Redox-Flow-Batterien (RFBs) sind eine aussichtsreiche Technologie für die Speicherung von elektrischer Energie. Im Vergleich zu herkömmlichen Batterien bieten sie zahlreiche Vorteile, wie eine hohe Skalierbarkeit, eine lange Lebensdauer und eine effiziente Energiespeicherung. Die Entwicklung von Redox-Flow-Batterien, auch bekannt als Flussbatterien, hat in den letzten Jahren grosse Fortschritte gemacht. Zwar begrenzen die Kosten derzeit noch den Bau von Speichersystemen auf sehr grosse Anlagen, die Forschung arbeitet aber mit Hochdruck an effizienteren Methoden, die diese Speichertechnologie schon bald massentauglich machen können. Erfahren Sie hier mehr über diese Energiespeicher.

Die wichtigsten Fakten zu Redox-Flow-Batteriespeichern im Überblick

Redox-Flow-Batterien bieten eine gute Energiedichte und eine lange Lebensdauer, was sie zu einer vielversprechenden Technologie auf dem Markt macht
Die Entwicklung von Redox-Flow-Batterien hat in den letzten Jahren grosse Fortschritte gemacht, erste Produkte sind am Markt verfügbar
Aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung von Leistung und Effizienz der Redox-Flow-Batterien
Verschiedene Arten von Redox-Flow-Batterien, darunter Vanadium-, Salzbatterien und Hybridvarianten, erfüllen mit ihren einzigartigen Merkmalen unterschiedliche Bedürfnisse
Redox-Flow-Batterien haben ein grosses Marktpotenzial in den Bereichen erneuerbare Energien (Wind- und Solaranlagen) und industrielle Anwendungen
Die erwartete Skalierbarkeit, Flexibilität, Langlebigkeit und Nachhaltigkeit von Redox-Flow-Batterien machen sie zu einer zukünftigen Alternative für die Speicherung erneuerbarer Energien und für Anwendungen zur Netzunterstützung

Grundlagen der Redox-Flow-Speicher

Redox-Flow-Batteriespeicher eröffnen ganz neue Möglichkeiten für die Industrie. So wie die Entwicklung voranschreitet, können die Akkumulatoren in Zukunft auch im Gewerbe und in privaten Haushalten zu nachhaltigen, effizienten Energielösungen führen. Doch was macht die Energiespeicher so besonders? Das Geheimnis liegt in der Verbindung aus neuartiger Technologie und chemischen Reaktionen.

Batterien mit Redox-Flow-Technologie: Die Funktionsweise kurz erklärt

Redox-Flow-Batterien (RFB), oder Redox-Durchfluss-Batterien, basieren auf dem Prinzip der Redox-Reaktionen. Redox-Flow-Batterien bestehen aus zwei Tanks, die mit Elektrolytflüssigkeiten gefüllt sind. Während des Lade- und Entladevorgangs fliessen die Elektrolytflüssigkeiten mittels einer Membran durch eine elektrochemische Zelle, die sogenannte galvanische Zelle. Dieser Ionenaustausch ermöglicht die Speicherung und Freisetzung von elektrischer Energie.

Was sind Redox-Flow-Batterien und wie funktionieren sie im Detail?

Redox-Flow-Batterien nutzen das Prinzip der Redox-Reaktionen. Sie bestehen aus zwei Tanks, die mit Elektrolytflüssigkeiten gefüllt sind. Jeder Tank enthält gelöste Metallionen, die als Redox-Spezies bezeichnet werden. Während des Ladevorgangs fliesst die Elektrolytflüssigkeit durch eine elektrochemische Zelle, bestehend aus einer Membran und zwei Elektroden, ähnlich wie bei einer Brennstoffzelle. Die beiden Elektrolytflüssigkeiten unterschiedlicher Konzentration oder Wertigkeit werden jeweils über eine Pumpe in getrennten Kreisläufen an jeweils eine Elektrode geführt. Über eine zwischengeschaltete Membran kommen chemische Ionenflüsse in Gang, wobei Strom erzeugt wird. Dieser Prozess ermöglicht die Speicherung von elektrischer Energie.

Beim Entladevorgang fliesst die Elektrolytflüssigkeit erneut durch die chemische Zelle, und die Redox-Spezies geben Elektronen ab. Dieser Vorgang erzeugt elektrische Energie, die als Strom genutzt werden kann. Redox-Flow-Batterien bieten den Vorteil, dass sie grosse Mengen an Energie speichern können, was sie zu einer idealen Lösung für die Energiespeicherung von erneuerbaren Energiequellen, wie Solarstrom macht. Durch die Verwendung von flüssigen Elektrolyten, wie beispielsweise bei der Akku-Technologie, sind Redox-Flow-Batterien zudem besonders langlebig und nutzen das Prinzip der Oxidation und Reduktion für die Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie.

Prinzipschema einer Redox-Flow Batterie

Vorteile und Herausforderungen von Redox-Flow-Akkus

Redox-Flow-Akkumulatoren bieten eine hohe Skalierbarkeit, was bedeutet, dass sie leicht an verschiedene Anforderungen angepasst werden können. Sie haben auch eine lange Lebensdauer im Vergleich zu anderen Batterietypen, was zu Kosteneinsparungen führen kann. Darüber hinaus ermöglichen Redox-Flow-Batterien eine effiziente Energiespeicherung und können grosse Mengen an Energie speichern.

Es gibt jedoch auch Herausforderungen bei der Entwicklung und Nutzung von Redox-Flow-Batterien. Eine davon ist die Verringerung der elektrischen Widerstandsfähigkeit der Elektrolytflüssigkeiten, um die Effizienz der Batterien zu verbessern. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die Kosten der Batterietechnologie zu senken, um sie wettbewerbsfähiger zu machen. Forscher arbeiten an Lösungen, um die Leistung und Effizienz von Redox-Flow-Batterien weiter zu verbessern.

Membranen und Elektrodenmaterial

Membranen müssen eine hohe Selektivität für Ionen aufweisen, um die Effizienz zu gewährleisten. Gleichzeitig muss das Elektrodenmaterial eine hohe katalytische Aktivität besitzen, um den Ladungsfluss zu optimieren. Forschung konzentriert sich auf innovative Materialien, die die Leistung verbessern und die Kosten senken können. Eine geeignete Kombination beider Komponenten ist entscheidend für die Effektivität des gesamten Systems.

Elektrolyte: Essientiell für den Redox-Prozess

Elektrolyte ermöglichen den Transfer von Ladungsträgern zwischen den Elektroden, was zum Redox-Prozess führt. Gängige Elektrolyte umfassen Vanadium, Zink-Bromid, Eisen und Chrom. Vanadium-Elektrolyte sind besonders beliebt aufgrund ihrer Stabilität und Effizienz. Die Auswahl des Elektrolyten ist entscheidend für die Effizienz und Zuverlässigkeit des gesamten Systems.

Salzbatterien

Salzbatterien, auch bekannt als Kobaltfreie Redox-Flow-Batterien, sind eine Art von Redox-Flow-Batterien, die durch die Verwendung von Salzlösungen als Elektrolyt arbeiten. Diese Batterien zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, Energie über längere Zeiträume zu speichern, was sie ideal für Anwendungen macht, die eine kontinuierliche und zuverlässige Energieversorgung erfordern. Salzbatterien haben das Potenzial, einen wichtigen Beitrag zur Stabilisierung des Stromnetzes und zur Integration erneuerbarer Energien zu leisten. Ihre Weiterentwicklung und Optimierung, insbesondere die Suche nach Alternativen für die umstrittenen Rohstoffe Lithium und Kobalt, stehen im Fokus der Forschung und Entwicklung im Bereich der Redox-Flow-Batterietechnologie. Die hohen Betriebstemperaturen in der Salzbatterie sowie die Verluste bei längeren Speicherzeiten sind Hürden für einen Marktdurchbruch.

Salzbatterien

Vanadium-Flow Batterien

Vanadium Redox-Flow Batterien (VFBs) nutzen Vanadiumionen in verschiedenen Oxidationszuständen, um Energie zu speichern. Sie bieten eine hohe Zyklenfestigkeit und sind besonders für stationäre Energiespeicheranwendungen geeignet, beispielsweise als Pufferbatterie in Wind- und Solaranlagen. Die Trennung der elektrochemisch aktiven Materialien durch eine Membran gewährleistet die Effizienz der Energieumwandlung. Vanadium Redox-Flow Batterien sind aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Flexibilität vielversprechend für die Energiespeicherung der Zukunft.

Aktuelle Forschung und Durchbrüche in der Redox-Flow-Batterietechnologie

Innovationen in der Redox-Flow-Batterietechnologie treiben die Fortschritte bei der Energiespeicherung voran. Die jüngsten Entwicklungen konzentrieren sich auf die Verbesserung von Effizienz, Lebensdauer und Energiedichte. Forscher erforschen neue Elektrodenmaterialien, Elektrolytzusammensetzungen und Membrandesigns, um die Leistung zu verbessern. Das Fraunhofer-Institut und Unternehmen, wie Volterion stehen in Deutschland bei diesen Innovationen an vorderster Front. Die Markttrends deuten auf eine Verlagerung zu nachhaltigen Energielösungen hin, was weitere Innovationen in der Redox-Flow-Batterietechnologie, insbesondere im Bereich der kostenoptimierten Produktionsverfahren und der Nachteile, wie begrenzte Lebensdauer und geringe Energiedichte, antreibt.

Ein bemerkenswerter Ansatz wird auch durch ein Schweizer Startup-Unternehmen aus Thalwil verfolgt. Die Batterie kommt ohne Membrane aus, was ein erhebliches Potential zur Kostenreduktion bietet.

Eine neue Generation wässriger organischer RFBs, die nachhaltige und abstimmbare redoxaktive organische Moleküle verwenden, hat sich als Wegbereiter für die elektrochemische Energiespeicherung erwiesen. Dieser Ansatz wurde an der State University Utah entwickelt und patentiert. Solche Ansätze haben das Potenzial, die Branche durch das innovative Verfahren der Redox-Flow-Batterietechnologie zu revolutionieren, da solche Speicher in der Lage sind, die Leistung über Jahrzehnte hinweg ohne Verluste aufrechtzuerhalten.

Vergleich mit anderen Batterietechnologien

Stromnetze brauchen Speicher, die nicht nur schnell laden, sondern auch sicher, langlebig und skalierbar sind. Genau hier kommen Redox-Flow-Batterien ins Spiel – leise Stars der stationären Energiespeicherung. Während Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit hoher Energiedichte glänzen und Natrium-Ionen durch günstige Rohstoffe punkten, setzen Redox-Flow-Systeme auf ganz andere Stärken: extreme Langlebigkeit, Brandsicherheit und flexible Skalierbarkeit. Sie speichern Energie nicht in Zellen, sondern in flüssigen Elektrolyten – ein Prinzip, das Anlagen mit Redox-Flow-Technologie besonders robust für grosse Energiemengen und lange Zeiträume macht. Wie gut sie im direkten Vergleich abschneiden, zeigt der folgende Überblick.

Kriterium	Redox-Flow	Lithium-Ionen	Natrium-Ionen	LiFePO₄ (LFP)	Natrium-Schwefel	Zink-Brom	Feststoffbatterien
Energiedichte (Wh/kg)	ca. 20–80 (je nach Typ ~10–50 Wh/L)	150–250 Wh/kg (abhängig von Zelltyp)	75–165 Wh/kg (Prototypen bis ~200)	90–205 Wh/kg	150–240 Wh/kg praktisch (~760 Th.)	~30–60 Wh/kg prakt. (max 85)	Theoretisch bis zu 500–800 Wh/kg
Wirkungsgrad	75–80 %	85–95 %	bis zu 92 %	85–95 %	75–90 %	65–85 %	90–99 % möglich
Zyklenfestigkeit	10.000–18.000 Zyklen möglich	3.000–7.000 (bis ~10.000)	Hunderte bis mehrere tausend Zyklen	2.500–9.000+ Zyklen	2.500–4.500 Zyklen	2.000–10.000 Zyklen	Prognose: 5.000–10.000+ Zyklen (in Entwicklung)
Skalierbarkeit	Sehr gut – Tankgrösse skalierbar, ideal für LDES	Hoch in Entwicklung, aber Materialabhängig	Schnell wachsend für stationäre Speicher, aber noch begrenzt	Hoch – weit verbreitet in ESS & EV Backup	Eingeschränkt durch hohe Betriebstemp. & Standortanforderung	Gut im stationären Einsatz	Derzeit starke Limitierung durch Produktionskapazität
Brandsicherheit	Sehr hoch (kein Brandmaterial, sichere Chemie)	Brandrisiko (Thermal Runaway)	Besser als Li‑Ion bei wässrigen Varianten, sonst moderat	Sehr hoch – stabil bis ~270 °C, keine thermische Run‑Away-Gefahr	Niedrig (300 °C, gefährliche Reaktion)	Mittel – Brom kann toxisch sein, aber stabile Architektur	Sehr hoch (kein flüssiges Elektrolyt, kein Feuer)
Rohstoffverfügbarkeit	Vanadium teuer, Alternative auf Eisenbasis in Entwicklung	Lithium, Kobalt ggf. kritisch	Natrium & Eisen/Mangan gut verfügbar, kostengünstig	Sehr gut – kein Kobalt, Eisen/Phosphat günstig und gemeinfrei	Natrium & Schwefel theoretisch gut verfügbar, aber Spezialanforderung	Zink & Brom verfügbar, Brom handhabung nötig	Variantenabhängig
Langzeitspeicherung	Ideal – Speichergrösse durch Tanks variabel, Wochen bis Monate möglich	Eingeschränkt (Tageszyklen)	ähnlich Li‑Ion, aber passabel für mittelfristig	gut geeignet – Dauerzyklen, Speicherbetrieb stabil über Jahre	Eingeschränkt durch Selbstentladung bei hohen Temperaturen	Nicht optimal – eher Kurz- bis mittelfristig	Eingeschränkt (Tageszyklen)
Technologie-Reifegrad	Reif für Grossspeicher	Voll etabliert	Frühphase Kommerzialisierung	Voll kommerziell etabliert für stationäre und Backup-Systeme	Kommerziell etabliert (v.a. Netzspeicher)	Kommerziell verfügbar, aber Nischenmarkt	Im Prototyp- oder Pilotstatus (Marktreife ca. ab 2027–2030)
Kriterium	Redox-Flow	Lithium-Ionen	Natrium-Ionen	LiFePO₄ (LFP)	Natrium-Schwefel	Zink-Brom	Feststoffbatterien
Energiedichte (Wh/kg)	ca. 20–80 (je nach Typ ~10–50 Wh/L)	150–250 Wh/kg (abhängig von Zelltyp)	75–165 Wh/kg (Prototypen bis ~200)	90–205 Wh/kg	150–240 Wh/kg praktisch (~760 Th.)	~30–60 Wh/kg prakt. (max 85)	Theoretisch bis zu 500–800 Wh/kg
Wirkungsgrad	75–80 %	85–95 %	bis zu 92 %	85–95 %	75–90 %	65–85 %	90–99 % möglich

Einer der Hauptvorteile ist die hohe Skalierbarkeit von Redox-Flow-Batterien. Sie können leicht an verschiedene Anforderungen angepasst werden und grosse Mengen an Energie speichern. Dies zahlt sich aus beim Bau von Windkraft- oder Solaranlagen, die wetterbedingten Schwankungen unterliegen. Ein weiterer Vorteil ist ihre lange Lebensdauer im Vergleich zu anderen Batterietypen. Dies führt zu Kosteneinsparungen und einer besseren Wirtschaftlichkeit.
Im Vergleich zu anderen Technologien wie Feststoffbatterien oder LFP-Batterien haben Redox-Flow-Batterien jedoch einige Herausforderungen zu bewältigen. Eine davon ist die Verringerung der elektrischen Widerstandsfähigkeit der Elektrolytflüssigkeiten, um die Effizienz der Batterien zu verbessern. So können die Systeme in Zukunft in noch mehr Anlagen genutzt werden.

Langlebigkeit und Zyklenfestigkeit

Redox-Flow-Batterien sind bekannt für ihre Langlebigkeit und Zyklenfestigkeit. Durch die Fähigkeit, viele Lade- und Entladezyklen zu durchlaufen, ohne signifikante Leistungsabfälle zu zeigen, bieten sie eine effiziente und zuverlässige Energiespeicherlösung, zum Beispiel für den Bau von E-Ladestationen. Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass Redox-Flow-Batterien im Vergleich zu herkömmlichen Batterietechnologien eine längere Lebensdauer haben und auch unter anspruchsvollen Bedingungen gut funktionieren.

Symbolbild: Redox Flow Technologie zur Energiespeicherung

Skalierbarkeit und Flexibilität

Redox-Flow-Batterien bieten eine bemerkenswerte Skalierbarkeit und Flexibilität bei der Energiebereitstellung. Durch die Möglichkeit, die Kapazität einfach durch Anpassung der Elektrolytmenge zu erhöhen oder zu verringern, passen sich diese Batterien ideal an unterschiedliche Anforderungen an. Die flexible Anordnung der Tanks und die Unabhängigkeit von Kapazität und Leistung ermöglichen eine massgeschneiderte Energieversorgung für verschiedene Anwendungen. Zudem benötigen Redox-Flow-Batterien zur Herstellung keine seltenen Rohstoffe, wie z. B. Lithium oder Kobalt, da Vanadium zu einem der häufigsten Elemente gehört.

Unsere Einschätzung

Redox-Flow-Batterien haben zahlreiche Vorteile, wie eine hohe Skalierbarkeit, eine lange Lebensdauer und eine effiziente Energiespeicherung. Die Entwicklung von Redox-Flow-Batterien hat in den letzten Jahren grosse Fortschritte gemacht und zukünftige Innovationen könnten zu noch besseren Speicherlösungen führen. Redox-Flow-Batterien können zur Speicherung von überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energiequellen eingesetzt werden und bieten eine zuverlässige Stromversorgung in industriellen Anlagen. Die Zukunftsaussichten für Redox-Flow-Batterien sind also vielversprechend.

42technology: Ihr Partner für innovative Energielösungen

42technology AG hat sich auf Technologien im Bereich der Energieversorgung spezialisiert. Wir bieten innovative Energielösungen, die dazu beitragen, die Energiewende in der Schweiz zu adressieren. Dazu gehören Stromspeicher, speziell Batteriespeicher für die Industrie, aber auch für Gewerbe und Privathaushalte, Blockheizkraftwerke (BHKW) und Notstrom, die helfen, die Nachfrage zu managen oder die Verfügbarkeit von Stromressourcen zu optimieren. Sie haben Interesse an fortschrittlichen Energiespeichern und wünschen sich individelle, skalierbare Lösungen? Kontaktieren Sie uns! Wir beraten Sie gerne.

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Häufig gestellte Fragen

Wie unterscheiden sich Redox-Flow-Batterien von Lithium-Ionen-Batterien?

Redox-Flow-Batterien unterscheiden sich von Lithium-Ionen-Batterien durch ihre Arbeitsweise. Während Lithium-Ionen-Batterien auf feste Elektroden und den Austausch von Lithiumionen basieren, speichern Redox-Flow-Batterien Energie durch Redoxreaktionen zwischen zwei Elektrolytlösungen. Dies ermöglicht eine höhere Flexibilität und Skalierbarkeit in Bezug auf die Kapazität und die Lebensdauer. Redox-Flow-Batterien sind auch sicherer und umweltfreundlicher als Lithium-Ionen-Batterien aufgrund des Fehlens von akuten Toxizitätsrisiken und ihrer Fähigkeit, grosse Mengen an flüssigen Elektrolyten zu recyclen. Es gibt mehr als 50 Varianten von Redox-Flow-Batterien, die sich in der Zusammensetzung der Elektrolyten und der Lösungsmittel unterscheiden.

Welche Lebensdauer haben Redox-Flow-Batterien im Vergleich zu anderen Batterietypen?

Redox-Flow-Batterien haben im Vergleich zu anderen Batterietypen, wie Lithium-Ionen-Batterien eine sehr hohe Lebensdauer. Sie können Tausende von Lade- und Entladezyklen erreichen, ohne an Kapazität zu verlieren.

Wie beeinflussen Temperaturen die Leistung von Redox-Flow-Batterien?

Temperaturen haben einen Einfluss auf die Leistung von Redox-Flow-Batterien. Bei niedrigeren Temperaturen steigt die Viskosität der Elektrolytflüssigkeiten, was die Strömung des Elektrolyten durch die Membran behindern kann. Dies kann zu einer verringerten Energiespeicherung führen. Daher ist es wichtig, Redox-Flow-Batterien in Umgebungen mit stabilen Temperaturen zu betreiben oder geeignete Massnahmen zur Temperatursteuerung zu ergreifen.