Speicher für Sonne und Wind: Kleinere Batterien für neue Anwender

Zwischen den Lithium-Ionen-Batterien für Handys und Elektromobilität und deutlich größeren Energiespeichern für Städte oder Industriebetriebe wie Stahlwerke besteht eine Lücke. Stromspeicher mittlerer Größen, etwa für Einfamilienhäuser oder kleinere Betriebe, Krankenhäuser und ähnliche Einrichtungen fehlen. Herkömmliche Akkus haben einige Nachteile und die Speicher fürs Big Business brauchen oft zu viel Platz.

Diese Lücke will David Reber von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa im Schweizerischen Dübendorf schließen. Dazu möchte der Chemiker Redox-Flow-Batterien, die bisher meist für große Anlagen eingesetzt werden, mit geringerem Platzbedarf entwickeln.

Schwer entflammbar, lange haltbar

Stromspeicher werden als entscheidend für das Gelingen der Energiewende angesehen, weil der bisweilen unregelmäßig anfallende elektrische Strom aus Sonne und Wind für Nacht und Flauten zwischengelagert werden muss. Redox-Flow-Batterien sind durchaus geeignet, aber groß. „Ihre Energiedichte ist rund zehnmal geringer als bei Lithium-Ionen-Batterien“, sagt Reber. Um die gleiche Energiemenge zu speichern, braucht man also den zehnfachen Platz. Damit scheiden Redox-Flow-Batterien für mobile Geräte vom Handy bis zu elektrischen Fahrzeugen aus. „Für sehr große Speicher aber rentieren sie sich durchaus“, sagt der Empa-Forscher.

© Empa

Ihre Funktion entspricht der der Lithium-Ionen-Akkus: Manche Atome geben relativ leicht Elektronen ab, die von anderen Atomen aufgenommen werden. Bauen Techniker in diesen Vorgang einen Umweg in Form von Stromleitungen ein, können die Elektronen in den elektrischen Geräten Arbeit leisten. Anders als Lithium-Ionen-Akkus bestehen Redox-Flow-Batterien aus zwei Tanks mit Salzlösungen: einer mit Verbindungen, die leicht Elektronen abgeben, einer mit solchen, die Elektronen gut aufnehmen können. Der Vorteil: Die Lösungen können nicht in Brand geraten und sind daher sicherer.

Ge- und entladen werden die Atome nicht in den Tanks, sondern in einer elektrochemischen Zelle, zu der beide Flüssigkeiten gepumpt werden. Daher kann man zusätzliche Tanks bereitstellen, um größere Mengen Energie zu speichern – ein weiterer Vorteil. Zudem sind die Salzlösungen sehr stabil und können sehr lange Energie speichern. Der Markt für Redox-Flow-Batterien wächst derzeit schnell.

Werkzeuge aus dem Chemie-Baukasten

Auch für Photovoltaik-Anlagen auf Privathäusern wären Redox-Flow-Batterien als feuersichere Speicher gut geeignet. Reber versucht daher, ihre Energiedichte zu erhöhen. In einem Tank soll der Feststoff Lithium-Eisen-Phosphat wie in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Damit könnten die guten Eigenschaften der flüssigen Speicher mit der hohen Energiedichte der festen Akkus gekoppelt werden.

Um das notwendige leichte Hin- und Herschieben zu erleichtern, lässt Reber organische Moleküle die Metall-Atome in der Lösung einhüllen und beeinflusst so deren elektronische Eigenschaften. „Konstruiert man diese Chelate mit mehr oder mit weniger Kohlenstoff-Atomen, können die Metalle ihre Elektronen besser oder schlechter abgeben“, erklärt Reber.

Eventuell könnte man auch weitere Moleküle in die Tanks geben, um den Übergang der Elektronen zu erleichtern. „Wir können natürlich auch den Feststoff verändern“, nennt Reber eine weitere Möglichkeit. So kommen viele kleinere Teilchen besser mit der Lösung in Kontakt und erlauben so einen schnelleren Übergang der Elektronen als wenige große Klumpen. Einen ähnlichen Einfluss haben Größe und Form der Poren im Feststoff. Der Empa-Forscher will noch weitere Werkzeuge aus dem Chemie-Baukasten einsetzen, um die Redox-Flow-Batterien zu verkleinern.