Strom aus erneuerbaren Energiequellen macht leistungsfähige Speichermethoden nötig. Eine Methode zur Energiespeicherung ist die Redox-Flow-Batterie, die elektrische Energie in flüssigen chemischen Verbindungen speichert.

Wenn Sonne und Wind als Energiequellen dienen, dann ist die Stromproduktion abhängig von der Wetterlage und schwankt dadurch stark. Um diese Fluktuationen auszugleichen, kommen Speichersysteme ins Spiel. Auch an der ZHAW School of Engineering forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Methoden, wie elektrische Energie zwischengespeichert werden kann, bis sie benötigt wird. Einer der Ansätze ist die Redox-Flow-Batterie (RFB), deren Weiterentwicklung im Zentrum von «FlowCamp» steht, einem Projekt des EU-Forschungsprogramms Horizon 2020. Beteiligt sind insgesamt 19 Hochschulen und Organisationen aus neun Ländern.

Zwei Materialkonzepte im Fokus

«Aus elektrochemischer und physikalischer Perspektive ähnelt die RFB einer Brennstoffzelle», erläutert Jürgen Schumacher, der das Projekt am Institute of Computational Physics (ICP) leitet. Sein Team arbeitet an der Modellierung und Charakterisierung elektrochemischer Zellen. «Bei einer RFB wird die Energie in flüssigen Elektrolyten in Tanks gespeichert. Die Flüssigkeiten aus zwei getrennten Kreisläufen werden dann in eine sogenannte 'Flow-Zelle' gepumpt, in der beim Entladevorgang durch eine elektrochemische Reaktion elektrische Energie freigesetzt wird.» Um herauszufinden, wie gut sich bestimmte Materialien dafür eignen, betrachten die Forschenden im Projekt unterschiedliche Design- und Materialvarianten. Jürgen Schumacher und sein Team untersuchen zum einen ein Wasserstoff-Brom-Konzept, zum anderen eine RFB, bei der organische Moleküle verwendet werden.

Simulationen statt Experimente

Am ICP ist man darauf spezialisiert, physikalisch basierte Computermodelle zu erstellen. «Wir erstellen sowohl für Wasserstoff-Brom-RFBs als auch für organische RFBs mathematische Modelle», erklärt Jürgen Schumacher. «Unser Ziel ist es, die Zellmodelle so zu entwickeln, dass sich nicht nur die elektrochemischen Prozesse, sondern auch die Transporteigenschaften in den Zellen simulieren lassen. So wollen wir Erkenntnisse zum Lade- und Entladeverhalten gewinnen.» Die Simulation mit dem Computermodell gibt dann beispielsweise Aufschluss darüber, welche Materialeigenschaften man verändern bzw. verbessern müsste, um die Effizienz beim Lade- und Entladevorgang zu erhöhen. Ausserdem können die Forschenden Flow-Zellen gezielt auslegen, um beispielsweise eine homogene Durchströmung mit Elektrolyt zu gewährleisten. «Unsere Simulationen geben konkrete Hinweise darauf, in welche Richtung sich die Weiterentwicklung lohnt. Im FlowCamp-Projekt arbeiten unsere Modellierungsexperten Hand in Hand mit Mitarbeitenden anderer Projektpartner, die auf die Herstellung und experimentelle Charakterisierung spezialisiert sind», sagt Jürgen Schumacher.

RFB als vielversprechende Alternative

Am Ende von FlowCamp soll feststehen, welche Materialkonzepte sich für welche konkrete Anwendung eignen. Deshalb beteiligen sich auch mehrere Batteriehersteller am Projekt. Welche Materialkonzepte sich durchsetzen werden und im grossen Massstab für eine industrielle Produktion in Frage kommen, lässt sich laut Jürgen Schumacher noch nicht absehen: «Am Markt spielen ja noch andere Dinge eine Rolle, als nur die Physik oder die Technologie.» Für den ZHAW-Forscher steht aber jetzt schon fest, dass das RFBs ein vielversprechendes Speichersystem darstellen, um Schwankungen in der Stromproduktion aufzufangen: «Wir wollen Energie in der Grössenordnung von Gigawattstunden in RFBs speichern. Das ist mit Lithium-Ionen-Batterien für die stationäre Energiespeicherung schwer abzubilden. RFBs haben zudem den Vorteil gegenüber Lithium-Ionen-Batterien, dass Energieinhalt und Leistung eines Speichersystems unabhängig voneinander skaliert werden können: Den Energieinhalt kann man durch die Grösse der Elektrolyt-Tanks skalieren, wogegen die elektrische Leistung von der Flow-Zelle bestimmt wird.»