Redox-Flow-Batterien mit pflanzenbasierten Elektrolyten auf dem Weg in die Praxis

4. Jan. 2021 — Lesedauer 4 min

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4. Jan. 2021 — Lesedauer 4 min

Bislang enthalten fast alle Batterien Metallverbindungen, egal ob kleiner Akku im Smartphone oder großtechnische Redox-Flow-Batterie, welche auf Lithium, Blei oder Vanadium basieren. Gewinnung und Recycling der metallischen Verbindungen sind aufwändig und unter Umständen mit Umweltproblemen verbunden. Nun rückt eine nachhaltige Alternative näher – ein deutsches Forscherteam entwickelt derzeit eine praxistaugliche Batterie, deren Elektrolyt auf einer pflanzlichen Verbindung aus Holz basiert: Die CMBlu Energy AG optimiert ihr Verfahren zur Elektrolytgewinnung aus Lignin zur Praxisreife weiter.

Lignin fällt als Nebenprodukt des Holzaufschlusses in Papier- und Zellstofffabriken weltweit im Millionen-Tonnen-Maßstab an. Elektrolyte auf Holzbasis sind erneuerbar und weder brennbar noch explosiv. In stationären Redox-Flow-Batterien könne Energie im für die Energiewende erforderlichen, großtechnischen Maßstab gespeichert werden, so CMBlu Energy in einer aktuellen Mitteilung.

Herkömmliche Redox-Flow-Batterien benötigten große Mengen Elektrolyte mit gelösten Metall-Ionen. Diese Stoffe seien häufig knapp, teuer und umweltschädlich. Als mögliche Alternativen sollen sich organische Verbindungen pflanzlichen Ursprungs anbieten. Sie versprechen nicht nur eine höhere Wirtschaftlichkeit, sondern sind regenerierbar und damit potenziell auch nachhaltiger als metallische Verbindungen. Als Quelle kommt u. a. Lignin, einer der drei chemischen Hauptbestandteile des Holzes, in Frage. In der Literatur werde Lignin als grundsätzlich gut geeignet zur Gewinnung von Ausgangsstoffen für biobasierte Elektrolyte beschrieben.

Der CMBlu Energy AG und ihren Partnern gelang es im Vorläuferprojekt, die grundsätzliche Machbarkeit Lignin- basierter Elektrolyte zu demonstrieren. Im aktuellen Vorhaben will CMBlu das Verfahren gemeinsam mit sechs Partnern aus Wissenschaft und Industrie unter Umwelt- und Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten weiter optimieren.

„Das kontinuierliche Verfahren, das wir in FOREST II mit unseren Partnern erarbeiten möchten, erschließt eine nachhaltige und nahezu unbegrenzte Quelle zur Gewinnung von Ausgangsstoffen für unsere organischen Elektrolyte.“ – Dr. Peter Geigle, Vorstandsvorsitzender der CMBlu Energy AG

Unter anderem plant das Projektteam die Entwicklung spezieller Filtrationsmembranen und die Erprobung elektrochemischer Syntheserouten, um die Ausbeute der Zielmoleküle bei der Produktion der Elektrolyte aus Lignin zu erhöhen. Im gesamten Prozess von der Ligninfragmentierung bis zur Elektrolytproduktion fallen zudem diverse Nebenströme an, die unter anderem Furfural, Vanillin und Syringasäure enthalten. Die Forscher wollen Trennverfahren zur Gewinnung dieser verwertbaren Stoffe entwickeln. Im Idealfall könnten Zellstofffabriken so zu Bioraffinerien ausgebaut werden, die in einem integrierten System Cellulose zu Zellstoff sowie Lignin zu Ausgangsstoffen für Elektrolyte und weitere Chemikalien umwandeln.

Bei den aus dem Lignin abgetrennten Zielmolekülen handelt es sich chemisch gesehen um Chinone. Diese bringen aufgrund ihrer Eigenschaften grundsätzlich ein hohes Potenzial für eine wirtschaftliche Batterieproduktion mit: Chinone lassen sich mit erheblich günstigeren Elektrodenmaterialien als herkömmliche Aktivmaterialien kombinieren. Zudem handelt es sich im Vergleich zu Metallionen um deutlich größere Moleküle, sodass man auch günstigere Membranen für den Ladungsausgleich in den Batteriezellen verwenden kann. Zudem sind die organischen Elektrolyte weder brennbar noch explosiv.

Die CMBlu Energy AG entwickelt als Organic-Flow-Batterien bezeichnete, bis in den Gigawattbereich skalierbare, stationäre Stromspeicher für den Markt. Als Elektrolyte kommen bislang noch organische Moleküle auf Basis fossiler Rohstoffe zum Einsatz. Mit Elektrolyten auf Lignin-Basis würden die Großstromspeicher ihren Beitrag zur Energiewende künftig auch in Bezug auf ihre eigene Rohstoffbasis nachhaltig leisten können. Vor dem Hintergrund kritischer Diskussionen zu Batterierohstoffen dürften Akteure in der Energiewirtschaft mit Spannung auf das Projekt schauen.

Die einzelnen Projektpartner fokussieren sich im Rahmen des Vorhabens auf unterschiedliche Schwerpunkte:

CMBlu erforscht die Reaktionsführung und -optimierung im kontinuierlichen Membranreaktor, Substituenten für Elektrolyte auf Ligninbasis für eine gute Wasserlöslichkeit und zur Verschiebung des elektrochemischen Potentials sowie optimierte Elektroden für Chinonelektrolyte.
Die TH Mittelhessen konzentriert sich zum einen darauf, mittels keramischer Membranen die bei der Fragmentierung entstehenden Zielprodukte (Syringaldehyd, Vanillin) sowie die Nebenprodukte, beispielsweise Furfural, Syringasäure, Vanillinsäure, aus dem Prozess abzutrennen. Zum anderen werden Verfahren entwickelt, um im Einsatz verbrauchten bzw. degradierten Elektrolyten aus dem Prozess auszuschleusen und einer Regeneration zuzuführen.
Die MANN+HUMMEL GmbH entwickelt keramische Membranen und Membranmodule, welche bei der Aufbereitung und Filtration des Lignins und bei der thermisch-chemischen Umwandlung zu Zwischen- und Endprodukten im Rahmen der Elektrolytherstellung eingesetzt werden. Diese Membranen erfordern eine hohe Beständigkeit gegenüber den hohen Prozesstemperaturen und den vorliegenden chemischen Substanzen.
Die AG Janek / Nachwuchsgruppe Schröder an der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) wird sich mit der Charakterisierung der eingesetzten Elektrodenmaterialien sowie der elektrochemischen Analyse der organischen Aktivmaterialien in verschiedenartigen Lösemitteln beschäftigen.
Die AG Wegner der JLU beschäftigt sich mit der Synthese von neuen Leitstrukturen organischer Aktivmaterialien und ihren Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sowie der metallfrei katalysierten Ligninspaltung.
Zur Optimierung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Elektrolyten und zum Verständnis möglicherer Degradationsmechanismen werden in der AG Mollenhauer der JLU quantenchemische Rechnungen durchgeführt.
Die Johannes Gutenberg-Universität Mainz entwickelt elektrochemische Syntheserouten zur effizienteren und nachhaltigeren Gewinnung Chinon-basierter Aktivmaterialien und stellt Analyseverfahren zur Erforschung von Degradationsmechanismen zur Verfügung.

Das Vorhaben „Neuartige Lignin-basierte Elektrolyte für den Einsatz in Redox-Flow- Batterien (FOREST II)“ wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) gefördert.

Quelle: CMBlu – Pressemitteilung vom 22.10.2020

Michael Neißendorfer

Michael Neißendorfer ist E-Mobility-Journalist und hat stets das große Ganze im Blick: Darum schreibt er nicht nur über E-Autos, sondern auch andere Arten fossilfreier Mobilität sowie über Stromnetze, erneuerbare Energien und Nachhaltigkeit im Allgemeinen.

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Daniel W.:

Ich bin auf eine kleine Redox-Flow-Batterie gestoßen – 6,8 kWh für knapp 7.000 Euro, also gut 1.000 Euro pro kWh – die als Stromspeicher für die PV-Anlage dient.

Bei den Lithium-Ionen-Batteriespeicher fürs Haus mit 6 bis 14 kWh Speicherkapazität werden 600 – 1.900 Euro pro kWh verlangt.

Photovoltaik + Speicher (Einfamilienhaus) ca. 16.000 – 28.000 € (mit Einbau)
(Quelle: energieheld.de)

Noch spart man kaum mit den Batteriespeichern, denn jedes kWh im Speicher kostet Geld (Abschreibung der Anlage) und man verdient keine Einspeisevergütung mehr damit, somit ist es wohl eher der Umweltgedanke, die zum Kauf der Batteriespeicher führt.

Mit meiner Zukunftsvision ist es ja nicht eilig – kommt Zeit, kommen billigere Batterien.

Mark Müller:

Die Redox-Flow-Batterie hat ein paar Vorteile und ein paar Nachteile (Leistungsdichte). Aber sie hat einen grossen konzeptionellen Unterschied zu einer klassischen Batterie, der sie für gewisse Anwendungen besonders geeignet macht, die Trennung von ‚Generator‘ und Elektrolyt.
Beispiel: Ich habe eine Anwendung, die maximal 6 kWatt braucht (z.B. ein Haus). Ich beschaffe mir einen Speicher, der diese Anwendung 10 Stunden mit der Maximalleistung versorgen kann, also eine Batterie mit 60 kWh Kapazität.
Wenn ich nun für die gleiche Anlage mehr Energie speichern will, also z.B. für 100 Stunden Vollbetrieb, dann brauche ich eine Batterie mit 600 kWh Kapazität. Bei einer klassischen Batterie muss ich 10 mal die 60-kWh-Batterie beschaffen (die hätte auch 10 mal mehr Leistung, aber das brauche ich ja hier nicht). Bei einer Redox-Flow-Batterie brauche ich nur 10 mal mehr Elektrolyt-Flüssigkeit; bzw. grössere Tanks mit mehr Flüssigkeit. Der Generator bleibt der gleiche. Die Kapazität lässt sich mit mehr Elektrolyt-Flüssigkeit unabhängig von der Leistung erhöhen.
Wenn man mal ein billiges Elektrolyt gefunden hat, ist eine Redox-Flow-Batterie somit eine sehr gute Lösung für die Speicherung grosser Energiemengen, wenn die Leistung nicht entsprechend grösser sein muss.

Daniel W.:

Redox-Flow-Batterie: Vorteile und Nachteile unterschiedlicher Flüssigbatterien
Vorteile der Redox-Flow-Batterie:
…
Hohe Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren wahrscheinlich.
Aktuelle Redox-Flow-Forschung.
Aufgrund der klaren Nachteile der Vanadium-Nutzung im Hinblick auf die Umweltfreundlichkeit der Redox-Flow-Batterie, ist die Suche nach Alternativen dauerhaft im Gange. … Die große Bandbreite an elektroaktiven Substanzen – von denen viele in der Natur vorkommen – bedeutet, dass noch eine Vielzahl an potenziellen Systemen zu erforschen ist.
Und: Beim Preis für die Aktivmaterialien erscheinen 54 Dollar pro Kilowattstunde möglich – damit käme die Batterie in den Bereich von heutigen Lithium-Ionen-Batterien, wie sie beispielsweise Tesla einsetzt.
(Quelle: cleanthinking.de)

„Hohe Lebensdauer von 15-20 Jahren“ – können Lithium-Ionen-Batterien mit „First Life“ und „Second Life“ auch – also kein Vorteil bei Redox-Flow-Batterien.

Billiger sind Redox-Flow-Batterien auch nicht, wenn sie erst in Zukunft „in den Bereich von heutigen Lithium-Ionen-Batterien“ kommen – also bei Hausspeichern wohl keine Redox-Flow-Batterien.

Die Vorteile von Redox-Flow-Batterien erschliessen sich mir nicht so richtig, vermutlich müsste man da in größeren Dimensionen denken und mit Millionen von Euros jonglieren können.

Mark Müller:

Redox-Flow-Batterien sind wohl eher für stationäre Anwendungen. Von PV-Heimspeichern an aufwärts bis zu grösseren Pufferspeichern.
Der Vorteil ist, dass Leistung und Kapazität unabhängig voneinander skaliert werden können. Eine Art Brennstoffzelle bestimmt die Leistung (wie viel Watt gespeichert und wieder abgegeben werden kann), während die Grösse der Tanks für die Elektrolyt-Flüssigkeit die Kapazität (kWh, wie viel Leistung wie lange) bestimmt.

Daniel W.:

Bis zur Serienreife dürfte es noch lange dauern, aber der Weg zur Stromspeicherung in Batterien ist der Richtige und wenn dabei günstige und umweltschonende Stoffe verwendet werden, dann um so besser.

Von Wasserstoff verspreche ich mir bei Stromspeicherung, E-Autos und selbst bei E-Lkws nichts für die Zukunft. Güterverkehr gehört auf die Schiene und für die letzten Kilometer genügen Lkws mit kleinen Batterien.

Wolfbrecht Gösebert:

[Es gelang] im Vorläuferprojekt, die grundsätzliche Machbarkeit Lignin-basierter Elektrolyte zu demonstrieren.

Na dann ist es ja gut, dass zu Alternativen zu den aktuellen, keineswegs problemlosen Akku-Materialien geforscht wird – auch wenn ich (bei Erfolg!) denke, dass eine Serien-Zellfertigung erst deutlich hinter einem 10-Jahres-Horizont zu erwarten ist!
Was wirklich übrigbleibt, wird man aber wie üblich erst nach Auslaufen der Fördermittel sehen …

Das E steht für Elektro:

Nachdem mittlerweile 2 Deutsche es geschafft haben, Kunststoffe durch Lignin zu ersetzen (wie z.b. Kaffeekapseln) wäre das ein entscheidender Durchbruch in der E-Mobilität. Man darf gespannt sein.