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Solarstrom speichern

Vanadium-Redox-Flow bald Stromspeicher fürs Eigenheim

Vanadium-Redox-Flow (VRF) Solarspeicher-Technologie - bald auch fürs Eigenheim verfügbar. (Grafik: © VoltStorage)

Stromspeicher für Privathaushalte gelten als Schlüsseltechnologie, um selbstproduzierten Solarstrom rund um die Uhr verfügbar zu machen, dabei dominiert die Lithium-Ionen-Technologie. Nun könnte die in Großspeichern genutzte Vanadium-Redox-Flow-Technologie auch für Eigenheime verfügbar werden.

26.06.2018 – Über 1,5 Millionen Photovoltaikanlagen sind in Deutschland im Betrieb. Immer mehr Eigenheimbesitzer treibt der Wunsch an, mit Hilfe selbstproduzierter Solarenergie mehr Energie-Unabhängigkeit zu erlangen. Der Grad der erreichbaren Unabhängigkeit ist jedoch begrenzt, da Haushalte in der Regel nur bis zu 30 Prozent ihres Strombedarfs über die hauseigene PV-Anlage abdecken können. Der Grund ist einfach: Strom wird zumeist dann benötigt, wenn die Sonne nicht oder nur wenig scheint: in den Morgen- und Abendstunden. Stromspeicher gelten daher als Schlüsseltechnologie, um den Eigenverbrauch zu erhöhen und Solarstrom rund um die Uhr verfügbar zu machen. Die Entwicklung geht inzwischen soweit, dass jede zweite Photovoltaikanlage zusammen mit einem Stromspeichersystem installiert wird.

Noch vor wenigen Jahren konnten Eigenheimbesitzer zwischen zwei Systemlösungen wählen – zwischen Lithium- oder Blei-basierten Systemen. Aufgrund der hohen Selbstentladung und geringen Langlebigkeit von Blei-Systemen ist die Lithium-Ionen-Technologie aktuell die einzig gängige Speichertechnologie für Privathaushalte. So waren im vergangenen Jahr 98 Prozent aller neu installierten Heimspeicherlösungen Lithium-Systeme. Eine Entwicklung, die ungewöhnlich erscheint, wenn man andere Produktsparten wie z.B. Smartphones, TV-Geräte oder PKWs betrachtet, wo meist mehrere technologische Lösungen nebeneinander existieren und Endkunden eine Wahlmöglichkeit lassen. Im Heimspeichermarkt ist dies anders. Hier können Endkunden lediglich zwischen verschiedenen Anbietern wählen, jedoch nicht zwischen unterschiedlichen Lösungen.

Vanadium-Redox-Flow als Alternative zur Lithium-Ionen-Technologie

Blickt man auf das Großspeichersegment, gestaltet sich die Lage anders: Dort ist die Dominanz der Lithium-Ionen-Technologie deutlich geringer ausgeprägt, da seit Jahren eine weitere Speichertechnik gleichermaßen erfolgreich zum Einsatz kommt: die Vanadium-Redox-Flow (VRF) Technologie. Sie unterscheidet sich in erster Linie dadurch von anderen Speicherverfahren, indem elektrische Energie chemisch gespeichert wird – und zwar in einer Elektrolytflüssigkeit, die zu über 80 Prozent aus reinem Wasser besteht und gelöstes Vanadium als Hauptenergieträger enthält.

Vanadium ist ein häufig vorkommendes Übergangsmetall, das u.a. als Nebenprodukt bei der Herstellung von Eisen entsteht und in der Automobil- und Flugzeugindustrie zur Härtung von Metallen eingesetzt wird. Der Grundaufbau von VRF-Systemen sieht zwei Vanadium-Lösungen mit unterschiedlichen Oxidationsstufen vor, die sich in voneinander getrennten Flüssigkeitstanks befinden. Ein Pumpsystem sorgt dafür, dass der Vanadium-Elektrolyt in spezielle Batteriezellen fließt – daher auch der Teilname „Flow“. Dort kommt es bei Zufuhr elektrischer Energie zu chemischen Umwandlungsprozessen: In den negativen Batteriezellen erfolgt eine Reduktion der Elektrolytflüssigkeit, in der positiven Halbzellen dagegen eine Oxidation der Vanadium-Lösung, wovon sich der Teilname „Redox“ ableitet. Sobald die gespeicherte Energie abgerufen wird, kehrt sich dieser Prozess wieder um.

Erneuerbare Energien speichern

Großspeicherprojekte zur Speicherung Erneuerbarer Energien werden immer häufiger auf Basis der VRF-Technologie umgesetzt. Das prominenteste Beispiel ist dabei die größte Batterie Europas, die am Fraunhofer Institut in Pfinztal überschüssige Energie aus dem institutseigenen Windpark aufnimmt und bei Windflaute das gesamte Institutsgelände mit Strom versorgt. Drei Mal so groß ist die größte VRF-Batterie der Welt, die in Japan betrieben wird und bis zu 60 Megawattstunden Strom speichern kann – das entspricht dem durchschnittlichen Tagesstromverbrauch von 6.000 Haushalten. VRF-Systeme werden auch verstärkt in China eingesetzt, um den Energiebedarf der aufstrebenden Wirtschaft in höherem Maß mit regenerativen Energieformen abzudecken.

Ungeachtet der vielfältigen Anwendungsbeispiele der VRF-Technologie als Großspeichertechnik ist es bis dato nicht gelungen, die Technologie auch Privathaushalten zugänglich zu machen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Endkundenpreise für VRF-Heimspeichersysteme in der Vergangenheit sehr hoch ausgefallen sind und damit am Markt nicht konkurrenzfähig waren. Grund hierfür ist der Herstellungsprozess von Redox-Flow Batteriestacks, der seit jeher ausschließlich manuell durchgeführt wird – was die Produktion hoher Stückzahlen enorm kostenintensiv gestaltet. Das Münchner Unternehmen VoltStorage hat nun ein inzwischen zum Patent angemeldetes Herstellungsverfahren entwickelt, mit dem Redox-Flow Batteriestacks nicht mehr manuell, sondern vollautomatisiert gefertigt werden können. Das senke die Produktionskosten – und damit auch die Endkundenpreise – für VRF-Heimspeicher.

Vor- und Nachteile der VRF-Technologie für Privathaushalte

Dass diese Alternative gute Chancen hat, am Markt auch gegenüber der Lithium-Technologie zu bestehen, zeigen auch die besonderen Vorzüge der VRF-Technologie für Privathaushalte. So besteht das flüssige Vanadium-Elektrolyt ausschließlich aus nicht brennbaren Stoffen, so dass VRF-Systeme zu 100 Prozent nicht entflammbar sind und eine überdurchschnittlich hohe Betriebssicherheit aufweisen – ein nicht zu unterschätzender Vorteil für den Einsatz von Speichersystemen in sensitiven Umgebungen wie Privathaushalte. Zu erwähnen ist auch die hohe Langlebigkeit von VRF-Stromspeichern: Während bei anderen elektrochemischen Verfahren Metallablagerungen an den Batterieelektroden zu Kapazitätsverlusten führen, ist dieser auch als Dendritenbildung bekannte Vorgang bei VRF-Systeme vollständig auszuschließen. Dies bedeutet, dass VRF-Stromspeicher beliebig oft be- und entladen werden können, ohne dabei an Kapazität zu verlieren – was sie zu einer besonders langlebigen Speicheralternative macht. Darüber hinaus weisen VRF-Systeme eine hohe Recyclingfähigkeit auf. So lässt sich das im Elektrolyt gelöste Vanadium sehr energiearm recyceln. Nötig ist dafür eine Erhitzung der Elektrolytflüssigkeit auf lediglich 70 Grad. Diese sorgt dafür, dass sich das ursprünglich gelöste Vanadium am Boden absetzt und herausgefiltert werden kann – und das zu 100 Prozent.

Ab Mitte Juni 2018 bringt die VoltStorage GmbH den weltweit ersten kosteneffizienten Vanadium-Redox-Flow Stromspeicher für Privathaushalte auf den Markt. Angesichts der technologischen Vorteile und der erstmals kostenreduzierenden Stack-Produktion stehen die Chancen gut, dass sich die VRF-Technologie künftig als leistungsstarke Heimspeicher-Alternative zur Lithium-Ionen Technologie etablieren kann. Michael Peither


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