Redox-Flow-Batterie

Redox-Flow-Batterien (RFB) besitzen eine hohe Effizienz und sind dabei bedeutend langlebiger als herkömmliche Batterien. Aufgrund des Speicherprinzips lässt sich die Leistung unabhängig von der Kapazität skalieren.

Redox-Flow-Batterien speichern Energie in einem flüssigen Elektrolyten. Die gespeicherte Energie wird in externen Tanks gelagert und kann bei Bedarf in der Wandlereinheit umgesetzt werden. Speichersysteme auf Basis der Redox-Flow-Technik können daher variabel auf die Anwendung hin angepaßt werden.

Großprojekt »RedoxWind«

Im Rahmen von »RedoxWind« wird auf dem Fraunhofer ICT-Gelände eine Vanadium-Redox-Flow-Großbatterie entwickelt. Diese Batterie wird mit einer 2 MW Windkraftanlage gekoppelt und bildet damit eine Erzeuger-Speicher-Einheit, mit der Windstrom in Zukunft gespeichert werden kann.

© Foto Fraunhofer ICT

Fotomontage der RedoxWind-Anlage auf dem Fraunhofer ICT Gelände

Motivation

Verlauf der Windstromeinspeisung im Januar 2011 in Deutschland
© Foto Fraunhofer IWES, Datenbasis DWD

Verlauf der Windstromeinspeisung im Januar 2011 in Deutschland

Mit dem Entschluss zum stufenweisen Ausstieg aus der Kernenergie bis zum Jahr 2022 wurde in Deutschland die beschleunigte Energiewende eingeläutet. Die Energiewende umfasst die Realisierung einer nachhaltigen Energieversorgung für die Sektoren Strom, Wärme und Mobilität mit Erneuerbaren Energien.

Dies hat einen grundlegenden Umbau der Energieversorgung zur Folge: den Wandel von einer fossilen, zentral geprägten Erzeugerstruktur hin zu einem nachhaltigen, dezentral geprägten Versorgungssystem für elektrische und thermische Energie.

Im Stromnetz wird ein stetes Gleichgewicht  zwischen Erzeugung und Nachfrage verlangt. Diese Abstimmung stellt die Netzbetreiber schon bei dem heutigen Energiemix vor eine große Herausforderung. Durch die zunehmende Einspeisung fluktuierender Quellen wie Sonne und Wind werden sich die Angebotsschwankungen in Zukunft weiter verschärfen. Um die Stromversorgung sicherzustellen, gibt es verschiedene Strategiemaßnahmen: Neben der Verbrauchsanpassung durch flexible Lasten, welche ein begrenztes Potential aufweisen, können auch geografisch bedingt verschiedene Wetteraufkommen in Deutschland durch den Ausbau der Übertragungsnetze ausgeglichen werden. Eine Fraunhofer Studie hat jedoch gezeigt, dass das Windaufkommen in den unterschiedlichen Regionen Nord, Süd, West und Ost oft zeitlich parallel verläuft (vgl. Bild 'Verlauf der Windstromeinspeisung im Januar 2011 in Deutschland'), was einen solchen Ausgleich im Fall von Windenergie erschwert. Auch die Photovoltaik ist auf eine Speicherung angewiesen, wenn es eine kontinuierliche Versorgung sichergestellt werden soll.

Deswegen wird besonders Energiespeichern eine wachsende Bedeutung zugeschrieben. Sie können die naturgegebene Fluktuation von Sonne und Wind ausgleichen und eine regenerative Energiequelle in ein planbares Kraftwerk mit unterbrechungsfreier Versorgung umwandeln. Des Weiteren können sie einen entscheidenden Beitrag zur Netzstabilität, Frequenzhaltung und zur Reduzierung des zukünftigen Netzausbaus leisten.

Die Redox-Flow-Batterie

Schematischer Aufbau einer Redox-Flow-Batterie
© Foto Fraunhofer ICT

Schematischer Aufbau einer Redox-Flow-Batterie

Der am Fraunhofer ICT aufgebaute Energiespeicher wird eine All-Vanadium-Redox-Flow-Batterie sein. In einer solchen Batterie wird die chemische Energie in verschiedenen Wertigkeitsstufen des Elements Vanadium gespeichert. Im Gegensatz zu einem konventionellen Akkumulator, bei dem die Energie durch Abscheidung oder Umwandlung an einer festen Elektrode gespeichert wird, ist bei einer Redox-Flow Batterie die Energie in der Batterieflüssigkeit, auch Elektrolyt genannt, gespeichert.  Der Elektrolyt wird in zwei Tanks gelagert und ähnlich wie bei einer Flüssig-Brennstoffzelle durch eine Wandler-Einheit gepumpt.  Dabei nimmt der Elektrolyt beim Ladevorgang Energie auf oder gibt beim Entladevorgang Energie ab. 

Diese Art der Speicherung bietet den Vorteil, dass die Kapazität einer solchen Batterie beliebig durch die Menge an Elektrolyt ausgelegt werden kann. Das bedeutet, dass die Leistung (kW) und die Speicherkapazität (kWh) bei diesem Batterietyp individuell der Anwendung angepasst werden kann.

Das Projekt

Modell der Batteriehalle und Windkraftanlage
© Foto Fraunhofer ICT

Modell der Batteriehalle und Windkraftanlage

Im Rahmen des Projekts »RedoxWind« wird ein Redox-Flow-Großbatteriespeicher (2 MW / 20 MWh) entwickelt, der direkt an den Gleichspannungszwischenkreis einer Windkraftanlage gekoppelt wird. Diese Einheit aus Erzeugungsanlage und Batteriespeicher wird als Pilotanlage auf dem Gelände des Fraunhofer ICT in Pfinztal errichtet.

Augenmerk liegt hierbei zum einen auf der Anpassung der Windkraftanlage an den Betrieb der Großbatterie, vor allem aber auf dem Hochskalieren der Redox-Flow-Technik vom Labormaßstab auf eine industriell kostengünstig zu fertigende Stacks mit mehreren Kilowatt Leistung.Im Projekt wird besonderen Wert auf die Nutzung von Synergien der Windkraftanlage und der Batterie gelegt, um Leistungselektronik einzusparen. Der Redox-Flow-Batteriespeicher wird direkt an den Gleichspannungszwischenkreis der Windkraftanlage gekoppelt. Diese direkte Anbindung spart gegenüber einer netzseitigen Kopplung zum einen eine Umwandlungsstufe in der Leistungsübertragung ein, zum anderen verringern sich die Investitionskosten der Umrichtertechnik.

Eine solcher Verbund aus Windkraftanlage und Batterie wäre in der Lage eine autarke Stromversorgung von Insellösungen, Unternehmen und Energiedörfern bereitzustellen.

Förderung

»RedoxWind« ist ein öffentlich gefördertes Projekt, das zu gleichen Anteilen durch das Land Baden-Württemberg und das Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert wird.

             

Kennzahlen des Projektes

Redox-Flow-Batteriehalle mit Stackebene oben und Tankebene im Untergeschoss
© Foto Fraunhofer ICT

Redox-Flow-Batteriehalle mit Stackebene oben und Tankebene im Untergeschoss

  • Redox-Flow-Batterie mit 2 MW Leistung und 20 MWh Kapazität
  • Getriebelose Windkraftanlage mit 2 MW Leistung, 100 m Nabenhöhe und 92 m Rotordurchmesser
  • Erzeuger-Speicher-Einheit durch Kopplung der Großbatterie an den Gleichspannungszwischenkreis der Windkraftanlage

Auslegung und Planung von Redox-Flow-Großanlage

Der Bau von Redox-Flow-Großanlagen erfordert im Zuge der Bauplanung die Beachtung unterschiedlicher  Verordnungen. Aufgrund der Erfahrung im Genehmigen von RFB-Großanlagen können die Experten vom Fraunhofer ICT Hilfestellung in der Anlagenauslegung und -planung, sowie in der Planung und Bewertung von Sicherheitskonzepten liefern und Firmen dieses als Beratungsleistung anbieten. Ebenso können bestehende RFB-Installationen im Megawatt-/Megawattstundenbereich als Sachverständige evaluiert und auf ihr Sicherheitskonzept hin überprüft werden. Zusätzlich kann das Fraunhofer ICT Beratungsleistungen für die zuweilen komplizierten Genehmigungsverfahren anbieten. Diese Leistungen können bis zur kompletten fachlichen Betreuung von der Planer während des Genehmigungsverfahrens gehen.  Wichtige Stichworte sind hierbei Zulassung nach der BImSchV, Überprüfung der Konformität der Materialauswahl von Komponenten und funktionellen Beschichtungen, Konzepte zum Grundwasserschutz, Konzepte zum Brandschutz und gegen Leckage, sowie zur  elektrischen Sicherheit. Zusätzlich können Seminare über den sicheren Umgang, dem richtigen Verhalten bei Leckage und die fachgerechten Entsorgung von Vanadium-Elektrolytlösung angeboten werden.

Materialentwicklung und -charakterisierung

Am Fraunhofer ICT werden Materialien für Flow-Batterien untersucht und weiterentwickelt. Diese Arbeiten umfassen die Charakterisierung von Batteriematerialien, Untersuchungen über die Langzeitstabilität, neuartige Elektrolytformulierungen, sowie die Entwicklung korrosionsstabiler Bipolarplatten.

Materialuntersuchungen und Zelltests

Vanadium-Redox-Flow-Batterie mit 40 cm² Testzelle
© Foto Fraunhofer ICT

Vanadium-Redox-Flow-Batterie mit 40 cm² Testzelle

Eine der größten Herausforderungen im Bereich der Redox-Flow-Batterien ist die Kostensenkung der eingesetzten Funktionsmaterialien im Stack. Um eine Kostensenkung zu erreichen und gleichzeitig eine Optimierung des Systems zu bewirken, werden am Fraunhofer ICT kontinuierlich neue und günstigere Materialien auf ihre Eignung in Redox-Flow-Batterien untersucht. Dazu werden Batterien aus Einzelzellen aufgebaut und mittels verschiedener elektrochemischer Verfahren wie Impedanzspektroskopie und Lade-/Entladetests reproduzierbar charakterisiert. Im Zelltest können Materialien wie Membran, poröse und textile Elektroden, Bipolarplattenmaterialien, alternative Zellgeometrien oder neuartige Elektrolytformulierungen hinsichtlich ihrer Leistung und Effizienz getestet werden. Die Einzelzellen können zusätzlich mit Referenzelektroden ausgestattet werden, um Halbzelleneigenschaften getrennt betrachten zu können. Daneben können mittels unterschiedlicher Durchflusszellen VIS/NIR- und RAMAN- spektroskopische Inline-Messungen am Elektrolyten bei unterschiedlichen Ladezuständen durchgeführt werden.

Für neuartige Flow-Batterie-Systeme können von unseren Experten Testzellen für die Materialcharakterisierung entwickelt werden. So wurde zum Beispiel mit der Firma Baltic Fuel Cells© eine Testzelle für Vanadium-Redox-Flow-Batterien entwickelt. Diese Zelle zeichnet sich durch eine besonders leichte Handhabung aus, so dass Materialuntersuchungen auch von geschultem Laborpersonal durchgeführt werden können.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Testen von Materialien wie Membranen, Elektroden, Bipolarplatten oder Elektrolytformulierungen im Zelltest (Einzelzellen / galvanostatischen Lade- und Entladezyklen/ nach Wunsch temperiert oder im Klimaschrank)
  • Testen von Materialien wie Membranen, Elektroden, Bipolarplatten oder Elektrolytformulierungen in Einzelzellen nach Kundenwunsch (z.B. Protokolle oder Zyklen zum hervorrufen künstlicher Alterung)
  • Langzeitmessungen in Einzelzellen
  • Entwicklung von Testzellen mit gekoppelten In-Situ- oder In-Line-Messeinrichtungen, Referenzzellen oder spektroskopischen Methoden nach Kundenwunschredox
  •  

Beständigkeitstests in Elektrolytlösungen

Aufsichtmikroskopieaufnahme eines thermoplastischem Polyurethans (Mitte: Ausgangszustand, Rechts: Probekörper nach Lagerung  in V(V)-Elektrolytlösung , links: Probekörper nach  Lagerung in V(II)-Elektrolytlösung
© Foto Fraunhofer ICT

Aufsichtmikroskopieaufnahme eines thermoplastischem Polyurethans (Mitte: Ausgangszustand, Rechts: Probekörper nach Lagerung in V(V)-Elektrolytlösung , links: Probekörper nach Lagerung in V(II)-Elektrolytlösung

Elektrolytlösungen in Redox-Flow-Batterien bestehen je nach Batterietyp aus mittelkonzentrierten Säuren oder Alkalien, in denen hohe Konzentrationen an Metallsalzen gelöst sind. Zusätzlich zu den korrosiven Eigenschaften der Säuren oder Laugen allein, müssen die korrosiven Eigenschaften des gesamten Elektrolyten bei den im Betrieb entstehenden Potentialen beachtet werden, da dadurch ein starker oxidativer oder reduktiver Stress entsteht.

Um die chemische Beständigkeit verschiedener Werkstoffe gegen Elektrolytlösungen bestimmen zu können, wurde am Fraunhofer ICT ein streng systematischer Test entwickelt. Der Beständigkeitstest wurde vom Fraunhofer ICT aus einer DIN-Norm zur Bestimmung der chemischen Beständigkeit abgeleitet und speziell an die Einflüsse von Elektrolytlösungen in Redox-Flow-Batterien, in erster Linie an Vanadium-Elektrolytlösungen angepasst. Der Beständigkeitstest bietet Herstellern und Entwicklern eine interne Entscheidungshilfe bei der Materialfindung. Dabei werden Proben über einen Zeitraum von mehreren Monaten unter kontrollierten Bedingungen bei einer konstanten Temperatur in Lösungen von unterschiedlichen Oxidationsstufen Metallsalze gelagert. Untersucht und beobachtet werden über die gesamte Laufzeit sowohl Masse, Shore-Härte als auch die Oberflächenbeschaffenheit der Proben.

Die Beständigkeitstests können für unterschiedliche Batterietypen an unterschiedlichen Elektrolytzusammensetzungen durchgeführt werden.

Folgende Dienstleistungen bieten wir an:

  • Bestimmung der chemischen Beständigkeit von Materialien/ Dichtungen / Formteilen/ Membran in konventionellen Vanadiumelektrolytlösungen
  • Messung der chemischen Beständigkeit gegenüber brombasierte Elektrolytlösungen
  • Anpassungen des entwickelten Beständigkeitstest von Materialien/ Dichtungen/ Formteilen/ Membran an neue Elektrolytlösungen
  • Bei metallischen Proben können Einträge der Metalle in die Elektrolytlösungen bestimmt werden

Elektrolytcharakterisierung

Schematischer potentiometrischer Titrationsverlauf zur Bestimmung des Oxidationszustandes und der Konzentration an Vanadium in 2 M H2SO4 und 0,05 M H3PO4
© Foto Fraunhofer ICT

Schematischer potentiometrischer Titrationsverlauf zur Bestimmung des Oxidationszustandes und der Konzentration an Vanadium in 2 M H2SO4 und 0,05 M H3PO4

In den meisten Redox-Flow-Batterien dient die Elektrolytlösung mit ihren redoxaktiven Ionen als Speichermedium für die aufgenommene Energie. Je mehr dieser Ionen im Elektrolyten gelöst werden können, umso höher ist die Energiedichte des Elektrolyten. Zusätzlich müssen für eine funktionierende Batterie bewegliche Ionen vom Elektrolyten für den internen Ladungstransport durch den Separator zur Verfügung gestellt werden. Während des Lade- und Entladevorgangs ändern sich fortwährend die Konzentrationen von redoxaktiven Substanzen und den Ionen für den Ladungsausgleich. Aus diesem Grund müssen für Untersuchungen der Temperatur-, Stabilitäts- und Löslichkeitsgrenzen alle Zustände einer Batterie abgeprüft werden. Daraus ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die Formulierungen von Elektrolytlösungen.

Die ersten Auswahl- und Bewertungskriterien für zu untersuchende Elektrolyte sind in der Regel:

  • (i) Löslichkeit von redoxaktiven Elektrolytsalzen in allen Oxidationstufen bei allen Betriebstemperaturen, physikalische Eigenschaften des Elektrolyten
  • (ii) Ladezustand des Elektrolyten,
  • (iii) Kinetik der Elektrodenreaktionen, die weiter auf die Zelleffizienz einer RFB auswirkt,
  • (iv) Wasserstoff- bzw. Sauerstoff-Entwicklung, die als Nebenreaktionen in wasserbasierten Elektrolyten stattfinden,
  • (v) Verfügbarkeit und Kosten der jeweiligen Stoffe.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Elektrochemische Charakterisierung von Elektrolytlösungen mit Hilfe der zyklischen Voltammetrie
  • Bestimmung der genauen Elektrolytkonzentration und der Zusammensetzung bzw. das Verhältnis der Oxidationsstufen, z. B. bei Vanadium-Elektrolytendas Verhältnis von V(III)/V(IV), sowie die Bestimmung von Leitsalzen und Verunreinigungen.
  • Herstellung von Vanadium(II)-sulfat Feststoff für Modellelektrolytproben
  • Energiedichteerhöhung durch Untersuchungen des Löslichkeitsverhaltens von redoxaktiven Substanzen in sauren, alkalischen oder neutralen Lösungen
  • Entwicklung und Anpassung von analytischen Methoden zur Qualitätsuntersuchung
  • Untersuchung der Auswirkungen von Additiven und Verunreinigungen bzgl. Energiedichte-, Leistungsdichteerhöhung, sowie Stabilitätserhöhung der Elektrolytlösungen (elektrochemisch und chemisch)
  • Screening des Langzeitverhaltens von Elektrolytlösungen bei verschiedenen Temperaturen auf chemische Stabilität, elektrochemisches Verhalten 
  • Untersuchung von physikalischen Parametern wie Dichteverhalten, Viskosität und Leitfähigkeit für unterschiedliche Elektrolyte und bei unterschiedlichen Temperaturen
  • Ermittlung einer Spezifikation für ein Elektrolytsystem

Materialentwicklung für Bipolarplatten

Rasterelektronenmikroskopaufnahme von  Graphitflocken (links) und die Oberfläche von metallischen Bipolarplatten (rechts)
© Foto Fraunhofer ICT

Rasterelektronenmikroskopaufnahme von Graphitflocken (links) und die Oberfläche von metallischen Bipolarplatten (rechts)

Bipolarplatten spielen bei der Stromübertragung in Redox-Flow-Batterien als interne Stromableiter eine entscheidende Rolle. Die Entwicklung kostengünstiger, massenproduzierbarer, elektrisch hochleitfähiger und chemisch stabiler Bipolarplatten ist ein wesentlicher Bestandteil für den kommerziellen Durchbruch von Redox-Flow-Batterien.

Am Fraunhofer ICT werden hierfür zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt:

Kohlenstoffkompositmaterialien

In den meisten Redox-Flow-Batterien wird ein Polymerkohlenstoffkomposit für Bipolarplatten eingesetzt. Das Kompositmaterial besitzt in der Regel einen Kohlenstoffanteil von über 80 %. und wird durch einen polymeren Binder (z.B. Polypropylen) zusammengehalten. Am Fraunhofer ICT werden mit Hilfe neuartiger Kohlenstoffmaterialien wie Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) und weiteren leitfähigen Füllstoffen hochleitfähige Komposite mit niedrigem Kohlenstofffüllgrad (<70 %) entwickelt. Als Bindermaterialien sind bisher Polypropylen oder Polyphenylensulfid untersucht worden. Jedoch sind auch andere Bindermaterialien denkbar. Die extrinsisch leitfähigen Materialcompounds lassen sich im Spritzguss sowie durch Heißpressen großtechnisch verarbeiten.

Beschichtete Metalle

Metallische Substrate wie zum Beispiel Edelstahl (1.4301) lassen sich nicht ohne weiteres in der aggressiven Umgebung von Redox-Flow-Batterien einsetzen. Um die chemische Stabilität sowie elektrochemische Verträglichkeit der Materialien zu gewährleisten, müssen diese mit einer leitfähigen Schutzschicht versehen werden. Das Fraunhofer ICT hat als erstes Institut weltweit metallische Bipolarplatten mit metall-dotierten „Diamond-Like-Carbon (DLC)“-Schichten in Vanadium-Redox-Flow-Batterien untersucht. Die Beschichtungen sind für diesen Zweck am Fraunhofer IST hergestellt und optimiert worden. Diese Schichten bieten eine ähnliche Korrosionsbeständigkeit wie das Kohlenstoffkomposit. Die Bipolarplatten besitzen jedoch eine höhere elektrische Leitfähigkeit.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Elektrische 2/4-Punkt-Messungen (Through- und In-Plane)
  • Galvanostatische Lade-/ Entlade-Zyklentests
  • Korrosionsuntersuchungen an planaren einseitig beschichteten oder Bulkmaterial-Proben
  • Ex-Situ: in temperierbarer 3-Elektroden-Messaparatur
  • In-Situ: Betrachtung der Oberfläche bei potentiodynamischer sowie galvanostatischer Belastung der Materialprobe
  • Oberflächenmodifikation durch anodische Oxidation oder Elektropolitur
  • Spektroskopische Analysen (ortsaufgelöste Raman-Mikroskopie, FT-IR-Spektroskopie, Rasterelektronen-Mikroskopie sowie Röntgen-Photoelektron-Spektroskopie)
  • Oberflächentopographie (Rasterkraft-Mikroskopie, Konfokale Lasermikroskopie)

Korrosionsmessungen für Materialien und Komponenten

Tafel-Plot einer Single-Sweep-messung unterschiedlicher Bipolarplattenmaterialien:  BDD = Beschichtung aus Bor-dotiertem Diamant, Graphite = Schunk FU89 Bipolarplatte, Average 1-10µm Ti-DLC = mit Titan dotierte Diamond-like-Carbon-Beschichtung auf Aluminiumsubstrat ohne Beschichtung
© Foto Fraunhofer ICT

Tafel-Plot einer Single-Sweep-messung unterschiedlicher Bipolarplattenmaterialien: BDD = Beschichtung aus Bor-dotiertem Diamant, Graphite = Schunk FU89 Bipolarplatte, Average 1-10µm Ti-DLC = mit Titan dotierte Diamond-like-Carbon-Beschichtung auf Aluminiumsubstrat ohne Beschichtung

Die Stabilität von Materialien in den korrosiven Elektrolytlösungen von Redox-Flow-Batterien ist ein wichtiges Kriterium, um langlebige und zuverlässige Speicher herzustellen. Die Alterung von Elektroden oder Ableitermaterialien wie zum Beispiel Bipolarplatten aus Kohlenstoffmaterialien ist in der Regel schwer zu charakterisieren, da unterschiedliche Mechanismen für die Korrosion wirksam sind. Der chemische Abbau von Kohlenstoff in wässrigen Lösungen unter Potentialeinfluss ist sehr komplex und zum Teil noch nicht vollständig verstanden.

Zum Beispiel erfolgt die Oxidation von graphitischem Kohlenstoff in sauren Lösungen zu sogenanntem Graphitoxiden. Diese Oxidation wird begleitet von Interkalationsprozessen. Dieser Interkalationsvorgang von den Säureanionen in die Graphenschichten des Kohlenstoffs kann zu einem Anschwellen der Graphitkomponenten und zu einer dramatischen Erhöhung des Innenwiderstandes einer Batterie führen.

Am Fraunhofer ICT werden Korrosionsströme und Korrosionspotentiale sowohl potentiodynamisch als auch potentiostatisch untersucht und Korrosionsraten bestimmt. Ein besonderer Fokus liegt beim Fraunhofer ICT hierbei auf die Kohlenstoffkorrosion von Bipolarplatten-Material in sauren Elektrolytlösungen.

Im Rahmen einer Untersuchung der Arbeitsgruppe Brennstoffzellen im Verband Deutscher Maschinen und Anlagenbauer (VDMA) leitet das Fraunhofer ICT den Ringversuch „Korrosion an Bipolarplatten“, an dem sich führender Forschungsinstitute auf diesem Gebiet (ZBT, ZSW, FZ Jülich, TU Clausthal, Fh ISE, Next Energy) beteiligten. Ziel dieser Ringversuche ist die Entwicklung einheitlicher Standards für das Testen von Bipolarplatten.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Bestimmung von Korrosionsraten von Bipolarplatten in unterschiedlichen Medien
  • Beratung im Bereich Korrosion
  • Aufbau und Entwicklung von Testaufbauten für spezielle Korrosionsmessungen an unterschiedlichen Materialien

Redoxchemie

Neben der Entwicklung von Vanadium-Redox-Flow-Batterien (V-RFB) werden am Fraunhofer ICT Flow-Batterien entwickelt, welche auf alternativen Redoxpaaren basieren. Hervorzuheben in hierbei brombasierte und organische RFBs, aber auch Vanadium-Luft-Systeme.

Vanadium-Redox-Flow-Batterie

Redoxübergänge der negativen (grün) und positiven (blau) Elektrolyte von Vanadium-Redox-Flow-Batterien untersucht mittels zyklischer Voltammetrie an einer Glaskohlenstoffelektrode
© Foto Fraunhofer ICT

Redoxübergänge der negativen (grün) und positiven (blau) Elektrolyte von Vanadium-Redox-Flow-Batterien untersucht mittels zyklischer Voltammetrie an einer Glaskohlenstoffelektrode

In einer all-Vanadium Redox-Flow-Batterie (VRFB) wird die elektrische Energie chemisch in zwei auf Vanadiumionen beruhenden sauren Elektrolytlösungen gespeichert. Während des Lade- oder Entladevorgangs ändern die Vanadium Ionen ihre Oxidationsstufen und nehmen dabei Energie auf oder geben sie ab. Durch die Verwendung von Vanadium als einziger redoxaktiver Ionenspezies können potentiell hohe Lebensdauern und hohe Konzentrationen an nutzbaren Ionen in der Elektrolytlösung erreicht werden. So beeinträchtigt zum Beispiel der  unvermeidliche Durchtritt von redoxaktiven Ionen  durch den Separator die Zellchemie des Vanadiumelektrolyten nicht und verlängert so die Lebensdauer des Systems.

Eine Besonderheit dieses Systems ist allerdings die komplexe Chemie des pentavalenten Vanadiums, welches bei Temperaturen oberhalb von ca. 40 °C zu einer irreversiblen Kondensation zu Vanadiumpentoxid neigt. Diese Temperaturgrenze beschränkt das System in seinen Einsatzbereich. Um das Betriebstemperaturfenster zu erweitern und den Wirkungsgrad sowie die Leistung zu erhöhen, werden folgende Problemlösungen angestrebt:

  • (i) Einsatz von Additiven, welche pentavalente Vanadiumlösungen stabilisieren und ein Ausflocken von Vanadiumoxiden aus den konzentrierten Elektrolytlösungen verhindern
  • (ii) Einsatz anderer Säuren oder deren Mischungen mit Schwefelsäure.

Bei der Verwendung von anderen Säuren wird die Koordinationschemie der Vanadiumionen im Elektrolyten verändert. Es wird angestrebt durch die Verwendung von verschiedener Säuren ein Ausflocken des pentavalenten Vanadiumions auch bei höheren Temperaturen zu vermeiden.

Alle Elektrolytformulierungen werden auf ihre Eignung hin elektrochemisch untersucht. Die Halbzellenreaktionen finden an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt statt, bei denen die Geschwindigkeit des Elektronenübergangs bzw. die Kinetik direkt durch den Mechanismus der elektrochemischen Redoxreaktionen bestimmt wird. Lösungsmittel und Additive haben einen direkten Einfluss auf die Elektrodenkinetik. Mit Hilfe der Voltammetrie kann ihr Einfluss auf die Elektrodenkinetik untersucht und eine Bewertung über die Eignung der Elektrolytlösungen vorgenommen werden.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Entwicklung oder Verbesserung in der Elektrolytformulierung durch Untersuchungen an Vanadiumlösungen mit Vanadium in der verschiedenen Oxidationsstufen
  • Voltammetrische Untersuchungen (stationäre oder rotierende Elektrode) an Modellelektrolytproben oder an von Kunden bereitgestellten Proben
  • Synthese und Verfahren zur Herstellung von festem  Vanadium(II)sulfat - hydrat für Modellelektrolytproben
  • Elektrochemische Untersuchung neuer Elektrodenmaterialien zum Einsatz in VRFBs (Voltammetrie, Impedanzspektroskopie, Zelltests)
  • Spektroelektrochemische Untersuchung an Glaskohlenstoff- oder Kundenspezifischen Elektrodenmaterialien
  • Erstellung einer Spezifikation für Vanadium-Elektrolytlösungen

Brom/Bromid-basierte Redox-Flow-Batterien

Spektroelektrochemische Untersuchung des Elektrolyten einer Zn/Br-Redox-Flow-Batterie an einer Glaskohlenstoffelektrode mit Hilfe der UV/VIS-Spektroskopie
© Foto Fraunhofer ICT

Spektroelektrochemische Untersuchung des Elektrolyten einer Zn/Br-Redox-Flow-Batterie an einer Glaskohlenstoffelektrode mit Hilfe der UV/VIS-Spektroskopie

Unterschiedliche kommerzielle und in der Forschung befindliche Redox-Flow-Batteriesysteme benutzen aufgrund seines hohen Elektrodenpotentials und der hohen Verfügbarkeit der Ausgangsstoffe, das Redoxpaar Brom/Bromid als kathodische Halbzelle. Allerdings können hohe Brom-Konzentrationen in den wässrigen Elektrolytlösungen erst durch die Bildung von reinen oder gemischten Polybromiden (Br3-, Br5-, ClBr2-) erreicht werden. Um das chemische Gleichgewicht in Richtung der Polyhalogenidionen zu verschieben, werden entweder organische Lösungsmittel wie Propionitril oder quarternäre Ammoniumbromide wie N,N-Methyl-ethyl-pyrrolidinium (MEP) oder N,N-Methyl-ethyl-morpholinium (MEM) dem Katholyten zugesetzt. Die entstehenden Polybromidkomplexe (QBr) sind unlöslich im wässrigen Elektrolyten und sammeln sich als hydrophobe Phase am Boden des Elektrolyttanks. Obwohl die Komplexbildner (QBr) seit über 40 Jahren für Bromspeicherung benutzt werden, wurden die elektrochemischen Eigenschaften auf das Br2/Br-- Gleichgewicht erst kürzlich untersucht. Neben der Bromspeicherung, begünstigt QBr die spezifische Adsorption von Bromid an der Kohlenstoff/Polymer-Kompositelektrode und beschleunigt dadurch die Br2/Br- Kinetik.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Entwicklung oder Verbesserung der Elektrolytformulierung durch Untersuchungen an Brom/Bromidhaltigen Elektrolyten mit Komplexbildnern oder Additiven nach Kundenwunsch
  • Voltammetrische Untersuchungen (stationäre oder rotierende Elektrode) an Modellelektrolytproben oder an von Kunden bereitgestellten Proben
  • Elektrochemische Untersuchung neuer Elektrodenmaterialien zum Einsatz in Brom/Bromid-Kathoden (Voltammetrie, Impedanzspektroskopie)
  • Spektroelektrochemische Untersuchung der Brom/Bromid-Umwandlung an Glaskohlenstoffelektroden
  • Untersuchung von Alterungs- oder Korrosionsprozessen an Materialien mit Hilfe von spektroskopischen und elektrochemischen Methoden
  • Bestimmung der chemische Beständigkeit von Materialien

Nichtwässrige Elektrolyte

Zyklisches Voltammogramm von A) V(acac)3 in Acetonitril/1,3-Dioxolan/Dimethylsulfoxid Lösungsmittelgemisch und B) VOSO4 in H2SO4
© Foto Fraunhofer ICT

Zyklisches Voltammogramm von A) V(acac)3 in Acetonitril/1,3-Dioxolan/Dimethylsulfoxid Lösungsmittelgemisch und B) VOSO4 in H2SO4

Nichtwässrige Elektrolyte zeichnen sich im Vergleich zu wässrigen Elektrolyten aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften vor allem durch ein breiteres Potentialfenster (bis zu 5 V) und ein breiteres Temperaturfenster (zwischen -180 und 300°C) aus. Dadurch lassen sich Batteriesysteme mit Eigenschaften entwickeln, die mit wässrigen Elektrolyten nicht oder nur sehr schwer realisiert werden können.

Am Fraunhofer ICT werden verschiedene neue nichtwässrige Elektrolytsysteme auf ihre Eigenschaften und Verwendbarkeit für Redox-Flow-Batterien mit einem Fokus auf Energie- und Leistungsdichte untersucht und charakterisiert. Die Untersuchungen können mittels unterschiedlicher elektrochemischer, chemischer und physikalischer Methoden erfolgen. (Zyklische Voltammetrie, Elektrochemische Impedanzspektroskopie, Batterietests, Spektroskopie, Leitfähigkeit, uvm.) Da die meisten Substanzen luft- und wasserempfindlich sind, können die Messungen unter Argonschutzgasatmosphäre in einer Glove-Box durchgeführt werden um störende Einflüsse zu vermeiden. Zusätzlich können Elektrolyte und andere Substanzen getrocknet werden. Zur Messung der Eigenschaften bei unterschiedlichen Temperaturen, können die Messungen innerhalb von Klimaschränken durchgeführt werden.

In der Vergangenheit wurden am Fraunhofer ICT vor allem Acetylacetonate in unterschiedlichen organischen Lösungsmitteln und auf ionischen Flüssigkeiten beruhende Redox-Flow-Batterien untersucht. Durch das Vorhandensein von speziellem Equipment zur Handhabung von wasser- und sauerstofffreien Stoffen können aber auch andere luftempfindliche Systeme untersucht und entwickelt werden.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Kooperationspartner für Industrie und in nationalen und internationalen Forschungsverbünden
  • Grundlegende Untersuchungen der Eigenschaften von nichtwässrigen Elektrolyten
  • Optimierung der Elektrolyteigenschaften
  • Konzeption und Aufbau von angepassten Zellen, Zellstapeln und Systemen für spezielle Anwendungen

Alternative Zellchemie und Hybridsysteme

Einteilung von Redox-Flow-Batterien nach Elektrolytsystem und Aggregatzustand
© Foto Fraunhofer ICT

Einteilung von Redox-Flow-Batterien nach Elektrolytsystem und Aggregatzustand

Neben den derzeit verbreiteten RFB-Typen Vanadium/Vanadium, Zink/Brom und Eisen/Chrom existiert noch eine Vielzahl an Systemen, welche sich im Forschungsstadium befindlichen. Einige dieser Systeme sind in der Literatur bisher nur theoretisch beschrieben worden. Alle Batteriesysteme, welche in der unten folgenden Abbildung aufgeführt sind, haben unterschiedliche Eigenschaften, die je nach Anwendungsfall mehr oder weniger stark berücksichtigt werden müssen. Insbesondere die Fragen nach niedrigen Speicherkosten und höheren Energiedichten sind neben Sicherheitsaspekten zentrale Gründe für die Suche nach einer alternativen Zellchemie für Flowbatterien.

In der Vergangenheit wurden am Fraunhofer ICT neben Vanadium-Batterien zahlreiche weitere RFBs untersucht und entwickelt. Untersucht wurden insbesondere Fe/Cr, Zn/Br, V/Br, Sx/Br, H/Br, V/O2 sowie auf Acetylacetonaten und ionischen Flüssigkeiten[link] beruhende Systeme mit organischen Elektrolytlösungen.

Aufgrund unserer langjährigen Erfahrungen als Kooperationspartner für Industrie und Forschungseinrichtungen können wir den gesamten Entwicklungsbereich von alternativen RFBs, ausgehend von Materialuntersuchungen bis zum kompletten System abdecken.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Untersuchungen von grundlegenden elektrochemischen und chemischen Eigenschaften von Redoxpaaren und Elektrolyten mit unterschiedlichsten Methoden (Zyklische Voltammetrie, Impedanzspektroskopie, VIS-NIR-InSitu-Spektroelektrochemie, RAMAN- und IR-Spektroskopie, REM-EDX)
  • Flüssigmetallsysteme (Na/S, Li/S) und Systeme aus Metallsuspensionen
  • Durchführung von Zellentwicklungen und Zelltests (Multichannel-Batterietests bis kW)
  • Gekoppelte elektrochemische und fluidische Simulationen und Modellierungen
  • Systemcharakterisierungen und –tests nach nationalen und internationalen Normen (DIN, VDE, CENELEC, IEC)
  • Prototypenbau

Vanadium/Luft Systeme

Demonstrator für gekoppelte Vanadium/Luft-Brennstoffzelle und Vanadium/Wasser-Elektrolyseur bis max. 1 kW elektrische Leistung
© Foto Fraunhofer ICT

Demonstrator für gekoppelte Vanadium/Luft-Brennstoffzelle und Vanadium/Wasser-Elektrolyseur bis max. 1 kW elektrische Leistung

Die Kombination einer negativen Flow-Batterie-Elektrode mit V2+/V3+-Ionen mit einer Sauerstoffkathode bildet die Grundlage von Vanadium/Luft-Systemen. Historisch gesehen werden diese Systeme zu den Redox-Flow-Batterien gezählt, sind jedoch meistens aufgrund fehlender elektrochemischer Reversibilität der Kathodenreaktion Brennstoffzellen, die Vanadiumionen mit Hilfe von Luftsauerstoff „verbrennen“. Daher wird für dieses System auch häufig der Name Vanadium-Oxygen-Fuel-Cell, kurz VOFC verwendet.  

Aufgrund der Verwendung von lediglich einem Energiespeichermediums statt zwei, bieten Vanadium/Luft-Systeme das Potential deutlich höhere Energiedichten gegenüber Vanadium-Redox-Flow-Batterien zu erreichen. Allerdings verhindern die bisher komplexe Prozessführung und die geringen bisher erreichten Leistungsdichten eine breite Anwendung des Systems. Bedingt durch den Umstand, dass sich die Kathodenreaktion meist nicht umkehren lässt, muss ein speziell angepasster Vanadium/Wasser-Elektrolyseur für den Ladevorgang genutzt werden. Alternativ können aber auch reversible Zellen aufgebaut werden, welche dann aber komplexe Katalysatorsysteme benötigen. Bis heute wurden nur relativ wenige Untersuchungen an dieser Art von Energiespeicher durchgeführt, wobei sich die Forschungsbestrebungen in den letzten Jahren intensiviert haben.

Das Fraunhofer ICT hat umfangreiche Erfahrungen in der Untersuchung und Entwicklung von Vanadium- und anderen Metallionen/Luft-basierten Systemen gesammelt. Durch die vorhandene Ausstattung können von unterschiedlichen Testzellen bis hin zu Stacks und Systemen, sowie deren grundlegende Elektrochemie untersucht und entwickelt werden.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Entwicklung von Vanadium/Luft- oder anderen Metallionen/Luft-Systemen sowie die Entwicklung von Komponenten
  • Zell-, Stack-, Systementwicklungen und Tests
  • Teststand bis 1kW elektrische Leistung
  • Entwicklung und Untersuchung von Vanadium/Wasser- oder anderen Metallionen/Wasser -Elektrolyseuren
  • Komponententests
  • Entwicklung von Katalysatoren und beschichteten Membranen

Stackentwicklung und Batteriesysteme

Von der Konstruktion von Batterie-Stacks bis hin zur Entwicklung von Produktionsverfahren werden am Fraunhofer ICT Demonstratoren für Redox-Flow-Technologie entwickelt. Außerdem stehen Testkapazitäten zur Verfügung, um Flow-Batterien vom Stack bis hin zum ganzen Batteriesystemen zu zertifizieren.

Prototypenentwicklung und Tests von Zellstacks

links: Strömungsgeschwindigkeit der Elektrolyte in einem 22-zelligen RFB-Zellstapel (Stack) der 1 kW-Klasse durch Fluidsimulation errechnet. rechts: CAD-Modell des Stacks
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links: Strömungsgeschwindigkeit der Elektrolyte in einem 22-zelligen RFB-Zellstapel (Stack) der 1 kW-Klasse durch Fluidsimulation errechnet. rechts: CAD-Modell des Stacks

Eine Kernkomponente der Redox-Flow-Batterie bildet der zur Energiewandlung benötigte Zellstapel (engl. Stack). Die Leistungsfähigkeit des Stacks entscheidet neben den Elektrolytlösungen maßgeblich über die Effizienz und die Kosten, die für die Energiespeicherung notwendig sind. Die Stacks sind komplexe elektrochemische Durchflussreaktoren, die neben der notwendigen Dichtheit gegenüber den Elektrolyten, vor allem auch gleichmäßige Durchströmung durch alle Zellen und –flächen, sowie einen möglichst gleichmäßigen Aufbau mit geringen Widerstandsverlusten gewährleisten müssen. Dabei unterscheiden sich die Stacks je nach Erfordernissen der eingesetzten Batteriechemie zum Teil deutlich voneinander.

Durch reine Fluidsimulationen oder gekoppelte elektrochemische Modelle, können Zell- und Stackgeometrien auf ihre Eignung und Optimierungsmöglichkeiten untersucht werden. Durch Entwicklung und Tests von Zellprototopyen und nachfolgende Hochskalierung zum fertigen Stack können mittels unterschiedlicher massenproduktionstauglicher Fertigungstechnologien neuartige Energiewandlerkonzepte verwirklicht werden.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Entwicklung von neuartigen Zell- und Stackdesigns für wässrige und nichtwässrige Elektrolyte, Suspensionen und Gase
  • Simulation und Modellierung der elektrochemischen Eigenschaften und des Fluidverhaltens
  • Auswahl und Beständigkeitsuntersuchungen von Materialien (Thermoplaste, Elastomere, Membranen, Bipolarplatten)
  • Fertigung von Komponenten, Zellen und Stacks als Demonstratoren
  • Auswahl und Entwicklung von modernen Fertigungstechnologien wie Mehrkomponentenspritzguss und Extrusion
  • Temperierte Zell- und Stacktests bis 60 kW elektrischer Leistung mit Einzelzellspannungsmessung und Impedanzspektroskopie
  • Post mortem Analysen

Auslegung von Testständen

Redox-Flow-Stack-Teststand zum Testen von Leistungen bis 4 kW
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Redox-Flow-Stack-Teststand zum Testen von Leistungen bis 4 kW

Zum Testen von Redox-Flow-Batterie-Stacks werden am Fraunhofer ICT eigene Teststände entwickelt und aufgebaut. Die Teststände verfügen über diverse Sicherheitsfunktionen und können vollautomatisiert betrieben werden. Durch den einfachen modularen Aufbau und die Steuerung über eine branchenübliche Industrie-SPS sind die Teststände besonders wartungsarm.

Weitere technische Spezifikationen sind:

  • Umfangreiche Sensorik zur Überwachung sämtlicher Betriebsparameter wie Durchfluss, Druck, Elektrolyttemperatur, Füllstand, u.a.
  • Wärmeübertrager für isotherme Testbedingungen
  • „Batteriemanagementmodus“ für Pumpenregelung in Abhängigkeit des Ladezustands und anderer Parameter
  • Datenaufzeichnungs- und Archivierungsfunktion
  • Implementierung verschiedener konfigurierbarer Sicherheitsfunktionen zur automatischen Abschaltung bei Wasserstoff- oder Leckagedetektion oder Überlast, etc.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Beratung und Unterstützung beim Aufbau von Redox-Flow-Testständen
  • Auslegung und Aufbau maßgeschneiderter Teststände und Demonstratoren

Durchführung von Systemtests

Redox-Flow-Batterie-Testsysteme bis 10 kW elektrischer Leistung
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Redox-Flow-Batterie-Testsysteme bis 10 kW elektrischer Leistung

Im Gegensatz zu konventionellen Batterietechnologien bestehen Redox-Flow-Batterien (RFB) nicht aus einzelnen starren Baugruppen sondern aus zwei Fluidkreisläufen in denen der Elektrolyt ständig durch die Wandlereinheiten gepumpt wird. Durch individuelle Dimensionierung der Stacks und der Elektrolyttanks können so Leistung und Kapazität unabhängig voneinander ausgelegt werden. Eine Redox-Flow-Batterie besteht demnach aus Wandlereinheiten, Pumpen und einem Rohrleitungssystem, Elektrolyttanks und Batteriemanagementsystem. Alle Komponenten zusammen bilden das Batteriesystem.

Dank jahrelanger Erfahrung mit All-Vanadium-Redox-Flow-Systemen verfügt das Fraunhofer ICT über große Expertise im Bereich RFB-Tests. Durch die Mitarbeit im Arbeitskreis „Flow Batteries“ in der Deutschen Kommission Elektrotechnik und eine enge Beteiligung in internationalen Standardisierungskomitees ist das ICT in der Lage, Tests nach aktuellstem Entwicklungsstand durchzuführen.

Für Batterietests nach unterschiedlichen Batterienormen, Stresstests und Langzeitversuchen stehen mehrere Batteriezyklisierer zur Verfügung, darunter:

  • Batterietestgerät - 2 Kanäle
  • Lade-/ Entladeleistung bis 5 kW je Kanal
  • Erweiterbar durch Einzelzellmessmodul - 64 Kanäle, je 0 - 5 V
  • Batterietestgerät 1 Kanal
  • Lade-/ Entladeleistung bis 60 kW

Aufbau und Entwicklung von Batteriedemonstratoren

15 kW/30 kWh Redox-Flow-Batterie-Container
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RFB Demonstrator für Lehrzwecke
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RFB Demonstrator für Lehrzwecke

Das Fraunhofer ICT verfügt über langjährige Erfahrung im Upscaling der Einzelzellen im Labormaßstab zu Multikilowattanlagen. Seinen vorläufigen Höhepunkt erreicht diese Entwicklung im Aufbau einer 2 MW/20 MWh-Großbatterie mit angekoppelter Windkraftanlage. Ein Zwischenschritt bildete unter anderem ein 15 kW-System im Schiffscontainerformat .

Batteriedemonstratoren können am ICT aus 1 kW- oder 3 kW-Stacks modular aufgebaut werden. Die am ICT entwickelten 1 kW-Stacks werden dabei in Handarbeit zusammengesetzt. Die Einzelteile hierfür stammen zum Teil aus der hauseigenen Spritzgussanlage. Von dem Rohrleitungssystem bis hin zur Elektronik und Automatisierung werden die kleinen bis mittleren Anlagen komplett im Haus entwickelt und aufgebaut. Hierbei kann auf eine langjährige Erfahrung mit den verschiedenen Elektrolyten bzgl. Beständigkeit und Tauglichkeit der benötigten Komponenten zurückgegriffen werden.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Auslegung und Aufbau von Redox-Flow-Batteriesystemen ab 1 kW Leistung
  • Aufbau und Bereitstellung von Kleindemonstratoren für Lehrzwecke

Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

RFB Prototyp einer Unterbrechungsfreien Stromversorgung (1,5 kW, 1,5 kWh) CAD Zeichnung links, reale Anlage rechts
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RFB Prototyp einer Unterbrechungsfreien Stromversorgung (1,5 kW, 1,5 kWh) CAD Zeichnung links, reale Anlage rechts

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) kommt überall dort zum Einsatz, wo kritische elektrische Verbraucher vor Netzausfällen und Netzstörungen geschützt werden müssen, wie z.B. in Krankenhäusern, Telekommunikationsanlagen oder Serveranlagen. Insbesondere Redox-Flow-Batterien eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaft der unabhängigen Skalierbarkeit von Leistung und Kapazität und der hohen Lebensdauer für den Einsatz in USV-Systemen. Am Fraunhofer ICT wurde hierfür ein Demonstrator entwickelt und aufgebaut, der unter anderem über folgende technische Merkmale verfügt:

  • USV der Klasse VFI (Voltage Frequency Independent)
  • Nennleistung 700 W, Spitzenleistung 1,5 kW
  • Kapazität 1,5 kWh

 

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Beratung zu Redox-Flow-USV-Systemen
  • Auslegung von Redox-Flow-USV-Systemen
  • Entwicklung und Aufbau von Redox-Flow-USV-Systemen zu Lehr- und Demonstrationszwecken

Dichtungstechnik

Teststand mit (1) Druckkammer mit Dichtbett und Dichtungsträgerplatte, (2) Fluidlaufregelung mit Kreislaufpumpe, (3) Fluiddruckregler mit Drucksensor
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Teststand mit (1) Druckkammer mit Dichtbett und Dichtungsträgerplatte, (2) Fluidlaufregelung mit Kreislaufpumpe, (3) Fluiddruckregler mit Drucksensor

Druckverlauf eines Dichtsystems über der Zeit
© Foto Fraunhofer ICT

Druckverlauf eines Dichtsystems über der Zeit

Auslegung des Arbeitsbereichs unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen
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Auslegung des Arbeitsbereichs unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen

Am Fraunhofer ICT können Dichtungssysteme auf Ihre Anwendung hin untersucht und praktisch validiert werden. Aufgrund der Erfahrungen im Bereich Redox-Flow-Batterien wurde am Fraunhofer ICT ein Verfahren entwickelt, um Dichtungssysteme mit unterschiedlichen Materialien und Geometrien theoretisch abzuschätzen und praktisch zu validieren. Dafür wurde ein eigens entwickelter Teststand eingeführt, der die Charakterisierung verschiedener Dichtsysteme ermöglicht.

Für eine theoretische Analyse werden die relevanten Systemdaten  ermittelt und daraus ein spezifisches Dichtungskonzept erstellt. Anschließend wird das gewählte Dichtkonzept auf die Schwachstellen reduziert und ein vereinfachtes Abbild für den Teststand als Prüfling erzeugt. Mit dem so entstandenen Prüfling wird die theoretische Auslegung praktisch im Teststand überprüft.

Dieses Testverfahren wird für alle relevanten Fluiddruckstufen und festgelegten Annahmen wiederholt.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Fehleranalyse an bestehenden Dichtsystemen
  • Praktische Überprüfung von Dichtsystemen mit aggressiven Medien bis 5 bar Überdruck
  • Beratung in Bezug auf dichtungstechnische Problemstellungen
  • Spritzgussversuche für neue TPEs

Modellierung und Simulation

Am Fraunhofer ICT wird der Betrieb von Redox-Flow-Batterien fluidisch und elektrochemisch modelliert und simuliert, ebenso gehören ortsaufgelöste Untersuchungen in RFB-Zellen zu den Arbeitsthemen. Auf der Systemebene bieten wir technologieübergreifend Speicherauslegungen und techno-ökonomische Untersuchungen von kleinen Stromnetzen (Microgrids) an.

Modellierung und Simulation von Redox-Flow-Batterien

Ausschnitt aus einem vereinfachten Durchflussrahmen
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Ausschnitt aus einem vereinfachten Durchflussrahmen. Links: Stromlinien aus einer CFD-Simulation; rechts: Verteilung der „geladenen“ Ionen-Spezies in einer Schnittebene und Transport durch Konvektion (rote Pfeile) und Diffusion (schwarze Pfeile) aus einer gekoppelten Mehr-Physik-Simulation.

Eine Anlage aus drei Flow Batterie Stacks und ihre Darstellung als Äquivalentschaltkreis
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Eine Anlage aus drei Flow Batterie Stacks und ihre Darstellung als Äquivalentschaltkreis

Redox-Flow-Batterien sind messtechnisch schwierig zu erfassen. Deshalb ist es interessant, Redox Flow Zellen zu modellieren und mit den Ergebnissen virtuelle Batterien zu simulieren. Mit Hilfe dieser Batterie-Simulationen können die Eigenschaften von Redox-Flow-Batterien untersucht und für eine Bewertung von Batteriekonzepten im scale-up für große stationäre Energiespeicher verwendet werden.

Das elektrische Verhalten einer Flow-Batterie hängt sowohl von der geometrischen Gestaltung der Zelle, dem Elektrolyt-Durchfluss als auch von den verwendeten Materialien ab. Das Modell verwendet eine CAD-Darstellung der Zelle und berechnet darin gekoppelt eine CFD- sowie eine Mehr-Physik-Simulation und erlaubt die lokale Auflösung von elektrochemischen Phänomenen.

In einem Stack bzw. in einem System aus mehreren Stacks wird das elektrische Verhalten zusätzlich durch Effekte aus der Verbindung mehrerer Zellen zu einem System beeinflusst, z.B. durch Streuströme oder ungleiche Durchflussraten in verschiedenen Zellen. Eine abstrahierte Modellierung von Stacks ermöglicht es, die Auswirkungen dieser Effekte abzuschätzen und Optimierungspotenziale aufzuzeigen. Dieses abstrahierte Modell kann Ergebnisse aus der Simulation von Einzelzellen verwenden, um den Einfluss von einzelnen Zellkomponenten auf das Gesamtsystem zu untersuchen.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • CFD-Simulationen der Elektrolytströmung in Durchflusszellen (offene Rohrströmung und Strömung in poröser Elektrode) und Rohrleitungsnetzwerken
  • Mehr-Physik-Simulation von Einzelzellen für Lade- und Entladeoperationen
  • Validierung von Simulationsergebnissen mit Messungen an Zellen im Labormaßstab
  • Übertragung der Ergebnisse auf Stacks mit größeren Zellen („scale-up“)
  • Systemtheoretische Untersuchung von Stacks und Systemen aus mehreren Stacks
  • Vorschlägen zur Zell- und Systemoptimierung, der Betriebsführung sowie Parameter für das Batteriemanagement

Ortsaufgelöste Untersuchungen an Redox-Flow-Batterien

Testzelle mit Messplatine zur ortsaufgelösten Untersuchung von Stromdichten während des Betriebs
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Testzelle mit Messplatine zur ortsaufgelösten Untersuchung von Stromdichten während des Betriebs

Für das Verständnis und die Weiterentwicklung von Redox-Flow-Batterien sind ortsaufgelöste Untersuchungen sehr hilfreich. Eine in der Zelle integrierte Messplatine eröffnet neue Diagnosemethoden. Durch die Messung der lokalen Stromdichte können beispielsweise Rückschlüsse auf die in der Zelle herrschende Durchströmung gezogen werden.

Dieses neue, vom Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Fraunhofer ICT entwickelte Messverfahren ermöglicht eine Optimierung der Strömungsgeometrie innerhalb einer Zelle . Dadurch kann eine Steigerung von Leistung und Effizienz von Redox-Flow-Batterien erreicht werden. Derzeit kommt die segmentierte Stromdichtemessung ausschließlich in Einzelzellen im Einsatz. Die Methode soll aber in Zukunft durch angepasste Messplatinen hochauflösende Echtzeitmessungen auch im Zellstapel ermöglichen. Neben der lokalen Stromdichte sind auch weitere Parameter wie Temperatur- oder Übergangswiderstandsverteilungen durch Impedanzmessungen – wenn möglich auch in Abhängigkeit von anderen Einflussgrößen, beispielsweise der Graphitfilzkompression – Gegenstand der Forschung.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Ortsaufgelöste Messungen von Stromdichte und Temperatur in einer Einzelzelle
  • Realisierung von an Kundenwunsch angepasste Messaufbauten zu ortsaufgelösten Untersuchungen sowohl von Einzelzellen als auch von Batteriestacks
  • Beratung bei der Gestaltung, Auslegung und Validierung von strömungsoptimierten Flussfeldgeometrie

Simulation von Microgrids - Speicherauslegung

Prinzip eines Microgrids mit verschiedenen Energiequellen
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Prinzip eines Microgrids mit verschiedenen Energiequellen

Grafische Darstellung eines Ladezustandsverlaufs einer Offgrid Batterieanwendung über ein Jahr
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Grafische Darstellung eines Ladezustandsverlaufs einer Offgrid Batterieanwendung über ein Jahr

Ein Microgrid ist ein lokal begrenztes Energienetz, welches aus Energieerzeugern,   -verbrauchern und gegebenenfalls Speichern bestehen kann. Das lokale Netz kann hierbei rein elektrisch oder durch eine Kombination von elektrischen und thermischen Erzeugern versorgt werden. Ein Microgrid kann sowohl als reines Inselnetz als auch in Verbindung zu einem öffentlichen Netz betrieben werden. Es wird dabei oft angestrebt den externen Bezug von Energie zu reduzieren oder einen autonomen Betrieb bei Ausfall des übergeordneten Netzes sicherzustellen.

Stationäre Batteriespeicher finden hierbei zunehmend Anwendung. Das Fraunhofer ICT untersucht in Form von Modellierung und Simulation von Microgrids die Wahl der optimalen Speichertechnologie wie auch der Dimensionierung von Speichern und regenerativen Energieerzeugern, unter Berücksichtigung von technischen und ökonomischen Randbedingungen.

Bei der Auslegung von batteriegestützten Stromversorgungen auf Basis regenerativer Energiequellen spielt der geplante Einsatzort eine entscheidende Rolle. Mit Hilfe einer individuellen, auf Klimadaten und Lastgängen basierenden Simulation kann die Technologieauswahl, die Dimensionierung und der Betrieb von Batteriespeichern und regenerativen Energiequellen für den praktischen Einsatz optimiert werden. Außerdem können Prognosen, Machbarkeitsstudien und techno-ökonomische Analysen erstellt werden.

Folgende Leistungen bieten wir an:

  • Technologiespezifische Modellierung von Energiequellen, -speichern und -senken
  • Standortabhängige Simulation der Energiequellen unter Berücksichtigung von Wetterdaten
  • Technoökonomische Analysen
  • Anwendungsspezifische Dimensionierung von Speichern und Erzeugern
  • Leistungsbereich von wenigen Watt (Bsp. autonome Sensoranwendung) über Kilowatt (Bsp. netzferne Stromversorgung) bis zu Megawatt Anwendungen (Bsp. Industrieunternehmen)

Veröffentlichungen Redox-Flow-Batterie

Model of a vanadium redox flow battery with an anion exchange membrane and a Larminie-correction

F. T. Wandschneider, D. Finke, S. Grosjean, P. Fischer, K. Pinkwart, J. Tübke, H. Nirschl, Journal of Power Sources 11/2014; 272

DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.08.082

A multi-stack simulation of shunt currents in vanadium redox flow batteries

Wandschneider F. T., Röhm S., Fischer P., Pinkwart K., Tübke J., Nirschl H.; J. Power Sources (2014), 09, 261-64.

DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.03.054

A coupled-physics model for the vanadium oxygen fuel cell

Wandschneider F.T., Kuttinger M., Noack  J., Fischer P., Pinkwart K., Tubke J., Nirschl, H., J. Power Sources (2014) 259, 125-37

DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.02.087

Development of carbon nanotube and graphite filled polyphenylene sulfide based bipolar plates for all-vanadium redox flow batteries

Caglar B., Fischer P., Kauranen P.,Karttunen M., Elsner P.,  J. Power Sources (2014) 256; 88-95

DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.01.060

Development and characterization of a 280 cm2 vanadium/oxygen fuel cell

Noack J., Cremers C., Bayer D., Tübke J., Pinkwart K., J. Power Sources (2014) 253; 397-403

DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.12.070

Conductive polymer composites and coated metals as alternative bipolar plate materials for all-vanadium redox-flow batteries

Caglar B., Richards J., Fischer P., Tübke, J. Adv. Mat. Lett. (2014) 5(6), 299-308

DOI: 10.5185/amlett.2014.amwc.1023

Increasing the energy density of the non-aqueous vanadium redox flow battery with the acetonitrile-1,3-dioxolane-dimethyl sulfoxide solvent mixture

T. Herr,  P. Fischer, J. Tübke, K. Pinkwart, P. Elsner; Journal of Power Sources (2014), 265, 317–324

DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.04.141

Development of Redox Flow Batteries for Mobile Applications

Noack J., Wandschneider F., Herr T., Palminteri D., Hihn M., Roth T., Cognard G., Stadelmann K., Fischer P., Tübke J., Pinkwart K., Elsner P., Proceedings, 4th International Flow Battery Forum, Dublin, Ireland (2013)

1,3-Dioxolane, tetrahydrofuran, acetylacetone and dimethyl sulfoxide as solvents for non-aqueous vanadium acetylacetonate redox-flow-batteries

Herr T., Noack J., Fischer P., Tübke J.,  Electrochim. Acta (2013), 113, 127-133

DOI: 10.1016/j.electacta.2013.09.055

Vanadium/Air fuel cell and vanadium/water proton exchange membrane electrolyser

Noack J., Roth T., Hihn M., Tübke J., Proceedings, The 7th International Green Energy Conference & DNL 1st Conference on Clean Energy, Dalian, China (2012)

Cell design, long-term stability test and direct half-cell measurements with dynamic hydrogen electrode for vanadium/air fuel cell

Noack J, Tübke J., Proceedings, 3rd International Flow Battery Forum, Munich, Germany (2012)

Corrosion Studies on Electro Polished Stainless Steels for the Use as Metallic Bipolar Plates in PEMFC Applications

Richards J., Cremers C., Fischer P., Schmidt K., Energy Procedia (2012), 20,324–333.

DOI:10.1016/j.egypro.2012.03.032

Aging Studies of Vanadium Redox Flow Batteries

Noack J., Vorhauser L., Pinkwart K., Tübke J., ECS Transactions (2011) 33( 39); 3-9

DOI: 10.1149/1.3589916

A Comparison of Materials and Treatment of Materials for Vanadium Redox Flow Battery

Noack J., Tübke, J,  ECS Transactions (2010), 25 (35), 235-245

DOI: 10.1149/1.3414022

Redox flow batteries for fluctuating renewable energies

Noack J., Tübke J., Proceedings, Battcon – International stationary battery conference, Orlando, Florida, USA, 2009

Lastausgleich durch Redox-Flow-Batterien

Noack J., Berthold S., Tübke J.; Energy 2.0 Kompendium (2009)

Redox-flow-batteries A view of the current development position

Tübke J., Noack  J.,  Elektrische Energiespeicher, VDI Berichte (2009), 2058, 93-99

ISBN:978-3-18-092058-0

Patente

Methode zur Speicherung von elektrischer Energie in ionischen Flüssigkeiten

Noack J., Pinkwart K., Tübke J.

Patent DE 102009009357

Luftatmende Brennstoffzelle und Zellstapel für die Oxidation von Ionen mit Luftsauerstoff

Noack J., Berger T., Pinkwart K., Tübke J.

Patent DE 102011107185

Broschüre "Redox-Flow-Batterie"

„… multi megawatt energy storage solutions using – and I have no idea what this is – vanadium redox fuel cells. That’s one of the coolest things I ever said out loud”

Barack Obama