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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: [email protected]