Forscher des Fraunhofer ICT haben eine Redoxflow-Batterie mit einem Doppelschichtkondensator kombiniert. Damit schaffen sie den entscheidenden Nachteil der Redoxflow-Technologie aus der Welt: die fehlende Kaltstartfähigkeit.
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie (ICT) im badischen Pfinztal haben eine unterbrechungsfreie Stromversorgung auf Basis einer Vanadium Redoxflow-Batterie vorgestellt. Das Besondere dabei ist, dass sie die Batterie mit einem Doppleschichtkondensator versehen haben. Dieser übernimmt nach einem Stromausfall in den ersten Sekunden die Weiterversorgung des Gebäudes. Das ist notwendig, da in den Redoxflow-Batterien Pumpen das Elektrolyt durch den Stack bewegen. Diese müssen aber nach einem plötzlichen Stromausfall erst einmal anspringen. Dafür brauche n sie selbst erst einmal Strom. Diesen liefert der Doppelschichtkondensator. Gleichzeitig erhält er die Versorgung aufrecht. Danach übernimmt die Redoxflow-Batterie die dauerhafte Versorgung. Mit dieser Lösung haben die Forscher den Nachteil der Redoxflow-Batterie - die fehlenden Kaltstartfähigkeit - aus der Welt geschafft.
Supercaps übernehmen den Kaltstart
Die Kondensatoren - auch Supercaps genannt - können fast grenzenlos auf- und Entladen werden, ohne dass sie in ihrer Leistung oder Kapazität nachlassen. Allerdings sind sie noch sehr teuer. In Verbindung mit der Redoxflow-Technologie setzen die Forshcer des Fraunhofer ICT aber vor allem auf die sehr kurzen Ansprechzeiten der Supercaps. Innerhalb von Millisekunden können sie einspringen, wenn der Strom ausfällt. Die Kombination mit der Redoxflow-Technologie ermöglicht die Abdeckung von kleineren Schwankungen durch die Supercaps, während bei einem längeren Ausfall die Redoxflow-Batterie die Last übernimmt. "Durch diese Kombination mit einer elektrischen Verschaltung über einen DC-Zwischenkreis entsteht eine hochverfügbare unterbrechungsfreie Stromversorgung mit langen Überbrückungszeiträumen und guter Wirtschaftlichkeit", erklären die Forscher.
Denn die Redoxflow-Batterie ihrerseits ist in der Lage ist, über einen längeren Zeitraum Strom nahezu verlustfrei im Speicher zu halten, während Lithium-Ionen-Batterien eher als Kurzzeitspeicher taugen. So können sich Krankenhäuser, Leitstellen, Eidenbahnstellwerke oder Rechenzentren eine Redoxflow-Batterie in den Keller stellen und sich damit gegen Stromunterbrechungen absichern, ohne auf die schnelle Reaktionszeit und die Kaltstartfähigkeit des Speichers verzichten zu müssen.
Steuerung über Sensoren und Aktoren
Die Herausforderung ist allerdings die Steueruung und das Zusammenspiel der beiden Speichertechnolgien. Dies haben die Baden mittels einer sogenannten speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) gelöst, wie sie auch in industriellen Prozessen eingesetzt wird. Dabei wird die Regelung und Steuerung auf digitaler Basis programmiert. Die SPS löst in der Industrie schon seit einiger Zeit die fest verdrahtete verbindngprogrammierte Steuerung ab. Eine SPS besteht in der Regel aus Ein- und Ausgängen sowie einem Betriebssystem und einer Schnittstelle, über die das Anwenderprogramm geladen wird. Dieses legt fest, wie die Ausgänge in Abhängigkeit von den Eingängen geschaltet werden. Die Anbindung der Batterie an die Steuerung übernehmen Sensoren, die dem Betriebssystem den aktuellen Zustand der Batterie übermitteln. Auf der Gegenspur arbeiten sogenannte Aktoren, die die Batterie so steuern, dass sie genau in dem Leistungspunkt läuft, wie es die Stromversorgung im Gebäude erfordert. Diese Aktoren übernehmen damit die Anbindung der Steruerung an die Batterien.
Die Kapazität problemlos erhöhen
Wenn die Redoxflow-Batterie die Stromversorgung übernommen hat, hängt es von der Kapazität des Elektrolyts ab, wie lange sie diese aufrechterhalten kann. Sollen längerer Überbrückungszeiten realisiert werden, muss der Gebäudebesitzer einfach nur die Tanks vergrößern, damit er mehr Elektrolyt in der Batterie hat. Damit hat die Redoxflow-Batterie den Vorteil gegenüber bisherigen Batterien, dass Leistung und Batteriekapazität unabhängig voneinander skaliert werden können. Denn der Stack der Redox-Fow-Batterie bestimmt die Leistung. Diese ist komplett unabhängig davon, wie viel Elektrolyt sich in den Tanks befindet. Will der Gebäudeeigentümer die Kapazität eines Blei- oder Lithiumspeichers erhöhen, steigert er automatisch auch die Leistung des Gesamtsystems. Der Nachteil der Redoxflow-Technologie ist aber: Wer die Leistung der Batterie erhöhen will, muss tief in die Tasche greifen. Denn bei dieser Technologie ist der Stack das teuerste Teil des gesamten Systems. Diese Problem haben die Forscher aus Pfinztal noch nicht aus der Welt geschafft.
Sie sehen aber trotzdem wirtschaftliche Vorteile der Redox-Fow-Technologie, da die Akkus in der Regel länger halten als Lithium- oder gar Bleispeicher. In Verbindung mit der Möglichkeit der mittelfristigen Speichern ergeben sich für die unterbrechungsfreie Stromversorgung mit der Redoxflow-Batterie enorme Vorteile. (su)
