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Energie, Chemie, 12.01.2016, 13:39

Megawatt-Stromspeicher für die Energiewende: Forschungsprojekt zu Redox-Flow-Batterien erhält Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie

  • Neues Herstellungsverfahren ermöglicht industrielle Nutzung und Speicherleistungen im zwei- bis dreistelligen Megawatt-Bereich
  • Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert das Verbundvorhaben „Extrusions-Platte“ als branchenübergreifende Kooperation von Industrie und Forschung mit insgesamt 3,9 Mio Euro

Vor dem Hintergrund der rasant steigenden Nachfrage nach Speicherlösungen für die Energiewende haben die Unternehmen thyssenkrupp, Centroplast und Eisenhuth sowie das Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (EFZN) und das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) ein gemeinsames Forschungs- und Entwicklungsprojekt ins Leben gerufen. Ziel ist es, ein neues, kostengünstiges Herstellungsverfahren für eine der Kernkomponenten von Redox-Flow-Batterien – die Bipolarplatte – mit Flächen im m²-Bereich zu entwickeln. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) unterstützt das Projekt im Rahmen der Fördermaßnahme „Extrusions-Platte – Neuartige großflächige Bipolarplatten im Extrusionsverfahren für Redox-Flow-Batterien“ über drei Jahre mit 3,9 Mio Euro. Die neue Technologie, die eine enorme Reduzierung der spezifischen Herstellungskosten von Redox-Flow-Batterien ermöglicht, soll voraussichtlich ab 2018 von thyssenkrupp vermarktet werden.

Der weltweite Markt für Energiespeichersysteme wächst rapide. Grund dafür ist, dass sich Erneuerbare Energien immer mehr am Energiemarkt durchsetzen. Die Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien wird sich im Zeitraum 2012 bis 2040 etwa verdreifachen, so die Prognosen der Internationalen Energie Agentur IEA. Das Problem dabei: Wind und Sonne sind volatil. Die Energiemengen, die sie zur Verfügung stellen, richten sich nicht nach dem aktuellen Bedarf, sondern unterliegen starken Schwankungen. Um zukünftig große Energiemengen aus erneuerbaren Ressourcen speichern zu können, werden flexible Stromspeicher wie die Redox-Flow-Batterie benötigt.

Von Watt zu Megawatt: Redox-Flow-Batterien mit Potential für großtechnische Anwendungen

Die Besonderheit der Redox-Flow-Batterie liegt darin, dass die Speicherung der Energie und deren Umwandlung nicht wie bei anderen Batteriesystemen am selben Ort stattfindet, sondern räumlich voneinander getrennt abläuft. Redox-Flow-Batterien speichern den Strom als chemische Energie in zwei großen Tanks, in denen sich elektrolytische Flüssigkeiten befinden – Salze, die in organischen oder anorganischen Säuren gelöst sind. Die beiden Tanks sind mit elektrochemischen Zellen verbunden, die den Strom in chemische Energie oder chemische Energie in Strom umwandeln. Die Leistung und die zu speichernde Strommenge der Redox-Flow-Batterie sind unabhängig voneinander skalierbar. Dies stellt neben der langen Lebensdauer einen großen Vorteil der Redox-Flow-Batterie gegenüber anderen Batteriesystemen dar. Redox-Flow-Batterien eignen sich insbesondere als stationäre Energiespeicher. Sie können sehr schnell auf die jeweilige Versorgungssituation reagieren und in Sekundenbruchteilen von Speichern auf Entladen umstellen. Der Systemwirkungsgrad liegt momentan bei bis zu 80 Prozent.

Je größer die Tanks, desto mehr Strom kann gespeichert werden. Die Leistung hängt dagegen von der Größe der aktiven Fläche der elektrochemischen Zellen und damit direkt von der Größe der Bipolarplatte ab. Diese zu vergrößern, hat sich das Konsortium aus Industrie und Forschung zum Ziel gesetzt. Beim derzeitigen Stand der Technik misst die Zellfläche von kommerziellen Redox-Flow-Batterien ca. 0,1 m²; die Leistung liegt damit bei nur etwa 80 Watt. Um zukünftig auch großtechnische, industrielle Anwendungen realisieren zu können, will man die aktive Zellfläche von Redox-Flow-Batterien auf 2,7 m² vergrößern, also auf das mehr als 30fache. Durch Verschaltung einiger hundert bis mehrerer tausend dieser Zellen zu größeren Einheiten erhält man einen Energiespeicher im zwei- bis dreistelligen MW-Bereich. Dieses Prinzip ist nicht neu und wird bereits heute in anderen Elektrolyseanwendungen, zum Beispiel in der Chlorproduktion, praktiziert.

Innovation durch branchenübergreifende Zusammenarbeit

Der Anlagenbauer thyssenkrupp Industrial Solutions arbeitet schon seit geraumer Zeit mit Hochdruck an der Weiterentwicklung der Redox-Flow-Speichertechnologie hin zu Lösungen im großtechnischen Maßstab. Dabei liegt das Know-how des Unternehmens vor allem im Aufbau der elektrochemischen Zelle. Durch die Entwicklung eines verbesserten, für thyssenkrupp patentierten Zelldesigns konnte am Forschungs- und Entwicklungsstandort in Ennigerloh kürzlich ein Redox-Flow-Speicher in Technikumsgröße mit Zellflächen von bis zu 0,6 m² in Betrieb genommen werden. Hier werden zukünftig auch die neu entwickelten Bipolarplatten unter anwendungsnahen Bedingungen auf ihren Einsatz in Redox-Flow-Batterien getestet.

Im Rahmen des nun gestarteten Projekts zur Entwicklung eines Herstellungsverfahrens neuartiger Bipolarplatten ist Eisenhuth für die Übertragung der Forschungsergebnisse in die industrielle Fertigung und für die Produktion von flächenmäßig kleinen Bipolarplatten verantwortlich. Das ZBT übernimmt mit Unterstützung durch Eisenhuth die Auswahl und Weiterentwicklung von Materialien und Werkstoffen, die hinsichtlich der neuen Technologie für die Herstellung der Bipolarplatten geeignet sind.

Der Kunststoffspezialist Centroplast wird das Scale-up der Bipolarplatten übernehmen und die Machbarkeit ihrer Herstellung im m²-Maßstab mittels der neuen Technologie demonstrieren. Dabei liegt der Schwerpunkt vor allem darauf, die Bipolarplatten fehlerfrei und in hoher Qualität reproduzierbar in einem robusten Prozess herzustellen. Während des Entwicklungsprozesses werden die Forschungsinstitute ZBT und EFZN die Herstellung der Bipolarplatten durch Eisenhuth und Centroplast mithilfe umfangreicher Materialcharak-terisierungen und elektrochemischer Untersuchungen unterstützen.

thyssenkrupp Industrial Solutions übernimmt schließlich die Einbindung der neu entwickelten Bipolarplatten in Redox-Flow-Batterien sowie die weitere Optimierung des Zelldesigns hin zu großtechnischen Anwendungen. Das Gemeinschaftsprojekt zur Herstellung der Bipolarplatte wird von Eisenhuth koordiniert.

thyssenkrupp Industrial Solutions:
Der Geschäftsbereich Industrial Solutions von thyssenkrupp ist ein führender Partner für Planung, Bau und Service rund um industrielle Anlagen und Systeme. Neben Chemie-, Kokerei-, Raffinerie-, Zement- und anderen Industrieanlagen zählen auch Anlagen für Tagebau, Erzaufbereitung oder Hafenumschlag sowie entsprechende Dienstleistungen zu unserem Portfolio. Im Marinebereich sind wir einer der führenden, global agierenden Systemanbieter für U-Boote und Überwasserschiffe. Für unsere Kunden in der Automobil-, Luftfahrt- und Batterieindustrie optimieren wir als wichtiger Systempartner die Wertschöpfungskette und stärken die Leistungskraft. Gemeinsam mit unseren Kunden entwickeln wir Lösungen auf höchstem Niveau und liefern Effizienz, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit entlang des kompletten Lebenszyklus. Rund 19.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter bilden an über 70 Standorten ein globales Netzwerk, dessen Technologieportfolio ein Höchstmaß an Produktivität und Wirtschaftlichkeit garantiert.

Centroplast:
Die Centroplast Engineering Plastics GmbH ist Mitglied der CENTROTEC Sustainable AG, einem Unternehmen, das mit seinen Produktionswerken überwiegend auf den Märkten für Energieeffizienz und erneuerbare Energien in Gebäuden tätig ist. In diesem Verbund fertigt Centroplast seit vielen Jahren Platten und andere Kunststoffhalbzeuge – aber auch spangebend hergestellte Bauteile – aus hochwertigen technischen Kunststoffen für unterschiedliche Anwendungen. Mit diesem Hintergrund konnte Centroplast bereits Erfahrungen in der Verarbeitung von anspruchsvollen, gefüllten Werkstoffen (z.B. Carbon, Keramik u.ä.) sammeln. Die formgebenden Strangextrusionswerkzeuge werden im Centroplast eigenen Werkzeugbau angefertigt.

Eisenhuth:
Die Eisenhuth GmbH & Co. KG beschäftigt sich seit 2007 intensiv mit der Produktion und Entwicklung von Brennstoffzellen-Komponenten. Das Unternehmen hat zu diesem Zeitpunkt die Bipolarplatten-Technologie von SGL Carbon übernommen und in den Folgejahren substantiell weiter entwickelt, so dass es heute zu den führenden Anbietern von Bipolarplatten gehört. Eisenhuth wurde 1945 gegründet und hat seine Kernkompetenzen ursprünglich im Formenbau und der Herstellung von Kunststoffteilen (Kautschuk, Silikon und Duroplast) in Klein- und Mittelserien. Mit diesen Grundlagen ließen sich die Bipolarplatten-Aktivitäten ideal integrieren und die Technologie weiter entwickeln. Zunächst hat Eisenhuth nur Bipolarplatten für Brennstoffzellen entwickelt und die Aktivitäten sukzessive hin zu Li-Ionen- und Redox-Flow-Batterien erweitert.

Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (EFZN):
Am EFZN mit Sitz in Goslar werden zur Zeit im Bereich Energiewandlung und Veredelung gemeinsam mit dem Institut für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik der Technischen Universität Clausthal Arbeiten zur Katalysatorentwicklung für Methanol-Brennstoffzellen und zu energieeffizienten Elektrolyseverfahren an Gasdiffusionselektroden durchgeführt. Darüber hinaus werden wieder aufladbare Zink-Luft-Batterien entwickelt und verschiedene Projekte zu verbesserten Komponenten, Zelldesigns sowie zur Wirtschaftlichkeit von Redox-Flow-Batterien bearbeitet.

Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT):
Das ZBT unter der Leitung von Frau Prof. Dr. Heinzel beschäftigt sich seit 2001 als unabhängige, industrienahe und anwendungsorientierte Forschungseinrichtung mit der Entwicklung innovativer Energietechnologien mit Schwerpunkt auf elektrochemischen Wandlern wie Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und Batterien. Für die Realisierung geeigneter Bipolarplatten für Brennstoffzellen und Flußbatterien werden Graphite oder andere kohlenstoffhaltige Füllstoffe zu hohen Füllgraden in verschiedene Polymermatrices eingearbeitet. Hierzu steht dem ZBT ein umfangreicher Maschinenpark (Labormesskneter, Doppelschnecken-, Vielwellen-Extruder, Schnellmischer) zur Verfügung. Dieser wird zur Entwicklung der leitfähigen und für die geplante Anwendung ausreichend mechanisch stabilen Compoundmaterialien eingesetzt. Die Weiterverarbeitung dieser Materialien zu Bipolarplatten erfolgt sowohl im Heißpress- und Spritzgießverfahren als auch in kontinuierlichen Prozessen wie der Extrusion.

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