Entwicklungen auf dem Gebiet der Redox Flow Batterie

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1 Entwicklungen auf dem Gebiet der Redox Flow Batterie Dr. Peter Fischer, Dr. Jens Tübke, Dr. Karsten Pinkwart Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie Übersicht Notwendigkeiten Möglichkeiten der Energiespeicherung Unterschiede Anwendungsfelder Redox-Flow Batterie Speichertechnologie Redox-Flow Systeme Vanadium Redox-Flow Batterie Ausgewählte Demonstrationsprojekte Fazit Beitrag der erneuerbaren Energien in Deutschland 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 GW Verhältnis fluktuierender zu regelbarer Leistung heute: 1 zu : 1 zu 1,3 2050: 1 zu 0,5 1

2 Wie funktionieren Energiespeicher? Welche Technologien für Energiespeicher werden eingesetzt? Pumpspeicherkraftwerke (PH) Effizient topologische Anforderungen problematischer Ausbau Druckluftspeicherkraftwerk bisher wenig effizient Kompressorentwicklung notwendig besondere geologische Anforderungen Fraunhofer Vision Micro-CAES bisher nur Konzept Welche Technologien für Energiespeicher werden eingesetzt? Wie unterscheiden sich die Technologien für Energiespeicher? 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 Mittel-/Langfrist Pumpspeicherkraftwerke Druckluftspeicherkraftwerke Redox-Flow Batterien Bleibatterien Kurzfrist Bleibatterien Schwungradspeicher Kondensatoren Supraleitende Spulen 2

3 Welche Anwendungen gibt es für Energiespeicher? Weltweite Leistung von Energiespeichern Weltweite Leistung von großen Energiespeichern Welche dieser Technologien werden in Zukunft eingesetzt und wo? P u m p e d sto ra g e h y d ro e le c tric ity Wasserkraftwerke (PH) C o m p re sse 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 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 MW el L e a d -A c id B a tte ry Dezentral an Netzknoten / mittelgroße Einspeiser (Windanlage, große PV) Stand der Technik: Blei- / NaS-Batterien Zukünftig Redox-Flow Batterien über 99% der Energiespeicherleistung R e d o x -F lo w B a tte ry N ic k e l-c a d m iu m B a tte ry Lokal bei netzfernen Endkunden bzw. Kleineinspeisern (Dach-PV) Stand der Technik: Bleibatterien Zukünftig Lithium-Batterien 3

4 Anwendungsspektrum von Redox-Flow Batterien Redox-Flow Batterie Netzfern / Minigrid kw/kwh-bereich Langzeitspeicherung Verteilernetz MW/MWh-Bereich Netzmanagement Industrieller Einsatz Backup Power Lastmanagement Motivation hoher Wirkungsgrad >75 % Gesamtsystem lange Lebensdauer hohe Zyklenfestigkeit > flexibler Aufbau Trennung von Energiespeicher und wandler leicht skalierbar schnelle Ansprechzeit ms µs Überlade- und Tiefentladetoleranz geringer Wartungsaufwand keine Selbstentladung Redox-Flow Batterie Redox-Flow Batterie Funktionsprinzip Funktionsprinzip 4

5 Redox-Flow Batterie Redox-Flow Batterien Vergleich verschiedener Systeme Technologien Redox-Flow- Batterie (beide elektroaktiven Komponenten sind flüssig) Energieinhalt (Elektrolytvolumen) und Leistung (Größe des Reaktors) sind unabhängig voneinander skalierbar Vanadium Vanadium-Bromid +: V 4+ / V 5+ +: VBr3 / VBr2 + Br - -: V 3+ / V 2+ -: 2Br - + Cl - / ClBr2 s- -Filz, Graphit - Filz e-: C-Filz e-: C, Graphit Filz s: Polystyrensulfonsäure- s: NAFION 112 Membran Polysulfid-Bromid Uran +: 3Br - / Br3 - +: U 3+ / U 4+ -: S4 2- / 2S2 2- -: UO2 + / UO2 2+ e+: Graphit, act. C e-: Graphit, act. C e-: C s: NAFION 125 (kationisch) s: NAFION Eisen-Chrom Neptunium +: Fe 2+ / Fe 3+ +: Np3 + / Np4 + -: Cr 3+ / Cr 2+ -: NpO2 + / NpO2 2+ e-: C e-: C s: NAFION s: NAFION, K-501 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) Zink-Brom +: 3Br - / Br3 - -: Zn 2+ / Zn e-: Zink s: NAFION 125 Cer-Zink +: Ce +3 / Ce +4 -: Zn 2+ / Zn e-: Zink s: NAFION +: positiver Elektrolyt -: negativer Elektrolyt e+: positive Elektrode e-: negative Elektrode s: Separator Type Vanadium / Vanadium Vanadium / Bromine Iron / Chromium Polysulfide / Bromine 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.) ~ 800 1,40-1, % , % ~ 200 1,18 75 % ~ 800 1, % Zinc / Bromine 28 >100 ~ , % Uranium 1,00 Neptunium 1,00-1,10 Cerium / Zinc ,00-2,40 Lead 75 ~ ,00 EE Redox-Flow Batterien Vergleich verschiedener Systeme Vanadium Redox-Flow Batterie hydrogen generation V(2/3) Cr(2/3) Zn(2/0) S(0/1) oxygen generation V(4/5) Fe(2/3) Br(1/0) Ce(3/4) Ni(2/3) Mn(2/3) Entwicklungsziele Reduzierung der Anlagen- und Wartungskosten neue Elektrolytsysteme für höhere Energiedichten Elektrodenoptimierung für mehr Leistung Membranentwicklung für geringere Wartungskosten Elektrische Systementwicklung U [V] vs NHE Grafik: VDE Leitstudie

6 Fraunhofer ICT Stack-Design Vanadium - Elektrolyt 1 kw-stack 600 cm² aktive Fläche 22 Zellen V max. 60 A 1,5 kw Einfaches Stackdesign Integrierte Dichtungen Rahmen im Spritzguss hergestellt Temperaturfenster des Elektrolyten -5 C 40 C Vanadium - Elektrolyt Demonstrationsprojekte Vanadium als Handelsware Vanadium-(V)-Oxid (V 2 O 5 ) Ammoniummetavanadat Ferro-Vanadium Containersysteme (maximal 30kW) Teststände Home PV USV-Systems Schulungsanlage Häufigkeit des Elements Vanadium ~0,05% in der Erdkruste 6

7 Polysulfid-Bromid-Flow-Batterie Zink-Cer-Flow-Batterie - Versuchszellen 15 MW / 120 MWh (eingestellt 2003) Elektrolyt Methansulfonsäure Vorteil Mischbare Zellchemie Hohe Zellspannung Batterie ohne Membran möglich Nachteil Quelle: tva.gov Quelle: Quelle: Zinkabscheidung im Sauren schwierig Quelle: Plurion Vanadium Redox-Flow Batterie Vanadium Redox-Flow Batterie Container-Module 10kW-200kW/ kWh Nedo - Projekt 160 kw, 6h RFB mit Windrad Quelle: Cellstrom 7

8 Vanadium Redox-Flow Batterie Vanadium Redox-Flow Batterie Riso 15 kw 120 kwh (2007) Gills Onion Farm Prudent Anlage 600kW/ 3,6 MWh Projekt RedoxWind Fazit 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) Verschiedene Speicherprinzipien Elektrochemisch Chemisch Mechanisch Elektromagnetisch Es exisitert nicht der eine universelle Speichertyp! 8

9 Dr. Karsten Pinkwart Angewandte Elektrochemie Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie Joseph-von-Fraunhofer-Str Pfinztal Tel.: +49 (721) Fax: +49 (721) karsten.pinkwart@ict.fraunhofer.de Vielen Dank! 9