Redox-Flow-Batterie: Eine ultradünne Membran für kostengünstige Energiespeicher
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Ich brachte die Kompetenz für ultradünne Schichten aus den USA an das PSI und nutzte dieses spezialisierte Know-how für die Entwicklung einer neuen Membran für Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Die extrem dünne, nicht fluorierte Kompositmembran reduzierte Materialeinsatz und Widerstand und eröffnete damit einen kostengünstigen Ansatz für grosse Langzeit-Energiespeicher. Für die Skalierung wurde ein Start-up gegründet, bei dem ich als Berater tätig war.
Langzeitspeicher für die Energiewende: Redox-Flow-Batterie
Eine Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB) kann grosse Energiemengen speichern und über viele Stunden wieder abgeben. Anders als bei einer Lithium-Ionen-Batterie wird die gespeicherte Energie in flüssigen Elektrolyten in Tanks vorgehalten.
Dadurch lässt sich die Speicherkapazität vergleichsweise einfach vergrössern: Für mehr Energie braucht es grössere Elektrolytmengen und Tanks, nicht zwingend mehr Batteriezellen.
Das macht Redox-Flow-Batterien besonders interessant für grosse stationäre Speicher und lange Speicherzeiten von bis zu etwa 24 Stunden. Lithium-Ionen-Batterien werden dagegen häufig für Speicherzeiten von wenigen Stunden eingesetzt.
Eine Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB) kann grosse Energiemengen speichern und über viele Stunden wieder abgeben. Anders als bei einer Lithium-Ionen-Batterie wird die gespeicherte Energie in flüssigen Elektrolyten in Tanks vorgehalten.
Dadurch lässt sich die Speicherkapazität vergleichsweise einfach vergrössern: Für mehr Energie braucht es grössere Elektrolytmengen und Tanks, nicht zwingend mehr Batteriezellen.
Das macht Redox-Flow-Batterien besonders interessant für grosse stationäre Speicher und lange Speicherzeiten von bis zu etwa 24 Stunden. Lithium-Ionen-Batterien werden dagegen häufig für Speicherzeiten von wenigen Stunden eingesetzt.
Zwischen den beiden Elektrolyten befindet sich eine Membran. Sie muss die Flüssigkeiten voneinander trennen und gleichzeitig den notwendigen Ionentransport ermöglichen.
Nafion erfüllte diese Aufgabe sehr gut, war für einen grossflächigen Einsatz jedoch ein erheblicher Kostenfaktor. Zudem basiert Nafion auf einem fluorierten Polymer. Die aussergewöhnliche Stabilität fluorierter Polymere ist technisch wertvoll, wirft aber zugleich Fragen hinsichtlich Herstellung, Lebensdauer und Umweltbelastung auf.
Für eine Technologie, die für grosse Energiespeicher vorgesehen ist, war deshalb eine kostengünstige, nicht fluorierte Alternative von grossem Interesse.
Die Membran: klein, aber entscheidend
Nafion war technisch gut – aber teuer
Zwischen den beiden Elektrolyten befindet sich eine Membran. Sie muss die Flüssigkeiten voneinander trennen und gleichzeitig den notwendigen Ionentransport ermöglichen.
Nafion erfüllte diese Aufgabe sehr gut, war für einen grossflächigen Einsatz jedoch ein erheblicher Kostenfaktor. Zudem basiert Nafion auf einem fluorierten Polymer. Die aussergewöhnliche Stabilität fluorierter Polymere ist technisch wertvoll, wirft aber zugleich Fragen hinsichtlich Herstellung, Lebensdauer und Umweltbelastung auf.
Für eine Technologie, die für grosse Energiespeicher vorgesehen ist, war deshalb eine kostengünstige, nicht fluorierte Alternative von grossem Interesse.
Unsere Lösung: extrem dünn statt dick und teuer
Dünnschichttechnologie als Schlüssel Ich brachte die Kompetenz zur Herstellung extre
Ich brachte die Kompetenz zur Herstellung extrem dünner Schichten aus den USA an das PSI und setzte dieses Know-how für die Entwicklung der Membrantechnologie ein.
Die Herstellung von Schichten im Submikrometerbereich ist kein einfaches Beschichtungsverfahren. Solche Schichten gleichmässig, reproduzierbar und mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen, erfordert spezielles Prozesswissen, Erfahrung und eine präzise Beherrschung der Material- und Herstellungsparameter.
Genau dieses Know-how ermöglichte den entscheidenden Schritt: Die Membran konnte extrem dünn ausgeführt werden.
Weniger Material – weniger Kosten
Eine dünne Membran hat einen sehr kurzen Transportweg. Dadurch kann der elektrische Widerstand reduziert werden.
Gleichzeitig wird für dieselbe Membranfläche nur ein Bruchteil des Materials benötigt.
Damit entstand ein einfacher, aber wirkungsvoller Zusammenhang:
Extrem dünn → kurzer Transportweg → niedriger Widerstand
Extrem dünn → minimaler Materialeinsatz → geringere Kosten
Die entwickelte nicht fluorierte Kompositmembran verband damit mehrere Anforderungen, die bei Redox-Flow-Batterien gleichzeitig schwierig zu erreichen sind:
niedriger Widerstand · geringer Materialverbrauch · niedrige Kosten · keine fluorierten Polymere
Von der Technologie zur Anwendung
Vom US // ES-Know-how zum Batteriesystem
Die Dünnschichtkompetenz wurde nicht isoliert als Beschichtungstechnologie eingesetzt. Sie wurde in die Entwicklung einer funktionierenden Membran für die Vanadium-Redox-Flow-Batterie überführt.
Am PSI wurde habe ich die Technologie mit Kollegen entwickelt, charakterisiert und im Batteriesystem erprobt.
Damit entstand aus spezialisiertem Dünnschicht-Know-how eine konkrete Lösung für ein zentrales Problem grosser Redox-Flow-Batterien: die Kosten und Leistungsfähigkeit der Membran.
Gründung eines Start-ups zur Skalierung
Für die weitere wirtschaftliche Nutzung und Skalierung der Redox-Flow-Batterie-Membrane wurde ein Start-up gegründet.
Ich war dort zusätzlich als Berater tätig und brachte meine Erfahrung aus der Industrie, Entwicklung, Technologietransfer und Skalierung ein.
Der Weg führte damit von der Dünnschichttechnologie aus den USA über die Entwicklung am PSI bis zur Anwendung in der Redox-Flow-Batterie und zur Gründung eines Start-ups.
Vom US // ES-Know-how zum Batteriesystem
Die Dünnschichtkompetenz wurde nicht isoliert als Beschichtungstechnologie eingesetzt. Sie wurde in die Entwicklung einer funktionierenden Membran für die Vanadium-Redox-Flow-Batterie überführt.
Am PSI wurde habe ich die Technologie mit Kollegen entwickelt, charakterisiert und im Batteriesystem erprobt.
Damit entstand aus spezialisiertem Dünnschicht-Know-how eine konkrete Lösung für ein zentrales Problem grosser Redox-Flow-Batterien: die Kosten und Leistungsfähigkeit der Membran.
Gründung eines Start-ups zur Skalierung
Für die weitere wirtschaftliche Nutzung und Skalierung der Redox-Flow-Batterie-Membrane wurde ein Start-up gegründet.
Ich war dort zusätzlich als Berater tätig und brachte meine Erfahrung aus der Industrie, Entwicklung, Technologietransfer und Skalierung ein.
Der Weg führte damit von der Dünnschichttechnologie aus den USA über die Entwicklung am PSI bis zur Anwendung in der Redox-Flow-Batterie und zur Gründung eines Start-ups.
Einige wichtige Redox-Flow-Batterie-Hersteller
SCHMID Group / SCHMID Energy Systems, Freudenstadt, DeutschlandEverFlow VRFB-Systeme
Sumitomo Electric Industries, Osaka, JapanVRFB-Systeme für Netz- und Industrieanwendungen
Invinity Energy Systems, London, UK / Vancouver, KanadaVS3- und ENDURIUM-Vanadium-Flow-Batterieplattforme
VFlowTech, SingapurPowerCube – modulare VRFB-Systeme
Largo Clean Energy / Storion EnergyToronto, Kanada / USAVCHARGE± VRFB-Systeme; Vanadium-Elektrolyt
VRB Energy, Vancouver, KanadaVRB-ESS-Systeme der kW- und MW-Klasse
CellCube (Enerox GmbH), Wiener Neudorf, ÖsterreichCellCube FB-Serie VRFB-Systeme
H2, Inc.Daejeon, SüdkoreaEnerFLOW VRFB-Serie
HIITIO, Hangzhou, Zhejiang, ChinaVanadium-Redox-Flow-Batteriesysteme (VRFB)
Dalian Rongke Power (RKP), Dalian, ChinaUPower-, SPower- und EPower-VRFB-Systeme; Stacks; Vanadium-Elektrolyt
Publikationen Vonlanthen
In dieser Beitragsreihe werden die Publikation von David Vonlanthen vorgestellt.