Vanadium-Batterien für nachhaltiges Energiemanagement

Prof. Dr. Michael Schlüter (l.) und Stefan Palte arbeiten an Konzepten für den Einsatz von Vanadium-Redox-Fluss-Batterien als stationäre Energiespeicher in Kläranlagen. Im Bild: ein Modell der Batterie. Foto: WH/BL

Vanadium-Batterien nutzen das Energiegefälle zwischen zwei Vanadium-Lösungen dazu, durch das Hin- und Herschaufeln von Elektronen Energie zu sammeln, zu speichern und wieder abzugeben. Elektrochemisch heißen sie daher Vanadium-Redox-Fluss-Batterien (wobei das Redox gleichzeitig für die energetischen Reaktionen Reduktion und Oxidation steht). Abgekürzt wird das mit VRFB. Prof. Dr. Michael Schlüter und Mitarbeiter Stefan Palte vom Gelsenkirchener Fachbereich „Elektrotechnik und angewandte Naturwissenschaften“ wollen mit ihnen Klärwerke stromautark machen.

(BL) Die Vanadium-Batterie beruht auf der besonderen Eigenschaft dieses Metalls, verschiedene Oxidationsstufen einzunehmen, woraus sich vier variable Energiestufen ergeben. Befindet sich Vanadium mit unterschiedlicher Ladungsstärke gelöst in zwei Flaschen oder Tanks, schickt der Energieunterschied die Elektronen hin und her, vor und zurück. Wenn das System Elektronen pumpt, setzt es Gleichstrom in Gang, nimmt es Elektronen auf, speichert es Energie. Die angeschlossene Batterie wird so immer wieder geladen oder entladen.

Das Prinzip wurde bereits 1933 von Pierre André Pissoort zu einem französischen Patent angemeldet, später von anderen Forschern auch in anderen Ländern. Prof. Dr. Michael Schlüter und Mitarbeiter Stefan Palte vom Gelsenkirchener Fachbereich „Elektrotechnik und angewandte Naturwissenschaften“ wollen es nutzen, um Betriebe, in denen Strom anfällt, aber nicht immer zu den richtigen Verbrauchszeiten, energieautark zu machen. Von Oktober 2020 bis März 2021 nehmen sie sich dazu die Erzeuger- und Verbraucherdaten von zwei Klärwerksverbänden in Nordrhein-Westfalen vor, um ein entsprechendes Nutzungskonzept zu finden. Gefördert wird das Projekt aus dem Förderprogramm „Progres.NRW – Research“ vom nordrhein-westfälischen Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie.

„Vorteil der Vanadium-Redox-Fluss-Batterie ist, dass sie ohne merklichen Vanadium-Verlust rund 20 Jahre stabil Strom speichert und liefert“, so Schlüter. Die Batterie soll als Puffer dienen: In Klärwerken fällt etwa Faulgas an, das als Methan in Blockheizkraftwerken, die eigentlich Gaskraftwerke zur Erzeugung von Strom und Wärme sind, Strom erzeugt. Durch die Pufferung über die Vanadium-Batterie kann der Strom dann bei Bedarf genutzt werden, um etwa Pumpen, Hebeanlagen, Belüfter oder andere Klärwerksmaschinen zu betreiben. Schlüter: „Im Idealfall wird das Klärwerk damit unabhängig vom Stromnetz oder benötigt es nur noch in Ausnahmen.“

Da die Energieschaukel der Elek-tronen Gleichstrom unterschiedlicher Spannungsstärken erzeugt, schaltet Stefan Palte noch elektrotechnisch ausgeklügelte Wechselrichtersysteme und Regelungsmechanismen zwischen Batterie, Verbraucher und Versorgungsnetz. Er ist Master-Absolvent der Westfälischen Hochschule in Energietechnik.

Bei Projektende wird sich zeigen, ob sich das Prinzip auf Klärwerke sinnvoll anwenden lässt. Wenn nicht, haben die Forscher auch noch andere industrielle Nutzungsvarianten für Vanadium-Redox-Fluss-Batterien im Hinterkopf.

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