Bei einer Vanadium Redox-Flow Batterie oder auch Flussbatterie genannt, wird Energie mithilfe von Vanadium-basierten Elektrolyten gespeichert. Der mit Wasser verdünnte Elektrolyt wird in zwei Tanks mit unterschiedlicher Oxidationsstufe (Vanadium) gelagert. Die Tanks sind mit einem Wandler verbunden, dem sogenannten Stack. Dieser besteht aus gestapelten Zellen. Anders als bei z.B. Li-Ionen-Batterien sind Leistung und Kapazität bei der (Vanadium-)Redox-Flow-Batterie unabhängig voneinander skalierbar.
Vanadium Redox-Flow Technologie
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Wie funktioniert eine Vanadium-Redox-Flow-Batterie?
Der Begriff „Redox“ setzt sich zusammen aus Reduktion (Elektronenaufnahme) und Oxidation (Elektronenabgabe). Die Flussbatterie besteht im Grunde aus wenigen Komponenten: zwei mit Vanadium versetzten Flüssigkeitstanks und einem Wandler (Stack). Der Stack besteht aus mehreren elektrochemischen Zellen, die kompakt gestapelt sind. Eine Zelle ist durch eine Membran in zwei Halbzellen mit jeweils einer Elektrode geteilt. Die Spannung in einer Batterie ist abhängig von der Anzahl an Zellen in einem Stack, da man theoretisch beliebig viele in Serie schalten kann. Während der Stack also die Leistung einer Flussbatterie bestimmt, hängt die Kapazität von der Größe der Tanks bzw. des Volumens des flüssigen Elektrolyten ab.
Während des Ladevorgangs liegt das Vanadium zunächst in dem positiv geladenen Elektrolyttank als Verbindung in der Oxidationsstufe 4 und im negativ geladenen Elektrolyttank als Ion in der Oxidationsstufe 3 vor. Über ein Pumpsystem fließen beide Flüssigkeiten in einen Tank und werden dort durch die dünne Membran getrennt. Die Energiezufuhr hebt das Vanadium von der Oxidationsstufe 4 in die Oxidationsstufe 5 und spaltet dabei ein Elektron und ein Proton aus der oxidierten Vanadium-Verbindung. Auf der anderen Seite der Membran wird das Elektron dann an das in der Oxidationsstufe 3 befindliche Vanadium-Ion angefügt. Dadurch wird das Vanadium-Ion in seiner Oxidationsstufe von 3 auf 2 reduziert. Das Proton wandert währenddessen durch die Membran und sorgt für den Ladungsausgleich. Dadurch liegen die Verbindungen stabil und elektrisch neutral in beiden Tanks vor. Wird dieser Prozess umgekehrt, kann die in den Vanadium-Verbindungen gespeicherte Energie wieder freigesetzt werden, wobei der Vorgang in einem geschlossenen System beliebig oft wiederholt werden kann.
Negativ geladener Elektrolyttank
Positiv geladener Elektrolyttank
Wechselrichter
Batteriestack
Pumpsystem
Batteriemanagementsystem (BMS)
Pumpsystem
Die zwei Pumpsysteme an den negativen und positiven Elektrolyttanks sorgen dafür, dass die Vanadium-Flüssigkeit durch die Batteriezellen gepumpt wird.
Batteriestack
Der Vanadium-Elektrolyt wird für den Lade- und Entladeprozess durch Batteriezellen geleitet, den sogenannten Stack (Wandler). Dieser besteht aus gestapelten Zellen, wobei diese aus jeweils zwei Halbzellen bestehen und durch eine Ionen-durchlässige Membran getrennt sind.
Positiv geladener Elektrolyttank
Der Vanadium-Elektrolyt befindet sich im ungeladenen Zustand als Verbindung in der Oxidationsstufe 4. Beim Laden der Batterie oxidieren die Vanadium-Ionen und werden in die Oxidationsstufe 5 gehoben. Dadurch wechselt die Elektrolytlösung von einer blauen Farbe zu einer gelben Farbe.
Negativ geladener Elektrolyttank
Der Vanadium-Elektrolyt befindet sich im ungeladenen Zustand als Verbindung in der Oxidationsstufe 3. Beim Laden der Batterie kommt es zu einer Reduktion der Vanadium-Ionen, wodurch diese sich auf die Oxidationsstufe 2 reduzieren. Dadurch wechselt die Elektrolytlösung von einer grünen zu einer violetten Farbe.
Wechselrichter
Der Wechselrichter wandelt den beim Entladen der Batterie (Stack) generierten Gleichstrom in Wechselstrom um. Beim Laden der Batterie wird der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt. (Bidirektional)
Batteriemanagementsystem
Das Batteriemanagementsystem ist die elektronische Steuerungseinheit der Batterie. Es hat die Aufgabe, den Ladezustand der Batterie zu überwachen, die Energieentnahme zu regeln und den Batteriezustand zu diagnostizieren, um den sicheren Betrieb der Batterie sicherzustellen.
Wo werden Redox-Flow-Batterien eingesetzt?
Durch ihre große Flexibilität bei Skalierung der Leistung und Kapazität werden Vanadium Redox-Flow Batterien hauptsächlich für stationäre Anwendungen eingesetzt. Durch die lange Lebensdauer mit über 20.000 Lade und Entlade-Zyklen ohne Leistungsverlust eignet sich die Vanadium Redox-Flow Technologie besonders zur Speicherung erneuerbarer Energien wie Windkraft oder Sonnenenergie. Die VRFB wird häufig in einer Kombination aus selbst erzeugtem Strom, Lastspitzenkappung oder zur unterbrechungsfreien Energieversorgung eingesetzt. VRFB’s können auch als Notstromaggregat für kritische Infrastruktur wie Krankenhäuser oder Rechenzentren dienen.