CSIC präsentiert seinen Prototyp einer Vanadium-Batterie für die Speicherung elektrischer Energie in großem Maßstab

10-kW-Redox-Flow-Demonstrator ebnet den Weg für eine 50-kW-Flow-Batterie

01.04.2022 - Spanien

Ein Team von CSIC-Forschern hat einen Prototyp einer Vanadium-Redox-Durchflussbatterie mit einer Leistung von 10 Kilowatt (kW) entwickelt, um ihre Eignung als groß angelegtes elektrisches Energiespeichersystem, insbesondere für erneuerbare Energien, zu demonstrieren. Dieser 10-kW-Prototyp (10 kW Leistung und 20 kWh Energie) ermöglicht die Speicherung elektrischer Energie für stationäre Anwendungen, wie z. B. die Energiespeicherung in Haushalten oder kleinen Unternehmen.

Diese Technologie ist der erste Meilenstein auf dem Weg zu einer 50-Kilowatt-Batterie, die eine Ausweitung der Nutzung dieser Technologie auf den industriellen Sektor ermöglichen wird. Der Prototyp wurde heute auf einer Veranstaltung im Institut für Carbochemie (ICB-CSIC) in Zaragoza vorgestellt, an der unter anderem die Präsidentin des CSIC, Rosa Menéndez, teilnahm. Die Veranstaltung, die sowohl für die Öffentlichkeit als auch für Unternehmen zugänglich war, konnte auf Youtube verfolgt werden.

Dieser Prototyp ist das Ergebnis der Arbeit der interdisziplinären thematischen Plattform PTI TrasnEner+ des CSIC und stellt eine technologische Wette für die stationäre Speicherung elektrischer Energie in großem Maßstab dar, mit dem Ziel, eine stärkere Integration der erneuerbaren Energien zu erreichen, ihre Intermittenzprobleme zu überwinden und die Energiewende zu beschleunigen. Das Projekt wird von Ricardo Santamaría, einem Forscher am Institut für Kohlenstoffwissenschaft und -technologie (INCAR), koordiniert und umfasst Gruppen aus acht CSIC-Zentren: INCAR, LIFTEC (Teil des ICB), ITQ, IRI, ICB, ICMM, ICMAB und ICTP.

Redox–Flow–Batterie mit langer Lebensdauer

Forschende verwenden das gut verfügbare chemische Element Mangan als Aktivmaterial

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Redox-Flow-Batterien sind hochflexible Geräte, bei denen die Energie in den Elektrolyten gespeichert wird, die die elektroaktiven Vanadiumspezies enthalten. Diese Elektrolyte befinden sich in externen Tanks und fließen durch die Wirkung von Hydraulikpumpen in die Batteriezellen, wo die elektrochemischen Oxidations-Reduktionsreaktionen stattfinden.

Ihr Hauptvorteil ist ihre Vielseitigkeit: Leistung und Energie des Systems können unabhängig voneinander konfiguriert werden, indem die aktive Oberfläche der Elektroden, die Anzahl der Zellen und das Elektrolytvolumen erhöht werden. Außerdem haben sie einen langen Lebenszyklus, der mehr als 20 Jahre betragen kann, was sie zu hervorragenden Kandidaten für stationäre und schwere Anwendungen macht, bei denen andere Technologien wie Lithiumbatterien nicht mithalten können, was die Marktdurchdringung erneuerbarer Energien erleichtert.

"Einer der großen Vorteile von Redox-Flow-Batterien besteht darin, dass sie in Bezug auf Leistung und Kapazität so dimensioniert werden können, dass sie sowohl für vor- als auch für nachgelagerte Speicheranwendungen geeignet sind, d. h. sie können direkt an Erzeugungsanlagen angeschlossen werden, die mit Verteilungsnetzen verbunden sind, oder in oder in der Nähe von Energieverbrauchszentren installiert werden", erklärt Santamaría.

Ein Projekt, das in einer multidisziplinären Zusammenarbeit entwickelt wurde

Dieses 10-kW-Modul ist der erste Meilenstein in dem Projekt, das eine 50-kW-Batterie zum Ziel hat. Der Prototyp besteht aus 4 Stacks (Zellstapeln), ähnlich denen, die in die 50-kW-Batterie eingebaut werden. Die verschiedenen Komponenten der Batterie wurden von verschiedenen CSIC-Teams entwickelt. Das Design aller Elemente, aus denen die Batterie besteht, die Technologie der Dichtungs- und Verschlusssysteme sowie die Herstellungs- und Montageverfahren sind das Werk der LIFTEC-Forschungsgruppe unter der Leitung des Forschers Félix Barreras. Die als Elektroden verwendeten Kohlenstofffilze wurden von der INCAR-Forschungsgruppe modifiziert, um ihre elektrochemischen Eigenschaften zu verbessern, während die ITQ-Gruppe unter der Leitung von Antonio Chica für die Membranen und den Elektrolyten verantwortlich war.

Das Modul verfügt außerdem über ein selbst entwickeltes Batterie- und Energiemanagementsystem, das auf mit Industriestandards kompatiblen Betriebsprotokollen basiert und es ermöglicht, den Zustand der Batterie jederzeit zu kennen.

Darüber hinaus arbeitet die Forschungsgruppe des Instituts für Robotik und industrielle Informatik (IRI) unter der Leitung von Ramón Costa gemeinsam mit der LIFTEC-Gruppe an der Entwicklung eines Telemetriesystems, mit dem die Batterie ferngesteuert werden kann und alle Betriebsvariablen in Echtzeit angezeigt werden können. Sie arbeiten auch an der Umsetzung von Techniken zur Vorhersage des Lade- und Gesundheitszustands, die eine effiziente Verwaltung der Energieströme und eine Verlängerung der Nutzungsdauer des Geräts ermöglichen.

Technologie mit einem breiten Anwendungsspektrum

Der Prototyp mit einer Leistung von 10 kW könnte den wachsenden Bedarf für den Eigenverbrauch von Energie sowohl in abgelegenen Wohnhäusern als auch in kleinen Nachbarschaftsgemeinschaften oder sogar für kleine gewerbliche Verbraucher decken.

Das endgültige Ziel des Projekts besteht jedoch darin, den 50-kW-Prototyp zu validieren, indem er an eine Anlage zur Erzeugung erneuerbarer Energien, z. B. ein Solarfeld, angeschlossen wird. Zu diesem Zweck wurde bei LIFTEC ein intelligentes Mikronetz entwickelt, das aus einer 10-kW-Durchflussbatterie, einem Solarfeld und mehreren programmierbaren Lasten und Quellen besteht, mit denen verschiedene Verbräuche simuliert werden können.

Wie Félix Barreras betont, "wird uns diese Anlage ermöglichen, realistische Fälle entsprechend den Marktbedürfnissen zu untersuchen, mit einer modularen Leistungsarchitektur, die es ermöglicht, die Batterie im Inselbetrieb zu nutzen oder sie an das Netz anzuschließen, entweder mit Wechselstrom oder mit Gleichstrom".

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