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Entwicklungen auf dem Gebiet der Redox‐Flow Batterie

Dr. Peter Fischer, Dr. Jens Tübke, Dr. Karsten Pinkwart Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie

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Übersicht

Notwendigkeiten

Möglichkeiten der Energiespeicherung

Unterschiede

Anwendungsfelder

Redox-Flow Batterie

Speichertechnologie

Redox-Flow Systeme

Vanadium Redox-Flow Batterie

Ausgewählte Demonstrationsprojekte

Fazit

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Beitrag der erneuerbaren Energien in Deutschland

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Warum brauchen wir in Zukunft vermehrt Stromspeicher ?

Massiver Ausbau erneuerbarer Energien

bis 2030

Wind bis 50 GW

Solar bis 12 GW

bis 2050

Fluktuierende über 90 GW

Leistungsbedarf bei ca. 80-90 GW

Verhältnis fluktuierender zu regelbarer Leistung

heute: 1 zu 6

2030: 1 zu 1,3

2050: 1 zu 0,5

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Wie funktionieren Energiespeicher?

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Welche Technologien für Energiespeicher werden eingesetzt ?

Pumpspeicherkraftwerke (PH)

Effizient

topologische Anforderungen

problematischer Ausbau

Druckluftspeicherkraftwerk

bisher wenig effizient

Kompressorentwicklung notwendig

besondere geologische Anforderungen

Vision Micro-CAES

bisher nur Konzept

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Welche Technologien für Energiespeicher werden eingesetzt ?

Natrium-Schwefel-Batterie

Einsatz kritischer Materialien

hohe Temperaturen

Verluste

Bleibatterie

Stand der Technik

Kostengünstig

geringe Lebensdauer

wenig Entwicklungspotenzial

Redox-Flow Batterien

günstiges Scale-up

hoher Entwicklungsbedarf

hohes Entwicklungspotenzial

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Wie unterscheiden sich die Technologien für Energiespeicher?

Mittel-/Langfrist

Pumpspeicherkraftwerke

Druckluftspeicherkraftwerke

Redox-Flow Batterien

Bleibatterien

Kurzfrist

Bleibatterien

Schwungradspeicher

Kondensatoren

Supraleitende Spulen

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Welche Anwendungen gibt es für Energiespeicher?

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Weltweite Leistung von Energiespeichern

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über 99% der

Energiespeicherleistung

Weltweite Leistung von großen Energiespeichern

C o m p re s se d A ir E n e rg y S to ra g e

S o d iu m -S u lp h u r B a tte ry

L e a d -A c id B a t te ry

R e d o x -F lo w B a t te ry

N ic k e l-C a d m iu m B a tte ry

P u m p e d s to ra g e h y d ro e le c tr ic it yWasserkraftwerke (PH)

110 000 MWel

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Welche dieser Technologien werden in Zukunft eingesetzt und wo ?

Zentral im Netz / an großen Windparks

Zukünftig Druckluftspeicher im 2 bis 3-stelligen MW-Bereich (adiabate CAES, Micro-CAES)

Langfristig H2-GuD im 3-stelligen MW-Bereich

Dezentral an Netzknoten / mittelgroße Einspeiser (Windanlage, große PV)

Stand der Technik: Blei- / NaS-Batterien

Zukünftig Redox-Flow Batterien

Lokal bei netzfernen Endkunden bzw. Kleineinspeisern (Dach-PV)

Stand der Technik: Bleibatterien

Zukünftig Lithium-Batterien

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Netzfern / Minigrid

kW/kWh-Bereich

Langzeitspeicherung

Verteilernetz

MW/MWh-Bereich

Netzmanagement

Industrieller Einsatz

Backup Power

Lastmanagement

Anwendungsspektrum von Redox-Flow Batterien

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Redox-Flow Batterie

Motivation

hoher Wirkungsgrad

>75 % Gesamtsystem

lange Lebensdauer

hohe Zyklenfestigkeit

> 10.000

flexibler Aufbau

Trennung von Energiespeicher und –wandler

leicht skalierbar

schnelle Ansprechzeit

µs – ms‏

Überlade- und Tiefentladetoleranz

geringer Wartungsaufwand

keine Selbstentladung

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Redox-Flow Batterie

Funktionsprinzip

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Redox-Flow Batterie

Funktionsprinzip

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Redox-Flow Batterie

Technologien

Redox-Flow-

Batterie(beide elektroaktiven

Komponenten sind

flüssig)

Energieinhalt

(Elektrolytvolumen)

und Leistung (Größe

des Reaktors) sind

unabhängig

voneinander

skalierbar

Hybrid-Flow-

Batterie(eine elektroaktive

Komponente ist flüssig,

eine ist fest)

Energieinhalt ist

limitiert und steht im

festen Verhältnis zur

Leistung (Menge

feste elektroaktive

Komponente im

Reaktor)

Vanadium+: V

4+ / V

5+

-: V3+

/ V2+

e+: C-Filz

e-: C-Filz

s: Polystyrensulfonsäure-

Membran

Polysulfid-Bromid+: 3Br

- / Br3

-

-: S42-

/ 2S22-

e+: Graphit, act. C

e-: Graphit, act. C

s: NAFION 125 (kationisch)

Uran+: U

3+ / U

4+

-: UO2+ / UO2

2+

e+: C

e-: C

s: NAFION

Zink-Brom+: 3Br

- / Br3

-

-: Zn2+

/ Zn

e+: C

e-: Zink

s: NAFION 125

Cer-Zink+: Ce

+3 / Ce

+4

-: Zn2+

/ Zn

e+: C

e-: Zink

s: NAFION

Eisen-Chrom+: Fe

2+ / Fe

3+

-: Cr3+

/ Cr2+

e+: C

e-: C

s: NAFION

+: positiver Elektrolyt

-: negativer Elektrolyt

e+: positive Elektrode

e-: negative Elektrode

s: Separator

Vanadium-Bromid+: VBr3 / VBr2 + Br

-

-: 2Br- + Cl

- / ClBr2

s-

e+: C, Graphit - Filz

e-: C, Graphit – Filz

s: NAFION 112

Neptunium+: Np3

+ / Np4

+

-: NpO2+ / NpO2

2+

e+: C

e-: C

s: NAFION, K-501

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Type

Energy Density of Electrolyte

[Wh/L]

Current Density

[mA/cm²]

Power Density [W/m²

electrode]

Cell Voltage [V] (25°C, 1

mol/L electrolyte

conc.)

EE

Vanadium / Vanadium

30 80 ~ 800 1,40-1,60 70 – 90 %

Vanadium / Bromine

35-70 1,34 66 – 75 %

Iron / Chromium

40 40 ~ 200 1,18 75 %

Polysulfide / Bromine

80 60 ~ 800 1,52 60 – 75 %

Zinc / Bromine 28 >100 ~ 1000 1,85 65 – 75 %

Uranium 1,00

Neptunium 1,00-1,10

Cerium / Zinc 12-20 400-500 1200-2500 2,00-2,40

Lead 75 ~ 1000 2,00

Redox-Flow Batterien – Vergleich verschiedener Systeme

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Redox-Flow Batterien – Vergleich verschiedener Systeme

hydrogen generation oxygen generation

-1.0 0.0 1.50.5 2.01.0-0.5

U [V] vs.

NHE

Zn(2/0)Cr(2/3)

S(0/1)Fe(2/3) Br(1/0)

Mn(2/3)

Ce(3/4) Ni(2/3)

V(2/3) V(4/5)

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Vanadium Redox-Flow Batterie

Entwicklungsziele

Reduzierung der Anlagen- und Wartungskosten

neue Elektrolytsysteme für höhere Energiedichten

Elektrodenoptimierung für mehr Leistung

Membranentwicklung für geringere Wartungskosten

Elektrische Systementwicklung

Grafik: VDE Leitstudie 2009

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Fraunhofer ICT Stack-Design

1 kW-Stack

600 cm² aktive Fläche

22 Zellen

18 – 35 V

max. 60 A

1,5 kW

Einfaches Stackdesign

Integrierte Dichtungen

Rahmen im Spritzguss hergestellt

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Vanadium - Elektrolyt

Temperaturfenster des Elektrolyten

-5°C – 40°C

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Vanadium - Elektrolyt

Vanadium als Handelsware

Vanadium-(V)-Oxid (V2O5)

Ammoniummetavanadat

Ferro-Vanadium

Häufigkeit des Elements Vanadium

~0,05% in der Erdkruste

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Containersysteme (maximal 30kW)

Teststände

Home – PV

USV-Systems

Schulungsanlage

Demonstrationsprojekte

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Polysulfid-Bromid-Flow-Batterie

15 MW / 120 MWh (eingestellt 2003)

Quelle: tva.gov Quelle: www.electrosynthesis.com Quelle: www.twi.co.uk

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Zink-Cer-Flow-Batterie - Versuchszellen

Quelle: Plurion

Elektrolyt

Methansulfonsäure

Vorteil

Mischbare Zellchemie

Hohe Zellspannung

Batterie ohne Membran möglich

Nachteil

Zinkabscheidung im Sauren schwierig

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Vanadium Redox-Flow Batterie

Container-Module

10kW-200kW/100- 1000kWh

Quelle: Cellstrom

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Vanadium Redox-Flow Batterie

Nedo - Projekt

160 kW, 6h RFB mit Windrad

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Vanadium Redox-Flow Batterie

Riso

15 kW 120 kWh (2007)

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Vanadium Redox-Flow Batterie

Gills Onion Farm – Prudent Anlage

600kW/ 3,6 MWh

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Projekt RedoxWind

Entwicklung und Aufbau eines getriebelosen Windrades in Kombination mit einer Redox-Flow Batterie am Fraunhofer ICT

Schwerpunkt des Projektes ist die Anpassung einer WKA an den Betrieb mit einer RFB

Nutzung von Synergien / gemeinsamen Komponenten beider Anlagenteile

Entwicklung einer kostengünstigen Produktionstechnologie für den Stackaufbau in Zielgröße ca 35 kW (erste Ausbaustufe 9 kW)

Betriebsführung einer RFB an einem / mehreren WKA, mit Blick auf einen Inselbetrieb (nicht ausschließlich)

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Fazit

Verschiedene Speicherprinzipien

Elektrochemisch

Chemisch

Mechanisch

Elektromagnetisch

Es exisitert nicht der eine universelle Speichertyp!

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Vielen Dank!

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Dr. Karsten Pinkwart

Angewandte Elektrochemie

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie

Joseph-von-Fraunhofer-Str. 7

76327 Pfinztal

Tel.: +49 (721) 4640322

Fax: +49 (721) 4640318

Email: karsten.pinkwart@ict.fraunhofer.de