Superkondensatoren und Vanadium-Redox-Flow-Batterien sichern die Stabilität von Stromnetzen

Die Stabilisierung moderner Stromnetze erfordert fortschrittliche Energiespeicher, die hohe Energiedichte und schnelle Lade- und Entladefähigkeit bieten. Eine vielversprechende Lösung ist die Kombination von Superkondensatoren und Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFB). Dieser Artikel beleuchtet die Funktionsweise dieser Technologien und den aktuellen Stand der Forschung.

Funktionsweise von Superkondensatoren und Vanadium-Redox-Flow-Batterien

Superkondensatoren, auch als Ultrakondensatoren bekannt, speichern Energie durch den Doppelschichteffekt an der Grenzfläche zwischen Elektrodenmaterial und Elektrolyt. Sie laden und entladen extrem schnell und haben eine hohe Zyklenlebensdauer. Superkondensatoren bestehen aus zwei Elektroden, einem Elektrolyten und einem Separator. Beim Anlegen einer Spannung verschieben sich Ionen im Elektrolyten und bilden eine Doppelschicht an den Elektroden, wodurch Energie gespeichert wird.

Vanadium-Redox-Flow-Batterien speichern Energie in flüssigen Elektrolyten, die Vanadium-Ionen in verschiedenen Oxidationszuständen enthalten. Das System besteht aus zwei Tanks mit den Elektrolyten (positiv und negativ) und einer Reaktionszelle, in der die elektrochemischen Reaktionen stattfinden. Der Hauptvorteil von VRFBs liegt in ihrer Skalierbarkeit und der Möglichkeit, Energie und Leistung unabhängig voneinander zu skalieren. Zudem bieten sie eine lange Lebensdauer und sind relativ sicher.

Kombination von Superkondensatoren und Vanadium-Redox-Flow-Batterien

Die Kombination von Superkondensatoren und VRFBs nutzt die Vorteile beider Technologien: die schnelle Reaktionszeit und hohe Leistung von Superkondensatoren sowie die hohe Energiedichte und Skalierbarkeit von VRFBs. In einem kombinierten System decken Superkondensatoren kurzfristige Energieanforderungen und gleichen Spitzenlasten aus, während VRFBs als Langzeitspeicher fungieren und kontinuierlich Energie bereitstellen.

Integration und Systemarchitektur
Eine typische Integration könnte so aussehen: Superkondensatoren werden parallel zu VRFBs geschaltet und über eine gemeinsame Steuerungseinheit geregelt. Bei plötzlichen Strombedarfsspitzen liefern die Superkondensatoren sofort Energie, um die Last zu decken. Währenddessen setzen die VRFBs langsam ihre Energie frei, um die Superkondensatoren wieder aufzuladen und die langfristige Energieversorgung sicherzustellen. Diese hybride Architektur ermöglicht eine effizientere und stabilere Energieversorgung, besonders bei schwankender Nachfrage oder der Integration erneuerbarer Energiequellen wie Solar- und Windkraft.

Aktueller Stand der Forschung

Die Forschung zur Kombination von Superkondensatoren und VRFBs befindet sich in einem dynamischen Stadium. Einige der jüngsten Fortschritte umfassen:

1. Materialentwicklung: Verbesserungen bei den Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren und den Elektrolyten für VRFBs. Der Fokus liegt auf der Erhöhung der Energiedichte und der Verlängerung der Lebensdauer.

2. Systemintegration: Entwicklung fortschrittlicher Steuerungssysteme, die die Energieflüsse zwischen Superkondensatoren und VRFBs effizient managen. Algorithmen für das Energiemanagement und die Lastverteilung werden optimiert, um eine nahtlose Zusammenarbeit zu gewährleisten.

3. Pilotprojekte und Tests: Durchführung von Pilotprojekten und Feldtests, um die Praxistauglichkeit der kombinierten Systeme zu untersuchen. Diese Projekte liefern wertvolle Daten zur Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit in realen Anwendungen.

4. Kostenreduktion: Forschung zur Senkung der Produktionskosten und Verbesserung der Wirtschaftlichkeit dieser hybriden Energiespeichersysteme. Skaleneffekte und die Optimierung der Herstellungsprozesse spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Die Forschung zur Kombination von Superkondensatoren und Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFBs) zur Stabilisierung von Stromnetzen treiben mehrere führende Institute weltweit voran.

1. HyFlow Projekt
Koordination: Hochschule Landshut, Deutschland
Partner: Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT), Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und die Bayerische Forschungsallianz.
Ziel: Entwicklung eines hybriden Energiespeichersystems, das die Vorteile von Superkondensatoren (hohe Leistung, schnelle Lade- und Entladezeiten) und VRFBs (hohe Energiedichte, lange Lebensdauer) vereint.
Finanzierung: Europäische Union, mit 4 Millionen Euro.
[European scientists want to develop hybrid vanadium redox flow battery with supercapacitor – pv magazine International]

2. Helmholtz-Institut Ulm (HIU)
Forschungsschwerpunkte: Entwicklung neuer Materialien und Technologien für elektrochemische Energiespeicher, einschließlich VRFBs und Superkondensatoren.
Besondere Projekte: Untersuchung der elektrochemischen Reaktionen und Mechanismen sowie der Materialentwicklung für die nächste Generation von Batteriesystemen.
[Research Groups – Helmholtz-Institut Ulm]

3. Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech)
Projekt: Teil eines internationalen Konsortiums zur Entwicklung eines hybriden Energiespeichersystems.
Finanzierung: Europäische Kommission, mit 4 Millionen Euro über drei Jahre.

4. Indische Institute für Technologie (IITs)
Forschungsschwerpunkte: Entwicklung von Elektrodenmaterialien und neuen Redoxpaaren für VRFBs, um Effizienz und Lebensdauer zu verbessern.
Beteiligte Institute: IIT Madras, IIT Bombay und verschiedene Indian Institutes of Science Education and Research (IISERs).
[mehr Informationen]

Versuchsanlagen

Mehrere Pilotprojekte und Versuchsanlagen untersuchen bereits die Machbarkeit und Effizienz dieser hybriden Energiespeichersysteme. Diese Anlagen testen die theoretischen Konzepte in realen Anwendungen und sammeln wertvolle Daten zur Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit.
Zwei Prototypen wurden im Rahmen des HyFlow-Projekts in Landshut und Pfinztal errichtet. Beide Anlagen zeigen das Größe und Leistung auf den jweiligen Energiebedarf skalierbar sind.

Fazit

Die Kombination von Superkondensatoren und VRFBs bietet eine vielversprechende Lösung zur Stabilisierung moderner Stromnetze. Durch die Zusammenarbeit führender Forschungsinstitute und die Unterstützung internationaler Förderprogramme sind bedeutende Fortschritte zu erwarten. Diese hybriden Systeme könnten bald eine wichtige Rolle bei der Integration erneuerbarer Energien und der Sicherstellung einer zuverlässigen Energieversorgung spielen.