B.Eng. Alexander Hoppe
Datum des Kolloquiums: 03. November 2011
In Kooperation mit: Umwelttechnik
Aufgrund der zunehmenden Knappheit fossiler Energieträger ist die zukünftige Versorgung der Menschen mit Energie ein seit Jahren intensiv diskutiertes Thema. In Deutschland soll der Anteil des aus regenerativen Energien produzierten Stroms von aktuell etwa 17 % bis 2020 auf mindestens 35 % gestei-gert werden. Da viele regenerative Energiequellen allerdings stark fluktuieren, wird weltweit an wirkungsvollen Energiespeichern geforscht, die diese Schwankungen ausgleichen können.
Auch die Automobilbranche befindet sich in einem Wandel. Für die herkömmlichen Diesel- oder Ottomotoren müssen umweltfreundliche Alternativen ge-funden werden. So sollen im Jahr 2020 über eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren. Um die Fahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, sind ebenfalls leistungsfähige Energiespeicher notwendig.
Im Rahmen der Bachelorarbeit wurde die Redox-Flow-Technologie als Energiespeicher betrachtet. Ziel der Arbeit war es, den aktuellen Entwicklungsstand darzustellen und zu überprüfen, ob die Technologie das Potenzial für den Einsatz im Bereich der Elektromobilität aufweist.
Redox-Flow-Batterien (RFBs) sind wiederaufladbare chemische Energiespei-cher, deren Entwicklungsgeschichte bereits Mitte des 20. Jahrhunderts begann. Wie in Abbildung 1 zu erkennen ist, bestehen sie aus einer Energiewandler-Einheit (Zelle) und zwei getrennten Tanks, die jeweils eine Elektrolytflüssigkeit enthalten. Diese Flüssigkeiten werden mittels Pumpen durch die Zelle geleitet. In der Zelle befindet sich eine Membran, die nur bestimmte Ionen (als Träger des Stromflusses) durchlässt. Auf beiden Seiten der Mem-bran sind Elektroden angeordnet, an denen die kritischen Reaktionen ablaufen. Die Zellspannung der Batterie ist dabei von der Differenz der Normalpotentiale der eingesetzten Elektrolytmaterialien abhängig.
Durch ihren besonderen Aufbau können RFBs für viele verschiedene Anwendungen angepasst werden. Die Leistung der Batterien lässt sich durch die Größe und die Anzahl der Zellen verändern und das Volumen der eingesetzten Elektrolytflüssigkeiten bestimmt die zur Verfügung stehende Energiemenge.
Am weitesten verbreitet ist die Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRB), die bereits von verschiedenen Herstellern angeboten wird. Auch im Rahmen der Forschungen an der Redox-Flow-Technologie erhält die Vanadium-Variante die meiste Aufmerksamkeit.
Um die Vanadium-Redox-Flow-Technologie hinsichtlich der Einsetzbarkeit im Bereich der Elektromobilität zu überprüfen, wurde im ersten Schritt ein ent-sprechender Speicher für einen Windenergiepark ausgelegt. Auf Grundlage der ermittelten Daten wurde dann der Transport der aufgeladenen Elektrolytflüssigkeiten zu einer Tankstelle betrachtet. Im Fokus standen hier sowohl der Transport per LKW, als auch per Rohrleitung. Im letzten Schritt wurde die mobile Nutzbarkeit der VRB-Technologie in Elektrofahrzeugen überprüft.
Die Ergebnisse der Bachelorarbeit zeigen, dass die Redox-Flow-Technologie aktuell noch nicht für einen Einsatz im Bereich der Elektromobilität geeignet ist. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Diesel- und Ottokraftstoffen bieten die Elektrolytflüssigkeiten eine zu geringe Energiedichte. Damit ist ein Transport der Flüssigkeiten über größere Entfernungen nicht wirtschaftlich durchführbar. Ferner wäre eine entsprechende Batterie für ein Elektrofahrzeug noch zu groß und zu schwer.
Allerdings könnten die Vanadium-Redox-Flow-Batterien durch intensive Forschung und Entwicklung eine Alternative zu Lithium-Ionen Akkumulatoren werden. Das mechanische Betanken eines Elektroautos durch den Austausch der Elektrolytflüssigkeiten wäre deutlich schneller als der elektrische Ladevorgang. Außerdem würde dadurch die Flexibilität von Elektrofahrzeugen wesentlich erhöht werden.