Redox-Flow-Batterien haben gehörig Charme: Ihre Kapazität nimmt auch nach tausenden Zyklen nicht merklich ab, sie nicht brennbar und lassen sich in puncto Leistung und Kapazität genau auf den Bedarf auslegen. Sie brauchen keine kritischen Materialien, und ihre Elektrolyte können vollständig zurückgewonnen werden. Aber: Sie sind sehr teuer. Daher spielen sie auf dem Massenmarkt bislang praktisch keine Rolle.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT haben nach Angaben des Instituts den Materialeinsatz und die Kosten solcher Batterien jetzt massiv gesenkt, indem sie das »Herz« einer Redox-Flow-Batterie – den Stack – vollständig re-designt haben. „Der entwickelte Stack ist von den Materialkosten her 40 Prozent günstiger, auch die Produktionskosten konnten deutlich gesenkt werden“, sagt Christian Doetsch vom Fraunhofer UMSICHT. Der Stack wiege 80 Prozent weniger als ein herkömmlicher Stack und sei nur etwa halb so groß.
Zellen werden verschweißt
Üblicherweise bestehen die Stacks aus 160 gestapelten Komponenten, die mit einer Vielzahl von Schrauben und massiven Metallplatten zusammengehalten und mit zahlreichen Dichtungen abgedichtet werden. Ein Teil dieser Komponenten wird spritzgegossen und ist aufgrund der für den Spritzguß notwendigen hohen Drücke und Temperaturen spröde wie eine Bleistiftmine. Um dies zu umgehen, verwendet das Forscherteam zwar ähnliche Ausgangsstoffe, also Grafite und Ruße, ging aber auf andere Art und Weise an den Prozess heran: Pelletförmiger Kunststoff wird auf bis zu minus 80 Grad gekühlt, zu Pulver zermahlen und mit 80 Gewichtsprozent Graphit gemischt.
Das entstehende Pulver schickt das Forscherteam durch ein System aus mehreren Walzen mit verschiedenen Temperaturen und Geschwindigkeiten. Zwischen den Walzen wird das Pulver bei moderaten Temperaturen und geringen Drücken kurz aufgeschmolzen, geknetet, zu einer »Endlos-Platte« gewalzt und schließlich aufgerollt. »Das neue Material erhält dabei thermoplastische Eigenschaften, es ist also biegsam und verschweißbar, obwohl der Kunststoff nur einen Anteil von 20 Prozent hat«, erläutert Lukas Kopietz. Der Stack kommt somit ohne eine einzige Dichtung aus, auch Schrauben sind überflüssig – die Zellen werden einfach miteinander verschweißt.
Ein weiterer Vorteil: Über diese Methode lassen sich Bipolarplatten nicht nur deutlich schneller und damit kostengünstiger herstellen, es gibt auch keine Größenbegrenzung mehr. Bipolarplatten mit bis zu mehreren Quadratmetern sind problemlos möglich.
Fertigung im Pulver-zu-Rolle-Verfahren
Der zweite entscheidende Schritt war die Entwicklung eines kontinuierlichen Produktionsverfahrens: das Pulver-zu-Rolle-Verfahren, in dem die Bipolarplatten als Endlos-Rolle gefertigt werden. Auf diese Weise lassen sich sehr dünne Platten herstellen. Ist die Plattendicke beim Spritzgießen produktionsbedingt auf mehrere Millimeter begrenzt, kann sie beim Pulver-zu-Rolle-Verfahren zwischen 0,1 und 0,4 Millimeter dünn werden. Es ist also deutlich weniger Material notwendig, was den Preis wiederum senkt sowie leichtere kompaktere Stacks ermöglicht. »All dies verschafft ganz neue Möglichkeiten in der Konstruktion, die wir in der Volterion GmbH & Co. KG bis hin zur ganzen Batterie umgesetzt haben«, sagt Volterion-Mitgründer Thorsten Seipp. Mittlerweile hat Volterion bereits über tausend Stacks gebaut und verkauft.
Für diese Entwicklung erhalten Christian Doetsch und Lukas Kopietz vom Fraunhofer UMSICHT sowie Thorsten Seipp von der Volterion GmbH & Co. KG den Joseph-von-Fraunhofer-Preis. Das Preisgeld beträgt 50.000 Euro. Die Jury begründete ihre Entscheidung unter anderem mit »der Ausgründung und dem erfolgreichen Exit von Fraunhofer, die prototypisch den Weg der Vermarktung von neuen Fertigungstechnologien zeigen«.
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Das ist ja alles super, aber eider nicht greifbar.
Ist z.B. eine Anlage für ein kleines Unternehemn mit 60.000Wh jährlichem Energiebedarf konstant über das Jahr verteilt noch rentabel, wenn die Erzeugung nur aus PV, also vornehmlich im Sommer geschieht? Es fehlen Rechengrößen für das Speichervolumen und die Kosten pro gespeicherter kWh.
Ansonsten ist das ein toller Bericht.