Читать книгу: «Untersuchung des Einflusses technologischer Innovationen auf Stoffströme am Beispiel von Vanadium für Redox-Flow-Batterien»

2.3.1 Vanadium-Redox-Flow-Batteriespeicher

RFB gehören zu den elektrochemischen Energiespeichern. Elektrochemische Energiespeicher basieren auf dem Prinzip der galvanischen Zelle und der auf Redoxreaktionen basierenden Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie und Wärme (Mortimer et al. 2015). Die allen auf Redoxreaktionen beruhenden elektrochemischen Energiespeichern zugrundeliegende Gleichung ist nachfolgend dargestellt.

Abbildung 16 Redoxreaktion in elektrochemischen Energiespeichern

Die Entladung des elektrochemischen Speichers erfolgt durch die Umkehrung der Redoxreaktion. An zwei über einen Ionen- und einen Elektronenleiter getrennten Elektroden unterschiedlicher Polarität, finden die Teilreaktionen statt. Eine ionendurchlässige Membran trennt die zwei Halbzellen räumlich. Aus dem unterschiedlichen elektrochemischen Potenzial der Elektroden resultiert die Zellspannung. Durch Verbindung der Elektronenleiter findet die eigentliche Redox-Reaktion statt. Die Elektronen aus der Oxidation an der Anode gehen zur Reduktion an der Kathode über. Ein Ausgleich der unterschiedlichen Ladungen der Elektroden geschieht mit dem Ionenstrom durch Elektrolyt und Separator. Durch den externen Elektronenübergang und den internen Ionenaustausch wird der Stromkreis geschlossen und es fließt Gleichstrom, sodass sich die galvanische Zelle entlädt. Die Ladung des Akkumulators resultiert aus der Umkehrung des Prozesses, indem die chemischen Verbindungen unter Einwirkung elektrischen Stroms aufgespalten werden. Durch diese Elektrolyse nehmen die beiden Elektroden wieder unterschiedliche Potenziale an. (Kurzweil und Dietlmeier 2015), (Sterner und Stadler 2017), (Wesselak et al. 2013).

In der heutigen industriellen Anwendung finden sich sowohl Systeme auf Grundlage nichtreversibler Redoxreaktion (Primärzellen/Batterien) als auch reversibler Redoxreaktion mit begrenzter Zyklenanzahl (Sekundärzellen/Akkumulatoren) sowohl mit internem Speicher als auch mit externem Speicher. Ein externer Speicher hat den Vorteil einer unabhängigen Dimensionierung von Energie und Leistung durch entsprechend flexible Dimensionierung von Speicher- und Wandlereinheit. Für diesen Speichertyp steht exemplarisch das technisch am weitesten verbreitete Redox-Flow-System. Akkumulatoren mit internem Speicher werden zudem nach ihrer Betriebstemperatur in Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Akkumulatoren unterschieden (Wesselak et al. 2013). Primärzellen wie Batterien basieren auf nicht- oder nur in sehr begrenztem Umfang reversiblen Redoxreaktionen. (Sterner und Stadler 2017), (Wesselak et al. 2013)

Die Funktion der RFB basiert auf unterschiedlich geladenen und in wässrigen Lösungen vorliegenden Ionen. Energiespeicher und galvanische Zelle sind im Fall der RFB voneinander getrennt. Die im Niedertemperaturbereich arbeitenden RFB speichern die elektrische Energie extern. Die redoxaktiven Stoffe liegen in den meisten Verfahrenstypen von RFB in strömenden Medien vor (engl. Flow), die als namensgebende Grundlage für die Technologie dienen. Die wässrigen Lösungen sind aufgrund des unterschiedlichen Redoxpotenzials der enthaltenen aktiven Materialien der flüssige Energieträger des Systems und werden als Elektrolyt bezeichnet, in welchem – im Gegensatz zu Blei- oder Lithium-Ionenspeichern – die Energiespeicherung stattfindet. Die generellen Vorteile der Energiespeicherung mit einer RFB sind die unabhängige Skalierbarkeit von Energie und Leistung, der einfache Aufbau sowie der nicht vorhandene Memory-Effekt. Aufgrund der Lagerung der aktiven Materialien in externen Tanks tritt eine sehr geringe Selbstentladung auf. Damit eigenen sich RFB grundsätzlich als Speichersystem für Mittel- oder Langzeitanwendungen (Wesselak et al. 2013).

Das Grundprinzip der Redox-Flow-Batterietechnologie (dt. Flussbatterien) zur elektrochemischen Speicherung elektrischer Energie wurde 1949 in einem Patent von (Kangro 1949) beschrieben. Als gelöste Redoxpaare werden Cr³⁺/Cr²⁺ und CrO₄^2-/Cr³⁺ in einem wässrigen Elektrolyten durch räumliche Trennung an unterschiedlichen Elektroden entsprechend reduziert oder oxidiert. In den 1970er Jahren konkretisierte sich durch (Ashimura und Miyake 1971) die Redox-Brennstoffzellenkathode in Verbindung mit durchströmten porösen Kohlenstoffelektroden. Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) hat im Rahmen des 1973 gegründeten Lewis Research Center in mehreren Arbeitsgruppen (vgl. (Thaller 1974), (Hoberecht und Thaller 1981)) weiterführend verschiedene Redox-Paare und Elektrodenmaterialien für die RFB-Anwendung charakterisiert. Die Technologie wurde maßgeblich vor dem Hintergrund der Zwischenspeicherung von Solarenergie auf dem Mond weiterentwickelt. Einen genauen Überblick der technologischen Entwicklung im Zeitverlauf geben (Skyllas-Kazacos et al. 2011) sowie (Bartolozzi 1989). In den letzten 20 Jahren wurden unterschiedliche Varianten der Technologie in der Literatur diskutiert. Stellvertretend sind die Arbeiten von (Ponce de León et al. 2006), (Nguyen und Savinell 2010), (Weber et al. 2011), (Skyllas-Kazacos et al. 2011), (Leung et al. 2012), (Alotto et al. 2014), (Su et al. 2015a) sowie (Shiokawa et al. 2000) zu nennen. Mittlerweile sind nach (Tübke et al. 2015) und (Noack et al. 2015) 58 verschiedene Typen von RFB in der Fachliteratur beschrieben. Von diesen sind jedoch nur die Konzepte mit den Redoxpaaren Fe/Cr-, Zn/Br- und V kommerzialisiert (vgl. (Weber et al. 2011), (Perry und Weber 2016). Einen umfassenden Überblick zum aktuellen Stand der Forschung bieten (Winsberg et al. 2017).

Nach Definition werden Stoffe und Stoffgemische, in denen sich geladene Atome oder Moleküle frei bewegen können, als Elektrolyt bezeichnet. In der elektrochemischen Verfahrenstechnik werden Elektrolyte nach ihrer spezifischen Ionenleitfähigkeit in fünf Systeme unterteilt. Dabei sind Polymer-, Fest- und Gelelektrolyte sowie Salzschmelzen und Elektrolytlösungen voneinander zu unterscheiden. In der Prozesstechnik einer Redox-Flow-Batterie kommen grundsätzlich wässrige Elektrolytlösungen zum Einsatz, die durch Lösen von festen Salzen in einem flüssigen Lösungsmittel hergestellt werden. Elektrolytlösungen werden weiterhin je nach Art der eingesetzten Salze und Lösungsmittel in organische und anorganische Systeme gegliedert, wobei diese wiederum in wässrige und nicht-wässrige Systeme eingeteilt werden. (Schmidt 2004) Im Fall der RFB sind die genutzten Elektrolyte meist als wässrige Elektrolytlösungen zu charakterisieren. Nicht-wässrige RFB sind unter anderem in (Gong et al. 2015) und (Darling et al. 2014) näher beschrieben, besitzen jedoch ähnlich der organischen RFB aktuell keine Marktreife, obwohl vielversprechende Energiedichten erreicht werden können (vgl. (Zhang et al. 2018b), (Winsberg et al. 2017)).

Grundsätzlich werden im Betrieb von RFB zwei Elektrolyte in separaten Kreisläufen durch eine gemeinsame elektrochemische Zelle gepumpt. Eine Einzelzelle besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode) und einer ionenleitenden Membran, welche die unterschiedlich geladenen Elektrolyte (Anolyt und Katholyt) trennt. Die elektrische Energie wird somit in den Elektrolyten und nicht in den Elektroden gespeichert. Einzelzelle oder Zellenstapel werden als Leistungsteil des RFB-Systems bezeichnet. Höhere Spannungen können erzielt werden, in dem mehrere Einzelzellen zu einem Zellenstapel (engl. Stack) zusammengeschaltet werden. Im Stack findet bei Systembetrieb (Laden, Entladen, Laden) durch die Membran der Austausch oxidierbarer oder reduzierbarer Ionen im Anoden- und Kathodenraum statt. Der Elektronenübergang aus der Redoxreaktion wird an den Elektroden in Gleichspannung abgegriffen. Die Elektrolyte zirkulieren voneinander unabhängig durch die Halbzellen, die durch eine selektiv durchlässige Membran voneinander getrennt sind. In dieser galvanischen Zelle werden sie oxidiert beziehungsweise reduziert und geben elektrische Energie ab. Die Speicherleistung kann demnach über die Kontaktfläche der Elektrolyte mit der Membran skaliert werden. Die Elektrolyte sind außerhalb des Stacks in zwei getrennten Vorratstanks gelagert, die den Speicherteil darstellen. Diese Eigenschaft ist der wesentliche technischen Vorteil des RFB-Systems. Die Leistung einer RFB wird somit von der Zellgröße definiert, die Energiespeicherfähigkeit durch die Elektrolytspezifikationen und Menge. Leistung (kW) und Arbeit (kWh) können bedarfsorientiert individuell angepasst werden und sind unabhängig voneinander skalierbar. (Noack et al. 2015).

Das RFB-System kann mit unterschiedlichen Redox-Paaren betrieben werden. Hierzu zählen insbesondere Eisen-Titan-, Eisen-Chrom-, Zink-Chlor-, Zink-Brom, Natrium-Brom, Vanadium oder Brom-Polysulfid-Kombinationen. Nachfolgende Tabelle stellt die wichtigsten Typen der RFB und die Kombinationsmöglichkeiten von Anode, Kathode und Elektrolyt zusammen.

Tabelle 6: Verschiedene RFB-Typen und Eigenschaften, nach (Ulaganathan et al. 2016)

Hohe Lebensdauer und Zyklenfestigkeit sowie die Möglichkeit der Tiefenentladung sind weitere Vorteile. Nachteile der RFB sind die im Vergleich zu anderen Speichersystemen geringen Energie- und Leistungsdichten sowie instabile Elektrolyte, wodurch insbesondere bei kleinen Systemen und kurzen Speicherzeiten die spezifischen Energiekosten ungünstig sind (Kurzweil und Dietlmeier 2015). Die nachfolgende Tabelle zeigt einen Vergleich der RFB auf Basis relevanter Kenngrößen mit anderen elektrochemischen Speichersystemen sowie einem klassischen Pumpspeicher.

Tabelle 7: Vergleich elektrochemischer Speichertechnologien, eigene Darstellung

¹(Sterner und Stadler 2017), ²(Kim et al. 2019), ³(Noack et al. 2015), ⁴(Sauer et al. 2013), ⁵(Leuthner 2013), ⁶(Conrad et al. 2014), ⁷(Volterion 2019), ⁸(Mongird et al. 2019)

Falls unterschiedliche Elektrolyte und Redox-Paare eingesetzt werden, besteht zudem das Risiko der Kreuzkontamination und ein damit verbundener Energieverlust. Einfluss auf die zukünftigen Anteile der RFB im Energiesystem sind die Kosten der Stromspeicherung. Eine Strategie zur Realisierung der Kostensenkung ist die Senkung der Kosten der ausgespeicherten Energie, was durch die Erhöhung der Nutzungsdauer und die Verringerung der Herstellungskosten erreicht werden kann (Thielmann et al. 2017). Die flächenspezifische Leistungsdichte kommerzieller VRFB beträgt zwischen 50 und 100 mW/cm². Dies ist ungefähr um den Faktor zehn geringer als bei PEM-Brennstoffzellen (Noack et al. 2015). Im Gegensatz zu Brennstoffzellen können basierend auf den dargestellten technischen Grundlagen die Redox-Reaktionen jedoch elektrochemisch umgekehrt werden, womit RFB je nach Prozesstyp und Stromrichtung jede Art von elektrochemischen Energiewandlern und –speichern darstellen können (Noack et al. 2015).

Die Forschungsschwerpunkte im Bereich der RFB-Technologie können nach Anwendungsperspektive gegliedert werden. Ziele deren Einsatzes als Großspeicher für Netzdienstleistungen (z. B. Lastverschiebung) sowie die Skalierbarkeit auf große Leistungen und hohe Speicherkapazität (vgl. (Viebahn et al. 2014). Aktuelle Ansätze zur Steigerung der Energiedichte sind etwa organische RFB (vgl. (Leung et al. 2017)) oder Anodenkonzepte wie die Zink-Luft Flow Zelle (vgl. (Stock et al. 2019). Verbesserungen der Elektrodenmaterialien, z. B. durch vergrößerte Reaktionsoberflächen und geeignete Oberflächenaktivierung der Elektroden (vgl. (Langner 2016)) sowie die Weiterentwicklung der Ionenaustauschermembran (vgl. (Zeng et al. 2019), (Ding et al. 2013)) versprechen Fortschritte in der Leistungsdichte von RFB. Weiterer Forschungsbedarf zur Optimierung der Wandlerauslegung, um Bypass-Ströme und Pumpenverluste zu reduzieren besteht ebenfalls (vgl. (Alotto et al. 2014)). Die in Kapitel 1 dargestellte Forschungsfrage fokussiert das Prinzip des Vanadium-Redox-Flow-Speichers, sodass nachfolgend die technischen Grundlagen der VRFB konkreter dargestellt werden.

Die VRFB gilt als RFB-Typ mit dem aktuell größten industriellen Anwendungspotenzial, und wird kommerziell vertrieben. Die wachsende Anzahl der projektierten Demonstrationsobjekte belegt, dass die Technologie Marktreife erlangt (Alotto et al. 2014). Das Prinzip der VRFB wurde auf Grundlage der Arbeiten von (Sum und Skyllas-Kazacos 1985), (Sum et al. 1985) und (Skyllas-Kazacos 1986) an der University of New South Wales patentiert (vgl. (Skyllas-Kazacos et al. 1988)) und ist seit Mitte der 1980er Jahre der RFB-Typ mit der höchsten Forschungsintensität (vgl. (Cunha et al. 2015), (Alotto et al. 2014), (Noack et al. 2015), (Ulaganathan et al. 2016)). Auch wenn das Review von (Leung et al. 2012) bereits acht Jahre zurück liegt, so ist die Aussage zur nach wie vor fehlenden Marktdurchdringung begründet in den hohen Rohstoffpreisen für Vanadium immer noch gültig und wird in (Lourenssen et al. 2019) bestätigt. In (Lourenssen et al. 2019) wird ein Überblick zu allen Komponenten des VRFB-Typs und den aktuellen Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkten der Technologie zur Verfügung gestellt. Demnach sind insbesondere verbesserte Elektrolytzusammensetzungen, die Erhöhung der Energiedichte sowie die Verringerung der Kosten für den Durchbruch in kommerziellen Anwendungen notwendig. Nachfolgend wird das spezifische Prinzip der VRFB näher erläutert.

Das aufgrund der geringen Energie- und Leistungsdichte stationär angewendete VRFB-System ist ein RFB System, dessen elektrische Leistungsfähigkeit auf den Redox-Reaktionen gemischtvalenter Vanadiumelektrolytlösungen basiert. Auch die VRFB ist nach den Grundprinzipien einer RFB aufgebaut und nutzt die elektrochemischen Eigenschaften von Vanadium. Das Metall kann in acht Oxidationsstufen vorkommen (vgl. (Mortimer et al. 2015)), von denen vier für die Speicherung elektrischer Energie relevant sind. Die genutzten Elektrolytlösungen nutzen V⁴⁺/V⁵⁺ im Katholyt und V²⁺/V³⁺ im Anolyt als aktives Material. Die verfahrenstechnische Realisierung des Redoxpaars auf Basis eines chemischen Elements beugt Verunreinigungen des Elektrolyten durch Diffusion durch die Membran vor; Kreuzkontaminationen durch Fremdionen werden somit ausgeschlossen.

Wie in Kapitel 2.3.1 dargestellt, bestehen RFB grundsätzlich aus zwei Hauptkomponenten. Der Zellblock stellt die erste Komponente des Systems dar, in dem die Energieumwandlung in einer negativen (Anode) und einer positiven (Kathode) Zellkammer stattfindet. Anode und Kathode besitzen wiederum jeweils eine Elektrode aus Kohlenstofffilz oder Graphit. Die Elektrode stellt den Katalysator für den Elektronenaustausch an der Phasengrenze dar. Die Vanadiumionen gehen keine physikalische oder chemische Bindung mit der Elektrode ein und werden nicht an dieser adsorbiert. Die Vanadiumionen ändern die Oxidationsstufe und bleiben in Lösung (Schmidt 2004). Der Oberfläche der Elektrode wird durch Bildung von COOH-Gruppen eine Katalysatoreigenschaft zugewiesen. Die Funktionalisierung und Stabilisation der Elektrodenoberfläche ist seitdem Gegenstand der Forschung (Parasuraman et al. 2013). Als geeignete Separatoren kommen oberflächenbehandelte Anionen- und Kationenaustauschermembranen (Ding et al. 2013) zum Einsatz. Da die Lebensdauer des Speichers im Wesentlichen von der Beständigkeit der Membran abhängt, muss der Separator möglichst langzeitstabil gegenüber den Vanadiumelektrolyten sein (Kurzweil und Dietlmeier 2015). Insbesondere die Degradation der Membran durch das stark oxidierende V⁵⁺ ist eine Herausforderung, da dies zu einer Verschlechterung des Ionenaustauschs führen kann. Das aktuell eingesetzte Elektrodenmaterial ist auf Kohlenstoff- oder Graphitfilz und die Ionenaustauschermembran aus Nafion^® (vgl. (Aziz und Shanmugam 2017), (Chen et al. 2017b)) beschränkt. Diese weisen zwar die notwendige Resistenz auf, gehen jedoch mit höheren Kosten einher (Leung et al. 2012). Auch das Stack-Design konnte in den vergangenen Jahren vorangetrieben werden. So konnte durch die Arbeiten von (Seipp et al. 2015) und (Kopietz et al. 2015) eine Lösung zur technischen Umsetzung eines Stacks ohne Schraubverbindungen mit geschweißten Bipolarplatten aus einer Graphit-Kunststoffmischung realisiert werden. Das Risiko der Undichtigkeit wird ausgeschlossen und das Gewicht der Stacks um 90 Prozent reduziert. Die so robuster ausgelegten Stacks sparen Wartungs- und Anschaffungskosten und machen die VRFB wirtschaftlich konkurrenzfähiger.

Bestehend aus zwei separaten Elektrolyttanks, Pumpen, Schläuchen und einem Leistungsregulierungssystem, stellt das externe System die zweite Komponente dar (Dassisti et al. 2016). Während des Lade- und Entladeprozesses werden die Elektrolyte in den Stack gepumpt, der durch eine Ionenaustauschermembran von den Zellkammern getrennt ist. Die unterschiedlich geladenen Vanadiumelektrolyte werden dabei in zwei separaten Kreisläufen durch die Zelle gepumpt. Die Ein- und Ausspeicherung von Energie wird im unterschiedlichen Redoxpotenzial von Anolyt und Katholyt begründet. Die Anoden und Kathodenreaktion sind in nachfolgender Abbildung dargestellt:

Abbildung 17 Gesamtreaktion der VRFB-Zelle

Beim Entladevorgang strömt der Anolyt an der Anode vorbei, während V²⁺ zu V³⁺ oxidiert. Freiwerdende Protonen gehen durch die Ionenaustauschermembran zur Kathode über. Der dortige Reduktionsprozess nimmt die Protonen auf und V⁵⁺ in Form von VO₂⁺ wird zu Vanadium V⁴⁺, vorliegend als VO²⁺, im Katholyt umgesetzt (Komarnicki et al. 2017), (Kurzweil und Dietlmeier 2015). Das elektrische Gleichgewicht wird über die Migration der Protonen durch die Membran erreicht. Die elektrochemischen Reaktionen finden in den Halbzellen am inerten Elektrodenmaterial statt. Von dort wird der Strom zum Kollektor abgeleitet. In Abbildung 18 wird der Entladevorgang (schwarz) sowie der umgekehrt verlaufende Ladevorgang (orange) im Gesamtkontext des VRFB-Systems dargestellt:

Abbildung 18 Funktionsprinzip und Aufbau einer VRFB, eigene Darstellung nach (Kurzweil und Dietlmeier 2015), (Noack et al. 2015), (Weber et al. 2011)

Die größtmögliche Betriebsspannung der VRFB ist abhängig von der Zahl der in Serie geschalteten Zellen in einem Stack. Die Skalierung kann durch Vergrößerung der Elektrodengröße oder durch Hinzufügen weiterer Elektroden in jedem Stack mit monopolaren oder bipolaren Verbindungen erreicht werden. Die elektrische Leistung wird durch die Querschnittsfläche der Elektroden bestimmt. Die Energiespeicherkapazität hängt von der Konzentration der Vanadiumionen und dem absoluten Volumen des Elektrolyten ab.

Die Energiedichte des Batteriespeichers beschreibt das Verhältnis der gespeicherten Energie zu deren Masse oder Volumen. Im Vergleich zeigt sich eine grundsätzlich sehr geringe Energiedichte von VRFB, die bezogen auf die Masse etwa im Bereich von Bleibatterien liegt. Das System ist daher für stationäre Anwendungen geeignet. Die geringe Energiedichte, die bei marktfähigen Anwendungen je nach Systemkonfiguration zwischen 20 und 32 Wh/ kg (vgl. (Noack et al. 2015)) liegt, reicht für mobile Anwendungen nicht aus (vgl. Kapitel 2.3.2). Im Vergleich weist konventioneller Dieselkraftstoff 43 MJ/kg respektive 11.944 Wh/ kg auf (Hahne 2010), die Energiedichte aktueller Li-Ionen-Batterien bei Fahrzeugen liegt hingegen bei 250 Wh/kg (Placke et al. 2017). Auch wenn RFB-Optionen in Kombination mit Brennstoffzellen diskutiert (Menictas und Skyllas-Kazacos 2011) und grundsätzliche Potenziale für den Einsatz in Hybridfahrzeugen nachgewiesen wurden (Mohamed et al. 2009), ist die Technik im Mobilitätssektor nicht marktreif und konkurrenzfähig. Die geringe Energiedichte ist für stationäre und netzgebundene Anwendungen kaum hinderlich. Der Nachteil der geringen Energiedichte wird durch den technologischen Vorteil der Flexibilität, Zyklenfestigkeit, Entladetiefe und Lebensdauer der Energiespeicherung mit RFB kompensiert.

Mit jedem Zyklus findet in elektrochemischen Speichern eine Degradation der Kapazität statt. Die maximale Lebensdauer des Speichers kann somit in der maximalen Anzahl ihrer Zyklen – der sogenannten Zyklenlebensdauer – angegeben werden (Schoop 2013). Diese ist insbesondere bei VRFB mit rund 20.000 Zyklen wesentlich höher als bei anderen Speichertechnologien.

Auch im Hinblick auf Ladegeschwindigkeit, Tiefentladung und Überladung besitzt das System Vorteile. Aus technischen Gründen ist bei den meisten Systemen nur eine Teilentladung möglich. Die Entladetiefe entspricht der Differenz zwischen dem maximal und dem minimal zulässigen Ladezustand eines Akkumulators. Während Blei- oder Lithiumionenbatterien (LIB) nicht tiefentladen werden sollen, können RFB theoretisch zu 100 % entladen werden und reagieren relativ unempfindlich gegenüber Über- und Tiefentladung. (Sterner und Stadler 2017)

Weiterhin besitzt das VRFB-System den Vorteil, dass neben der elektrischen Ladung grundsätzlich auch ein mechanisches Laden durch den Tausch des Elektrolyten möglich ist. Dies eröffnet zudem die Option, in Zukunft bestehende Elektrolyte durch mögliche effektivere Redoxpaare bei Nutzung der bestehenden technischen Infrastruktur zu ersetzen.

Megatrends der Elektrifizierung des Energiebedarfs sowie der Ausbau der Anteile erneuerbarer Energieträger begünstigen die weitere Entwicklung und Markteinführung von Energiespeichern (IEA 2018). RFB und insbesondere die technisch am weitesten entwickelte VRFB können aufgrund der dargestellten Eigenschaften grundsätzlich im stationären Einsatz als dezentrale Großbatteriespeicher für Windparks oder Photovoltaikkraftwerke (vgl. (Turker et al. 2013b), (Alotto et al. 2014), (Mena et al. 2018), (López-Vizcaíno et al. 2017), (Papadopoulos et al. 2018), (Li et al. 2017c)), als lokale Kleinspeicher in Haus- oder Quartiersspeicheranwendungen zur Erhöhung des Eigenverbrauchsanteils der selbst erzeugten Solarenergie, aber auch als stationäre Kurzzeitspeicher in energieintensiven Betrieben genutzt werden. Dabei kann die Technologie je nach Bedarfsfall anwendungsspezifisch ausgelegt werden um sowohl für die Bereitstellung von Reserveleistung als auch als Netzstabilisator, als Bestandteil von Inselnetzen und zur Deckung von Lastspitzen (Peak Shaving) genutzt werden (Kamath et al. 2007). Die Realisierbarkeit großer Speicherkapazitäten und die kurze Reaktionszeit machen auch den Einsatz von RFB zum Spitzenlastausgleich, zur Spannungsunterstützung sowie zur Notstromversorgung möglich (Sterner und Stadler 2017). Der Anwendungsfall des Peak Shaving hat aktuell das relevanteste Anwendungs- und Entwicklungspotenzial (Joerissen et al. 2004), (Lucas und Chondrogiannis 2016), wobei, bedingt durch die genannte Skalierbarkeit des VRFB-Systems, grundsätzlich alle Ebenen der stationären Energiespeicherung bedient werden können (Thielmann et al. 2017).

Aus der Praxis kann das System von (Volterion 2019) exemplarisch genannt werden, welches eine Speicherkapazität von 13 kWh pro Modul aufweist und in verschiedenen Leistungsstufen zwischen 2,5, 5 und 10 kW im Dauerbetrieb beziehbar ist. Damit ist das Modul vergleichbar mit alternativen LIB-basierten Speicherlösungen, etwa des Anbieters Tesla, welcher ein vergleichbares Modul mit 13,5 kWh und 4,6 kW Leistung anbietet (Tesla 2020). Die Preise für beide Systeme sind nach (Enkhardt 2019) mittlerweile vergleichbar. Die Speicherkapazität des VRFB-Systems kann jedoch durch die Anzahl der Module beliebig vervielfacht werden.

Ein Beispiel für größere marktfähige VRFB-Systeme ist das System von CellCube mit 200 kW Leistung und 400 kWh Speicherkapazität (Resch et al. 2019) zu nennen. Für das VRFB-System werden hohe Zyklenanzahlen von > 15.000 angegeben, wohingegen LIB-Systeme je nach Temperatur- und Ladeprofilen Lebensdauern zwischen 1.000 und 5.000 Ladezyklen aufweisen (Sauer et al. 2013). Somit sind mit VRFB-Technologie bereits Anwendungen sowohl im Heimspeicherbereich, bei Ladestationen für Elektrofahrzeuge als auch im industriellen Einsatz etwa zur Lastspitzenreduktion oder auch in Verbundsystemen mit Wind- und Solarparks im Multimegawatt-Bereich realisierbar.

Heimspeicher werden insbesondere in Verbindung mit Photovoltaikanlagen eingesetzt. Die Speicherleistung dieser Systeme lag in Deutschland 2018 kumuliert bei 0,95 GWh mit stark steigender Tendenz. Insgesamt sind bis Ende 2018 125.000 Anlagen in Betrieb. Dominierende Technik stellen LIB-Systeme dar. (Figgener et al. 2019a) VRFB-Systeme haben im aktuellen Heimspeichermarkt noch keine kommerzielle Bedeutung. (Figgener et al. 2019b)

Die Angabe der installierten Leistung sowie Speicherkapazität in VRFB auf nationaler sowie globaler Ebene ist mit Unsicherheiten verbunden. Amtliche sowie belastbare wissenschaftliche Quellen, die diese Informationen transparent und mit nachvollziehbarer Datenbasis kontinuierlich ausweisen, sind nicht verfügbar. Aus der Auswertung der einschlägigen Veröffentlichungen resultieren entweder nur aggregierte Zahlen für alle elektrochemischen Energiespeicher (vgl. (REN21 2019), (IEA 2020)) oder gar keine spezifischen Angaben (vgl. (WEC 2019), (IEA 2019)). Der Einsatz von Batteriespeichern wird von (Munera und Fukui 2019) für das Jahr 2018 mit 8 GWh angegeben, eine Verdoppelung im Vergleich zu 2017. Die jährlich neu installierte Menge wird mit 85 % den LIB zugerechnet. (Munera und Fukui 2019) geben an, dass insbesondere VRFB eine potenzielle Alternative zu LIB darstellen und die Dominanz des Batteriespeichertyps angreifen könnten, ohne jedoch konkrete Zahlen dazu zu veröffentlichen. Zudem ist die frei verfügbare Datenbank des U.S. Department of Energy zu betrachten. Die Global Energy Storage Database bietet im wesentlichen forschungsrelevante Informationen über netzgekoppelte Energiespeicherprojekte. Die Angaben werden durch einen nicht weiter spezifizierten Review-Prozess verifiziert und nach eigenen Angaben monatlich überprüft (DOE 2020). Die Datenbank enthält Angaben zu unterschiedlichen Batteriespeichertypen. Zur Ermittlung der Zahl der global installierten VRFB-Speicherkapazität wurden die Daten ausgelesen und einer nochmaligen Detailrecherche unterzogen. Die eigene Auswertung und Valdierung der Daten mit Stand November 2019 ergab eine global in Betrieb installierte VRFB Speicherkapazität von 0,17 GWh. In Planung sowie in Bau befinden sich weitere 0,828 GWh Speicherkapazität von VRFB. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass allein ein VRFB-Speicherprojekt in Dalina (China) mit 0,8 GWh geplant ist (vgl. (Gillam 2020)). Die Angaben decken sich mit (Marscheider-Weidemann et al. 2016), die für den Stand 2016 annehmen, dass weltweit unter 1 GWh Speicherkapazität in VRFB installiert sind.

Das Konsortium des EU-Projekts BATSTORM gibt an, dass in den nächsten 10 Jahren die Gefahr eines Versorgungsengpasses mit Vanadiumoxiden auftreten könnte, wenn die erwartungsgemäße Installation von mehreren GWh Speicherkapazität durchgeführt wird (Ecofys 2018b). Eine genaue Quantifizierung der zu erwartenden Speicherkapazität wird von (Ecofys 2018b) nicht vorgenommen. In (Perles 2019) wird eine nicht weiter spezifizierte Hochrechnung des renommierten englischen Analysten Roskill⁴ zitiert, die nachfolgend dargestellt ist.

Abbildung 19 Prognose des Vanadiumbedarfs und der Speicherkapazität 2020-2030, eigene Darstellung nach (Perles 2019)

Die Vorhersage des zukünftigen Vanadiumbedarfs durch VRFB ist aufgrund der Preissensitivität zum Vanadiumpreis mit großen Unsicherheiten belegt. (vgl. (Perles 2019)). Je nach Szenario wird bis 2030 zwischen 1,3 und 5 GWh installierter Speicherkapazität durch VRFB weltweit ausgegangen. Die angegebenen Vanadiummengen sind jedoch nicht genau nachvollziehbar. Betrachtet man die Wertepaare aus Speicherkapazität und Vanadiummenge, würde eine Menge von rund 5 kg V/kWh angenommen. Dies ist praxisfern (vgl. Kapitel 2.3.2). Es daher davon auszugehen, dass in (Perles 2019) 5 kg V₂O₅ /kWh angenommen werden. Im weiteren Verlauf der Dissertation wird nur die Speicherkapazität als Parameter zur Einordnung genutzt und der daraus resultierende Vanadium-Gehalt über die Annahme eines Musterelektrolyten abgeleitet (s. Tabelle 16 sowie Kapitel 2.3.2). (Wong und Hackney 2019) nehmen für 2025 einen Vanadiumbedarf von 2.000 t V/a an. Unter Nutzung des Modellelektrolyten wäre damit im Jahr 2025 eine neu zugebaute Speicherkapazität von 0,71 GWh verbunden. (Marscheider-Weidemann et al. 2016) nehmen in einer Hochrechnung an, dass bis 2035 kumuliert 235 GWh VRFB-Speicherkapazität zugebaut werden. Daraus würde eine zusätzliche Vanadiummenge von jährlich 32.000 t bei Annahme einer Stoffmenge von 2,92 kg V/kWh resultieren, die zusätzlich zu den Anwendungen im Bereich der Eisen- und Titanlegierungen sowie der Nachfrage aus der chemischen Industrie bereitgestellt werden müsste. Die Annahme der 235 GWh ist jedoch unter Berücksichtigung der sonstigen Speicher als Extremannahme zu betrachten.

Tabelle 8: Auswertung Speicherkapazität in VRFB, eigene Darstellung

Der Vanadiumelektrolyt ist derjenige Bestandteil in der VRFB, der als potenziell rohstoffintensives System mit Zielkonfliktpotenzial im Zuge der nachhaltigen Energie- und Rohstoffwende zu betrachten ist. Die wichtigsten Eigenschaften des Vanadiumelektrolyten im Hinblick auf den Stand der Forschung und Technik werden nachfolgend beschrieben.