Russlands mörderischer Amoklauf durch die Ukraine hat der Welt einen weiteren Grund gegeben, so schnell wie möglich ein dezentralisiertes, dekarbonisiertes Energieprofil anzunehmen. Eine längere Energiespeicherung würde helfen, die Dinge zu beschleunigen. Pumpwasserkraft dominiert derzeit den Bereich mit langer Lebensdauer, aber Vanadium-Flow-Batterien brechen endlich durch das Durcheinander, um dorthin zu gelangen, wo Pumpwasserkraft nicht möglich ist.
Vanadium-Flow-Batterien für langfristige Energiespeicherung
Flow-Batterien arbeiten mit der Fähigkeit von zwei verschiedenen Arten von Flüssigkeiten, Strom zu erzeugen, wenn sie nebeneinander fließen. Der Winkel der Energiespeicherung mit langer Dauer folgt natürlich, da die Tanks, die die Flüssigkeiten speichern, größer oder kleiner dimensioniert werden können, um den Kapazitätsbedarf zu decken.
Flow-Batterien weisen im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien eine Reihe von Vorteilen auf, darunter die Fähigkeit, nach langer Leerlaufzeit schnell neu zu starten. Allerdings gibt es auch einen Haken. Wenn sich die beiden Flüssigkeiten gegenseitig verunreinigen, verschlechtert oder destabilisiert sich die Batterie.
Vanadium löst dieses Problem bis zu einem gewissen Grad. Vanadium ist ein silbergraues Übergangsmetall – nicht zu verwechseln mit Vibranium – das in beiden Arten von Flüssigkeiten in einer Durchflussbatterie verwendet werden kann.
Flow-Batterie-Engineering ist bei weitem nicht so einfach, wie es sich anhört. Die Technologie gibt es seit den 1980er Jahren, aber sie hat sich viele Jahre lang der Kommerzialisierung entzogen.
„Obwohl es als vielversprechender Energiespeicher im großen Maßstab gilt, die Verwendung der Vanadium-Redox-Batterie wurde durch seine Unfähigkeit, in einem weiten Temperaturbereich gut zu funktionieren, und seine hohen Kosten eingeschränkt“, erklärten Forscher des Pacific Northwest National Laboratory erst 2011. Sie stellten auch fest, dass Optimierungen an der Elektrolytlösung einen signifikanten Unterschied machen würden.
Aufbau einer besseren Vanadium-Flow-Batterie
Tatsächlich, im Jahr 2014 eine Vanadium-Flow-Batterie der nächsten Generation der deutschen Firma CellCube (alias Enerox GmbH) segelte über die CleanTechnica Radar, als die New York City Metropolitan Transit Authority drei neue Flow-Batterien in ihrem Hauptsitz in Manhattan installierte.
Dieses spezielle Projekt fiel direkt aus dem CleanTechnica Radar, aber die Forschung und Entwicklung von Flow-Batterien hat sich zügig fortgesetzt, und CellCube hat die globalen Grenzen überschritten.
Die neuesten Nachrichten von CellCube beziehen sich auf ein neu unterzeichnetes strategisches Kooperationsabkommen für die Herstellung mit der australischen Firma North Harbor Clean Energy PTY Ltd. Wenn alles nach Plan läuft, werden die Partner eine Produktionsstätte an einem noch festzulegenden Standort in Ostaustralien errichten. Das anfängliche Ziel ist eine Produktionskapazität von 40-160 Megawattstunden pro Jahr, in Richtung eines Ziels von bis zu 8.000 Megawattstunden.
Inzwischen haben sich die Partner darauf geeinigt, die größte Vanadium-Flow-Batterie auf dem australischen Kontinent zu entwickeln, die eine Reichweite von 4 bis 16 Megawattstunden anstrebt. Die neue Flow-Batterie wird mit einem noch zu benennenden Partner demonstriert. Ziel ist es, zu zeigen, wie eine langfristige Energiespeicherung den CO2-Fußabdruck von Industrien, die schwer zu dekarbonisieren sind, reduzieren kann.
Warum nicht einfach konventionelle Lithium-Ionen-Batterien für die gleiche Aufgabe skalieren, das ist eine gute Frage.
„[Vanadium Redox Flow Batteries] leiden nicht unter den zahlreichen Problemen, mit denen Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) konfrontiert sind, wie z. B. ihre Entflammbarkeit, kurze Lebensdauer, schneller Abbau, mangelnde Recyclingfähigkeit und mangelnde Flexibilität“, erklärt CellCube. „Auf Basis der gestuften Speicherkosten übertreffen VRFBs bereits LIBs, ohne die mit ihnen verbundenen Nachteile zu haben.“
Langfristige Energiespeicherung über Pumpwasserkraft hinaus
Die andere Frage ist, warum nicht einfach mehr Pumpspeichersysteme mit langer Lebensdauer bauen? Pumpwasserkraft ist eine zuverlässige, jahrhundertealte Technologie, die hier in den USA und anderswo weiterhin den Bereich der Langzeitnutzung dominiert.
Betrachten Sie für eine Antwort darauf die Perspektive von North Harbor Clean Energy. Das Unternehmen ist auf Pumpspeicherkraftwerke spezialisiert, und die australische Regierung unterstützt den Bau zusätzliche Pumpspeicherkraftwerke.
Dennoch beobachtet North Harbor die wachsende Nachfrage nach Energiespeichersystemen mit langer Lebensdauer, die über Pumpwasserkraft hinausgehen.
„Es besteht eine erhebliche Nachfrage nach langlebigen Energiespeichersystemen wie VRFBs, die eine 24/7-Lieferung von kohlenstofffreiem Strom ermöglichen, um die Netto-Null-Ziele zu erreichen, die von der Nachfrage nach Australiens gesetzlich vorgeschriebenen CO2-Reduktionszielen und dem schnellen Ausbau von Versorgungsunternehmen angetrieben werden. skalierbare erneuerbare Energien zusammen mit der beschleunigten Abschaltung von Grundlast-Kohlegeneratoren“, stellt das Unternehmen fest.
Jenseits der langfristigen Energiespeicherung
Die Flow-Batterietechnologie stellt einen scharfen Kontrast zu Lithium-Ionen-Batterien dar, aber die beiden Bereiche haben eines gemeinsam, und das ist die Entwicklung einer zuverlässigen, nachhaltigen Lieferkette für das Material, das sie definiert.
Australien ist führend geworden Exporteur von Lithium, verfügt aber laut CellCube auch über rund 20 % der bekannten globalen Vanadiumressourcen. Das verschafft Australien einen eingebauten Vorteil für die Entwicklung einer heimischen Durchflussbatterieindustrie.
Der Wettbewerb um Vanadium-Ressourcen könnte sich verschärfen, da Forscher weitere Verwendungsmöglichkeiten jenseits der Energiespeicherung entdecken. Hier in den USA nutzt beispielsweise ein Team des Lawrence Berkeley National Laboratory die Fähigkeit von Vanadium zur Phasenänderung, um eine neue energieeffiziente Dachbeschichtung herzustellen.
Forscher beschäftigen sich auch mit der Idee, Elektrofahrzeuge mit Flow-Batterien anzutreiben. Das mag ein bisschen futuristisch erscheinen, aber eine neue Flow-Batterie für Elektrofahrzeuge erregt dadurch die Aufmerksamkeit des US-Verteidigungsministeriums Förderstelle für Spitzentechnologie, DARPA, besser bekannt als der Geburtsvater des Internets. Auch die US Air Force und die NASA haben die neue Batterie finanziert.
Eine Versorgungsknappheit bei Vanadium könnte die Argumente für mehr Pumpwasserkraft verstärken, obwohl das Wachstum in diesem Bereich durch die Umweltauswirkungen des Baus neuer Stauseen begrenzt sein kann. Die Kosten für den Bau einer neuen wasserbasierten Energieinfrastruktur sind ein weiterer begrenzender Faktor.
Eine Möglichkeit, das Pumpspeicherfeld zu erweitern, ohne unbedingt auf diese Probleme zu stoßen, wäre, Wasser aus der Gleichung herauszunehmen. Die Schwerkraft übernimmt in einem Pumpspeichersystem die ganze schwere Arbeit, und das Rennen geht weiter, um andere auf Schwerkraft basierende Systeme zu entwickeln, die eine langfristige Energiespeicherung bieten, ohne dass neue Stauseen gebaut werden müssen.
In einem besonders interessanten Beispiel passt das Schweizer Unternehmen Energy Vault sein auf Schwerkraft basierendes Energiespeichersystem vom Blocktyp an, um alte Windturbinenblätter zu recyceln.
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Foto: Langzeit-Energiespeicher mit freundlicher Genehmigung von CellCube.
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