verkürzten Lebensdauer und Leistungseinbußen kommen.

Bei Lithium-Ionen-Batterien können Sie davon ausgehen, dass sie nicht länger als 10 Jahre halten. Aber einige Flow-Batterien können bis zu 30 Jahre halten.

Langlebigkeit

Was die Lebensdauer aus chemischer Sicht betrifft, so speichern Flow-Batterien Energie in Elektrolyten und beinhalten reversible chemische Reaktionen, die Folgendes ermöglichen Entkopplung von Leistung und Energiekapazität – wiederholtes Laden und Entladen ohne nennenswerte Verschlechterung.

Im Gegensatz dazu sind die meisten gängigen Lithium-Ionen-Batterien bekannt leiden an Abbaumechanismen wie Lithiumplattierung, Wachstum passivierter Oberflächenfilmschichten auf Elektroden und Verlust von wiederverwertbaren Lithiumionen und Elektrodenmaterial, die sich alle negativ auf deren Langlebigkeit auswirken.

Darüber hinaus wird beim Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien eine gewisse Wärmemenge erzeugt und ihre Kapazität nimmt während des Ladevorgangs ab, was zu einer Verkürzung ihrer Gesamtlebensdauer führt.

Skalierbarkeit

Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien bieten Flow-Batterien eine bessere Skalierbarkeit, da sie die Energiekapazität einfach erhöhen können, indem den Tanks mehr Elektrolyte hinzugefügt werden. Lithium-Ionen-Akkus hingegen sind nur begrenzt skalierbar, da ihre Kapazität in erster Linie durch die Anzahl der Zellen im Akkupack bestimmt wird. Daher müssen Lithium-Ionen-Batterien möglicherweise komplett ausgetauscht oder weitere Modifikationen vorgenommen werden, um die Skalierung zu ermöglichen.

Langzeitlagerung

Dank ihrer Tiefentladefähigkeit und hervorragenden Skalierbarkeit zeichnen sich Flow-Batterien dadurch aus, dass sie Energie über einen längeren Zeitraum, von Stunden bis hin zu Tagen, speichern können. Im Gegensatz dazu haben Lithium-Ionen-Akkus eine typische Laufzeit von mehreren Stunden.

Flow-Batterie im Microgrid-Testfeld des INL
„Flow-Batterie am Mikronetz-Teststand des INL“ (Ausschnitt) von Idaho National Laboratory ist unter CC BY 4.0 DEED lizenziert.

Sicherheit

Im Gegensatz zu einige andere Arten von BatterienFlow-Batterien enthalten keine brennbaren Elektrolyte, was die Brand- oder Explosionsgefahr verringert. Das Design von Durchflussbatteriespeichersystemen ermöglicht die Installation der Speichertanks getrennt von der leitenden Zellmembran und dem Leistungsstapel, was die Sicherheit weiter erhöht.

Nachteile von Flow-Batterien

Niedrigere Energiedichte

Flow-Batterien bieten zwar Vorteile hinsichtlich entkoppelter Leistung und Energiekapazität, leiden jedoch unter einer geringeren Energiedichte aufgrund von Einschränkungen in der Löslichkeit aktiver Materialien und der Elektrodenkapazität. Die breiten Spannungsfenster nichtwässriger Elektrolyte in Durchflussbatterien kann sich auch auswirken ihre Energiedichte. 

Herkömmliche Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien wurden im Laufe der Jahre optimiert und nähern sich aufgrund der in ihren Kathoden und Anoden verwendeten Materialien ihren theoretischen Energiedichtegrenzen.

Höhere Anschaffungskosten

Flow-Batterien haben im Vergleich zu anderen Batterietypen aufgrund ihres komplexen Designs, das separate Tanks zur Speicherung von Elektrolyten, Pumpen, Leitungen und Steuerungssystemen umfasst, höhere Anschaffungskosten. Darüber hinaus erfordern ihre relativ geringen Lade- und Entladeraten den Einsatz erheblicher Materialmengen. Der Bedarf an verschiedenen Zusatzkomponenten in Verbindung mit der Verwendung kostspieliger Materialien, einschließlich Membranen und Elektroden, erhöht die gesamten Vorabinvestitionen, die für den Einsatz der Flow-Batterie-Technologie erforderlich sind, weiter.

Die Kosten können jedoch sein Offset durch ihre längere Lebensdauer und geringere Austauschkosten im Laufe der Zeit.

Was sind also die idealen Solaranwendungen für Flow-Batterien?

Flow-Batterien weisen gegenüber alternativen Batterietechnologien in mehreren Aspekten, darunter Speicherdauer, Skalierbarkeit und Langlebigkeit, erhebliche Vorteile auf, was sie besonders macht gut geeignet für große Solarenergiespeicherprojekte.

Diese Projekte werden entwickelt, um über einen längeren Zeitraum eine große Verbraucherbasis zu bedienen, mit dem Ziel, die Widerstandsfähigkeit und Flexibilität des Versorgungsnetzes zu stärken. Zu Bereitstellung zuverlässiger, sauberer Energie in großem Maßstab und zu wettbewerbsfähigen Kosten Während diese Projekte die intermittierende Natur der Solarenergie wirksam angehen, erfordern sie eine Energiespeichertechnologie wie die Flow-Batterie, die große Kapazität, stabile Leistung, eine längere Lebensdauer und außergewöhnliche Flexibilität bietet.

Da weltweit immer mehr große Solarprojekte umgesetzt und gebaut werden, wächst der Anwendungsbereich dieser Batterietechnologie immer weiter. Eine jährliche Wachstumsrate von 11.7 % Es wird prognostiziert, dass der weltweite Markt für Durchflussbatterien von einem Wert von 0.73 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023 auf beeindruckende 1.59 Milliarden US-Dollar bis Ende 2030 steigen wird.

Wichtige Akteure wie RedFlow, ESS Inc, UniEnergy Technologies und VRB Energy widmen sich der Entwicklung und Herstellung innovativer und effizienter Flow-Batteriesysteme. Sie haben maßgeblich zur weltweiten Einführung und zum Wachstum dieser Batterietechnologie im Bereich der erneuerbaren Energien beigetragen.

Sind sie ideal für Gewerbe- und Wohnprojekte?

Die Herausforderungen einer geringeren Energiedichte und hoher Anfangsinvestitionen schränken die Einführung dieser Technologie in Gewerbe- und Wohnprojekten in gewissem Maße ein.

Da für die Installation von Flow-Batterien viel Platz benötigt wird, entscheiden sich die meisten Solarprojekte für Wohngebäude natürlich für den Einsatz der Lithium-Ionen-Speichertechnologie mit höherer Energiedichte und kompaktem Design. Die hohen Anschaffungskosten im Gegensatz zu den relativ geringen finanziellen Gewinnen einer Photovoltaikanlage für Privathaushalte sind ebenfalls ein entscheidender Faktor, der deren Einführung in Privathaushalten verhindert.

Dennoch beginnen einige kommerzielle und industrielle (C&I) Projekte dank ihres modularen Designs, ihrer Skalierbarkeit und ihrer längeren Lebensdauer, Flow-Batterien zu bevorzugen.

Zusammenfassung

Bisher war es das vorherrschende Elektrolytmaterial in kommerziell erhältlichen Flow-Batterien Vanadium. Während Vanadium über zahlreiche Zyklen der Elektronenaddition und -entfernung hinweg eine hervorragende Haltbarkeit ohne nennenswerte Verschlechterung zeigt, stellen seine Seltenheit, die hohen Kosten und das komplexe Verarbeitungsverfahren Herausforderungen für den Einsatz dieser Batterien dar.

Die Forscher suchen nicht nur nach alternativen Materialien mit einer Leistung, die der von Vanadium ähnelt, sondern suchen auch nach alternativen Materialien sich auf die Verbesserung konzentrieren die Energiedichte, Effizienz und Gesamtkosteneffizienz von Durchflussbatterien, um ihre Wettbewerbsfähigkeit gegenüber herkömmlichen Batterietechnologien zu verbessern.

Zusätzliche Maßnahmen, wie z Modellierungsrahmen des MITwurden auch entwickelt und implementiert, um die Wirtschaftlichkeit von Flow-Batterien für Projekte besser zu verstehen und zu bewerten sowie den Einsatz zu beschleunigen.

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