Technologie vor 551 Tagen

Technologische Rohdiamanten

Trotz jahrzehntelanger Forschung will das Potential der Flusszelle erst noch erkannt werden.

Was viele nicht wissen, Flusszellen-Technologie wird bereits seit den 1950er Jahren erforscht und teilweise bereits - mehr oder minder erfolgreich – kommerzialisiert. Meist dienen container-große Flusszellen als Speicher-Batterie für Solar- oder Windenergiesysteme. Aufgrund ihrer besonderen technologischen Vorteile zählen Fluss-Batterien zu den vielversprechendsten Energiespeichern der Zukunft.

Vorteil der Flusszelle ist die räumliche Trennung von Energiespeicherung und -umwandlung, welche bei anderen Batteriesystemen am selben Ort stattfindet. Dank des externen Energiespeichers sind Flusszellen beliebig skalierbar. Die Tankgröße bestimmt letztendlich das Energievolumen. Weitere Vorteile der Flusszelle gegenüber herkömmlichen Batterien wie beispielsweise Lithium-Ionen- oder Nickel-Metallhydrid-Batterien sind ihre Unempfindlichkeit gegenüber Tiefenentladung, ihre hohe Zyklenanzahl sprich der fehlende Memory-Effekt sowie eine sehr geringe Selbstentladung.

Bislang galten Flusszellen aufgrund ihrer Energiedichte als nicht geeignet für die Verwendung in elektromobilen Antrieben. Das Potential der Technologie wurde verkannt.

"Für manch einen ist der Stein in der Hand, einfach nur ein Stein. Ein anderer aber erkennt in ihm den Rohdiamanten, den es zu schleifen und polieren gilt, damit er in vollem Glanz erstrahlen kann. In der Forschung ist es ähnlich - man muss die Qualität eines Forschungsansatzes erkennen können, damit man diesen zielgerichtet zum Erfolg führen kann", so Nunzio La Vecchia, Chief Technology Office der nanoFlowcell AG. "Gerade wenn es um Flusszellentechnologie geht, denken viele noch, sie haben nur einen Stein in der Hand. Nun frage ich Sie, sieht die nanoFlowcell® wie ein Stein aus? Mir ist klar, dass das Potential der Flusszelle in seiner Umfänglichkeit von der Akademia wie auch von der Industrie nur langsam angenommen wird."

Darstellung des Flusszellensystem im QUANT FE (Bild nanoFlowcell AG)

Keine Elektromobilität ohne Flusszelle

In ihrer neusten Untersuchung zum Thema "Global Flow Battery Market 2016-2020" (>) kommen Analysten der TechNavio - Infiniti Research Ltd zu dem Ergebnis, dass Flusszellen (Redox-Flow-Batteries) der bedeutendste Energiespeicher der Zukunft sein werden - insbesondere und speziell auch in Elektrofahrzeugen.

Derzeit konzentrieren sich kommerzielle Anbieter wie auch universitäre Forschungsprojekte überwiegend auf die stationären Anwendungsmöglichkeiten der Flusszellentechnologie, vor allem im Hinblick auf ihren Einsatz im Bereich Grid Energy Storage. Das sind beispielsweise Speicherlösungen für Solar- und Windanlagen zum Aufladen von Lithium-Ionen-Akkus in Elektrofahrzeugen. Wie redundant dieser Ansatz ist zeigt der aktuelle Stand der Flusszellenforschung im Bereich Elektromobilität.

Die GE Global Research gemeinsam mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory (>) sowie das Illinois Institute of Technology in Kooperation mit dem Argonne National Lab (>) sowie die Ifbattery als Ausgründung der Purdue University (>) und das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (>) sowie die nanoFlowcell AG forschen derzeit an Flusszellentechnologien zum mobilen Einsatz in Elektrofahrzeugen.

RC-Fahrzeugmodell mit Redox-Flusszellenantrieb des Frauenhofer-Instituts (Bild Frauenhofer Institut https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2009/09/redox-flow-batterie-fuer-elektroautos.html)

Während das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie den Einsatz von Redox-Flussbatterien vorerst nur an einem Modellauto demonstriert (>), geht GE Global Research weiter und gibt für seinen kooperativ entwickelten Flusszellenantrieb eine Reichweite von 400 Kilometer an (>) und errechnet Kosteneinsparungen von bis zu 75 Prozent im Vergleich zu derzeitigen Elektroantrieben. Bekannt ist, dass die Flusszelle von GE eine wasserbasierte Lösung von anorganischen Chemikalien nutzt. (>) Das Illinois Institute of Technology und das Argonne National Laboratory erwarten von ihrem "Nanoelectrofuels"-Flusszellenantrieb eine Reichweite von 800 Kilometern bei einer errechneten Energiedichte von 600 Wh/kg. Finale Studienergebnisse werden für Dezember 2016 erwartet. (>)  und (PDF)

QUANTiNO auf Testfahrt (Bild nanoFlowcell AG)

Die nanoFlowcell AG ist in der Entwicklung der Flusszellentechnologie bereits so weit vorangeschritten, dass die von ihr entwickelte nanoFlowcellÒ in straßenzugelassenen Elektrofahrzeugen wie dem QUANT FE und QUANTiNO selbst Elektro-Zweifler überzeugen kann: rasante Geschwindigkeiten, über 1.000 Kilometer Reichweite, nicht toxisch und zu 100 Prozent umweltgerecht. Umständliche, Li-Ion-basierte Elektromobilität kann bald schon der Vergangenheit angehören.

Forschungsgeschichte

Die Grundlagen der Flusszellentechnologie wurden bereits in den 1950er Jahren von Walther Kangro an der Technischen Universität Braunschweig gelegt. In den 1970er Jahren beschäftigte sich zunächst die NASA mit der Weiterentwicklung der Technologie. Als erste kommerzielle Flusszelle gilt die 1996 von Maria Skyllas-Kazacos an der University of New South Wales (Australien) entwickelte und patentierte Vanadium-Flusszelle, welche später zur Vanadium-Bromid-Flusszelle weiterentwickelt wurde. (>) Aufgrund ihrer geringen Energiedichte werden diese Flusszellen derzeit ausschließlich als Speichermedien für Solar- und Windkraftwerke eingesetzt.

Redox Flussbatterien werden von Sumitomo Electric bei Solaranlagen als Energiespeicher- und -umwandler der Multimegawattklasse eingesetzt. (Bild Sumitomo Electric)

Aktuelle Highlights in der Flusszellenforschung sind die 2014 von der Harvard Universität vorgestellte Flusszelle auf Basis von wasserlöslichen, organischen Chinonen, die ohne Einsatz seltener und damit vergleichsweise teurer Substanzen auskommt (>) sowie die 2015 von der Jenaer Universität vorgestellte Redox-Flow-Batterie auf Polymer-Basis, die ebenfalls eine wässrige Kochsalzlösung anstatt Säuren verwendet und dadurch gleichsam auf den Einsatz giftiger und teurer Metalle verzichten kann. Beide sind aufgrund Ihrer Energiedichte jedoch nur als Energiespeicher für große Windkraft- und Solaranlagen konzipiert. (>)

Die nanoFlowcell AG präsentierte 2014 als weltweit erstes Unternehmen ein voll funktionsfähiges Elektrofahrzeug mit Flusszellenantrieb und arbeitet kontinuierlich an der Verbesserung des von ihr benannten nanoFlowcellÒ-Antriebs und der Adaption der Flusszellentechnologie auf weitere Mobilitätsbereiche. (>)

Flusszelle quo vadis?

Unser Überblick zu den aktuellen Forschungsstätten für Flusszellentechnologie ist bei weitem nicht erschöpfend. Seitdem Regierungen Forschungsgelder in Milliardenhöhe für die Erforschung und Entwicklung alternativer Energiespeicherlösungen bereitstellen, vervielfachen sich auch die Forschungsprojekte in diesem Bereich. Bei genauerem Hinschauen gleichen viele Projekte eher potemkinschen Dörfern, denn substanztragende Ideen fehlen. Andere Projekte laufen parallel und sind dennoch nicht miteinander vernetzt. Effizienz und Effektivität leiden, was die mageren Ergebnisse der universitären Forschung, trotz Forschungs-Milliarden der vergangenen Jahrzehnte, zeigen. Die nanoFlowcell AG setzt sich sehr für eine Vernetzung und Bündelung der Flusszellen-Forschung ein. Mit QUANT-City hat das Unternehmen das weltweit erste Forschungs- und Entwicklungszentrum für Flusszellentechnologie vorgestellt. (>)

In den kommenden Jahren will das Unternehmen am Standort Schweiz ein einzigartiges, internationales und interdisziplinäres Zentrum zur Erforschung und Weiterentwicklung der Flusszellentechnologie sowie zur Erprobung neuer Anwendungsmöglichkeiten für die nanoFlowcell® errichten. Bei der nanoFlowcell AG hat die Zukunft der Flusszelle bereits begonnen.

Ausgewählte Forschungseinrichtungen im Bereich Flusszellentechnologie:

NORDAMERIKA

Purdue University / IFBattery. West Lafayette IN, USA

Illinois Institute of Technology. Chicago IL, USA

Harvard University. Cambridge MA, USA

University of Waterloo, Waterloo Institute for Nanotechnology. Waterloo, Canada

University of Delaware. Newark, USA

Grand Valley State University. Allendale MI, USA

University of Michigan, Thompson Research Group. Ann Arbor MI, USA

University of Kentucky. Lexington, USA

GE Global Research

 

EUROPA

University of Southampton. Southampton, United Kingdom

Jena University. Jena, Germany

Fraunhofer Institut. Pfinztal, Germany

 

ASIEN-PAZIFIK

University of New South Wales. Sydney, Australia

National University of Singapore, Department of Materials Science & Engineering. Singapore

Nanyang Technological University. Singapore

Tohoku University, Institute for Materials Research. Sendai, Japan

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