Organische Flussbatterien für günstige Windstromspeicher

Je mehr Strom aus Wind und Sonne gewonnen wird, desto wichtiger werden Stromspeicher, um die vom Wetter abhängige, schwankende Stromerzeugung auszugleichen. Hohe Wirkungsgrade von über achtzig Prozent und schnelle Reaktionszeiten bieten sogenannte Flussbatterien. Erste Anlagen, die mit metallischen Salzen und relativ teurem Vanadium arbeiten, wurden bereits entwickelt. Nur ein Drittel der Kosten erwarten nun Wissenschaftler, die eine solche Redox-Flow-Batterie ganz ohne Metalle konstruiert haben. Einen Prototyp ihres Stromspeichers präsentieren sie in der Fachzeitschrift „Nature“.

„Sichere und günstige Flussbatterien könnten eine sehr wichtige Rolle für eine Stromversorgung aus erneuerbaren Energiequellen spielen“, sagt Michael Aziz von der Harvard University in Cambridge. Zusammen mit seinen Kollegen verwendete er spezielle organische Verbindungen, sogenannte Chinone, die sich sehr gut für eine elektrochemische Stromspeicherung eignen. Der Prototyp des Systems bestand aus zwei kleinen Tanks, jeweils gefüllt mit einer Lösung aus elektroaktiven Substanzen. Diese Flüssigkeiten wurden in eine elektrochemische Zelle gepumpt, die in der Mitte von einer Membran in zwei Teilzellen getrennt wurde. In eine Halbzelle floss die chinonhaltige Flüssigkeit, in die andere eine Bromidlösung. Positiv geladene Ionen wanderten durch die Membran, während sich zeitgleich negativ geladene Elektronen durch einen angeschlossenen Stromkreis bewegten.

Konstruktion aus zwei aufrecht und parallel zueinander stehenden, metallisch glänzenden, dicken Scheiben. Links und rechts ragen Kabel darau hervor, die zu zwei zylindrischen Behältern im Hintergrund führen.
Prototyp der neuartigen Flussbatterie

In weiteren Versuchen luden und entluden die Forscher ihre organische Flussbatterie und erreichten dabei relativ hohe Leistungsdichten von sechshundert Milliwatt pro Quadratzentimeter. Nach 15 Ladezyklen konnten sie keinen nennenswerten Leistungsverlust feststellen. Für den praktischen Einsatz müssten die Batterien allerdings bis zu 10 000 Ladezyklen lang zuverlässig funktionieren. Flussbatterien mit metallischen Salzen konnten diese Langlebigkeit bereits unter Beweis stellen. Aziz ist optimistisch, dieses Ziel auch mit seiner Chinon-Bromid-Flusszelle bald zu erreichen.

Einen großen Vorteil gegenüber den metallhaltigen Flussbatterien sieht Aziz in den Kosten. So schlagen die von ihm verwendeten Chemikalien mit 27 Dollar pro Kilowattstunde gespeicherten Stroms zu Buche. Die Materialkosten in einer Vanadium-Flussbatterie summierten sich dagegen auf mehr als achtzig Dollar. Zudem könnten die elektrochemischen Eigenschaften der organischen Flussbatterie durch chemische Varianten der verwendeten Chinonverbindungen noch weiter verbessert werden.

Bis organische Flussbatterien in großem Maßstab Wind- und Solarstrom zwischenspeichern könnten, werden noch einige Entwicklungsjahre nötig sein. Dennoch bieten sie parallel zu anderen Speichertechniken – etwa über Druckluft, Wasserstoff oder mit Lithiumionen-Akkus – ein großes Potenzial.