Energieforschung: Ein Riesen-Akku für Sonne und Wind

Das Jahr 2018 begann mit einem kleinen Meilenstein in der Geschichte der Energiewende. Am Neujahrsmorgen um sechs Uhr stammten 95 Prozent des Stroms im deutschen Netz aus Wind-, Solar- und Wasserkraft. Erneuerbare Energien scheinen damit endgültig alltagstauglich. Doch Kritiker fürchten noch immer die „Dunkelflaute“ – windstille, sonnenlose Tage, an denen zu wenig oder gar kein Öko-Strom produziert werden kann. Sollen Kohle- und Kernkraftwerke endgültig abgeschaltet werden, so muss die Energiesicherheit auch an solchen Tagen gewährleistet werden. Der Durchbruch des Öko-Stroms hängt damit entscheidend von der Möglichkeit ab, an jedem Tag im Jahr ausreichend Strom verfügbar zu halten – und damit von der Leistungsfähigkeit der Speichertechnologien.

Christina Roth, Professorin für Physikalische Chemie an der Freien Universität Berlin, forscht zu einer der vielversprechendsten Lösungen: der Redox-Flow-Batterie. Dabei handelt es sich um eine spezielle Form der Flüssigbatterie, die schon bald in großen Wind- und Solarparks zum Einsatz kommen soll. „Batterien gehören derzeit zu den heißesten Themen in der Chemie und Materialforschung“, sagt Christina Roth. „Doch die meisten Menschen denken vor allem an den Lithium-Ionen-Akku.“ Diese alltagsüblichen Akkus, die in Mobiltelefonen und Computern verbaut sind und auch der Elektromobilität zum Durchbruch verhelfen sollen, sind klein. „Redox-Flow-Batterien sind hingegen für die stationäre Speicherung großer Strommengen konzipiert“, sagt die Wissenschaftlerin. „Sie taugen nicht für das Elektroauto – dafür umso mehr für Anwendungen in der Großindustrie.“

Der Lithium-Ionen-Akku, der vor allem aus Mobiltelefonen, Laptops und Tablets bekannt ist und dafür sorgt, dass die Geräte lange Zeiten ohne Wiederaufladung betrieben werden können, ist klein, leicht und innen fest – und damit für portable Anwendungen vorteilhaft. Die Redox-Flow-Batterie dagegen ist groß (Containergrößen sind keine Seltenheit!) und speichert Energie auf chemischem Weg in Flüssigkeiten, den sogenannten Elektrolytlösungen.

Der Vorteil: Die Elektrolyte verbrauchen sich nicht

In einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB), wie sie unter anderem von Christina Roth und ihrem Team eingesetzt wird, werden zwei durch eine Membran räumlich getrennte Elektrolytlösungen verwendet. Diese enthalten als aktives Element lediglich Vanadium und nutzen dessen vier Oxidationsstufen zur Speicherung. Die Lösung auf der einen Seite der Membran wird beim Laden oxidiert, wenn sie durch die poröse Elektrode fließt, die auf der anderen Seite gleichzeitig reduziert (deshalb auch „red-ox-flow“). Beim Entladen kehrt sich die Richtung der Prozesse um. „Der Vorteil dieser Batterie ist, dass sie länger haltbar ist und sich im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien nahezu nicht selbst entlädt. Die Elektrolyte verbrauchen sich nicht“, sagt Roth. „Man kann sie nahezu beliebig oft und nahezu verlustfrei auf- und entladen.“ Der größte Vorteil sei aber, dass sich je nach Bedarf Energie- und Leistungsdichte über das Elektrolytvolumen (= Tankgröße) und die Größe der Elektroden unabhängig skalieren ließen.

Auch in Privathaushalten sollen die Batterien einmal Verwendung finden. So können etwa Selbstversorger mit Solarzellen auf dem Dach ihren privaten Energiespeicher im Keller bauen. Ein deutsches Start-up bietet hierfür bereits Lösungen an. In fünf bis zehn Jahren, so schätzt Christina Roth, wird die Batterie in großem Stil konkurrenzfähig sein. „Wir haben bei der Redox-Flow-Batterie sehr vieles schon verstanden“, sagt Roth. „Es geht nicht mehr um Grundlagenforschung. Es geht darum, die Batterie anwendungsfreundlicher und leistungsfähiger zu machen.“

Christina Roths Team besteht aus einer Doktorandin und zwei Doktoranden. Sie beschäftigen sich vor allem mit der porösen Elektrode der Batterie, durch die die Elektrolytlösungen fließen. „Die Elektrode besteht aus einem Fasergeflecht aus Kohlenstoff“, sagt die Forscherin. „Im Prinzip sieht sie aus wie ein schwarzes Stück Filz.“ Für ihre Experimente nutzt Roths Arbeitsgruppe ein Gerät, mit dem sie die Elektroden in einem Elektrospinverfahren selbst herstellen können.

Im Labor arbeiten Menschen aus Italien, Syrien und Indien zusammen

Beim Besuch in Roths Labor fällt vor allem auf, wie international es zugeht: An den Geräten sitzen Menschen aus Italien, Syrien und Indien. Wie selbstverständlich wird zwischen Deutsch und Englisch gewechselt. „Wir sind bunt gemischt und nehmen alle Rücksicht aufeinander“, sagt Roth. Einer von Roths Doktoranden ist Abdulmonem Fetyan. Für seine Promotion forscht er daran, wie man die Kapazität der Elektrode erhöhen kann, indem man ihre Struktur verändert. Er zeigt verschiedene, von ihm über das Elektrospinverfahren hergestellte Elektroden. Kleine schwarze Vierecke, die tatsächlich wie gewöhnliche Filzstücke aussehen. Die industriell hergestellte Elektrode weist ein engmaschiges, rasterförmiges Gewebe auf. Fetyans Eigenproduktion ist fransiger. In der mikroskopischen Aufnahme erkennt man: Es ist ein wildes Gewirr aus feinen Kohlenstofffäden. „So bietet die Elektrode bis zu 100 Mal mehr Oberfläche“, sagt Fetyan. Damit ließe sich die Kapazität der Batterie bei gleichbleibenden Materialkosten steigern.

Neben den Doktoranden arbeiten auch Studierende als Hilfskräfte in Christina Roths Projekt, oder sie schreiben ihre Masterarbeiten zum Thema. Im letzten Jahr wurde Bengü Sahin, eine Schülerin aus Berlin, die mit Abdulmonem Fetyan an einem Redox-Flow-Thema arbeitete, mit einem Sonderpreis bei „Jugend forscht“ ausgezeichnet. Die Redox-Flow-Batterie ist auch in der Lehre fest verankert. „Unsere Studienordnung bietet große Freiräume, sodass wir die Studierenden früh in unsere Forschung einbinden können“, sagt Roth. „Allen Beteiligten macht es großen Spaß, an einem so praxisnahen Thema zu arbeiten.“

Dennis Yücel