Technologie-Alternative zu Lithium: Vanadium-Redox-Flow im Heimspeichermarkt

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Jede zweite private Photovoltaik-Anlage wird mittlerweile mit einem Stromspeicher installiert. Trotz vieler Anbieter gibt es für Endkunden bei der Speichertechnik bis dato keine Alternative zur Lithium-Ionen-Technologie. Ändern könnte dies ein innovativer Produktionsansatz, der die im Großspeichersegment seit Jahren erfolgreiche Vanadium-Redox-Flow (VRF) Technologie nun auch für den Heimspeichermarkt attraktiv macht – dies ist besonders sicher, langlebig und umweltschonend.

Mehr Unabängigkeit vom Energiemarkt – das ist der entscheidende Grund, weshalb immer mehr Betreiber privater Photovoltaikanlagen auf Stromspeicher setzen. Mit ihnen lässt sich nicht benötigter Solarstrom speichern und bei Bedarf wieder abrufen. Auch dank positiver Preisentwicklung wird inzwischen jede zweite PV-Neuanlage in Kombination mit einem Stromspeicher installiert. Als dominierende Speichertechnik hat sich dabei die Lithium-Ionen-Technologie etabliert: 98 Prozent aller 2017 neu installierten Heimspeichersysteme basierten auf dieser Technologie. Systeme auf Blei-Basis, die anfänglich in Konkurrenz zu Lithium standen, spielen aufgrund der geringen Lebensdauer de facto keine Rolle mehr auf dem Heimspeichermarkt. Die Folge: Endkunden haben bei der Bestimmung ihres Heimspeichersystems letztlich keine Wahl, da Lithium-Systeme aktuell die einzig relevante Speichertechnik darstellen.

Vanadium-Redox-Flow: Denkbare Technologie-Alternative zu Lithium?

Ändern könnte dies die Vanadium-Redox-Flow (VRF) Speichertechnologie, bei der elektrische Energie in einer Elektrolytflüssigkeit chemisch gespeichert wird. Hauptenergieträger ist dabei das in der Flüssigkeit gelöste Vanadium, ein Übergangsmetall das unter anderem in der Automobil- und Flugzeugindustrie zur Härtung von Metallen genutzt wird. Der Vanadium-Elektrolyt befindet sich dabei mit unterschiedlichen Oxidationsstufen in voneinander getrennten Flüssigkeitstanks. Durch ein spezielles Pumpsystem fließt der Elektrolyt in mehrere aufeinander geschichtete Batteriezellen. Bei der Zufuhr elektrischer Energie kommt es in den negativen Halbzellen zu einer Reduktion und in den positiven Halbzellen zu einer Oxidation des Vanadium-Elektrolyts. Sobald gespeicherte Energie entnommen werden soll, kehrt sich dieser Prozess wieder um.

Bislang kam die VRF-Technologie ausschließlich in Großspeichern zum Einsatz, um überschüssige Energie aus Wind- und Solarparks zu speichern – und das sehr erfolgreich. So ist die größte Batterie Europas, die am Fraunhofer-Institut in Pfinztal bei Karlsruhe im Betrieb ist, ein klassisches VRF-System.

Trotz der weiter fortschreitenden Erfolgsgeschichte der VRF-Technologie im Großspeichersegment war eine Einführung in den Massenmarkt lange Zeit nicht realisierbar. Der Grund: Redox-Flow-Batteriestacks sind in ihrer Herstellung enorm komplex und werden daher bereits seit Jahrzehnten manuell gefertigt. Die Produktion von VRF-Batterien in hoher Stückzahl ist somit nur durch erhöhten Personalaufwand realisierbar, was wiederum einen nicht-konkurrenzfähigen Endkundenpreis zur Folge hat.

Nun haben wir, die Volt Storage GmbH aus München, einen zum Patent angemeldeten Produktionsprozess entwickelt, der eine vollautomatisierte Fertigung von Redox-Flow-Batteriestacks ermöglicht. Unser Unternehmen ist damit in der Lage, VRF-Batterien unter geringen Ressourcenaufwand in hoher Qualität und Stückzahl zu produzieren – und somit weltweit erstmals einen Endkundenpreis anzubieten, der im preissensitiven Heimspeichermarkt nachhaltig bestehen kann.

Vor – und Nachteile der VRF-Technologie für Privathaushalte

Dass die VRF-Technologie eine denkbare Heimspeicher-Alternative zu gängigen Lithium-Systemen darstellen kann, zeigt sich aber nicht nur am inzwischen konkurrenzfähigen Endkundenpreis: So weisen VRF-Systeme eine hohe Betriebssicherheit auf, da die verwendete Elektrolytflüssigkeit zu über 80 Prozent aus Wasser besteht und damit nicht entflammbar ist. Dies macht die Technologie zu einer besonders sicheren Alternative für Privathaushalte. Auch sind VRF-Systeme besonders langlebig: Aufgrund des flüssigen Elektrolyts können Metallablagerungen an den Batterieelektroden vollständig ausgeschlossen werden. Diese sogenannte Dendritenbildung lässt sich bei vielen elektrochemischen Verfahren, darunter auch bei der Lithium-Ionen-Technologie, feststellen und sorgt mittelfristig zu signifikanten Kapazitätsverlusten. VRF-Systeme hingegen können beliebig oft be- und entladen werden, ohne dabei an Kapazität zu verlieren. Dies macht die VRF-Technologie nicht nur zur langlebigsten Speichertechnik auf dem Markt, sondern prädestiniert sie auch dazu, zusätzliche Netzdienstleistungen anzubieten. So lässt sich nicht benötigte Speicherkapazität (bzw. -leistung) nutzen, um überschüssigen Strom aus dem Netz aufzunehmen und bei Bedarf wieder bereitzustellen. Da bei VRF-Systemen trotz steigender Ladezyklenzahl keine Kapazitätsverluste zu verzeichnen sind, kann durch Netzdienstleistungen eine Monetarisierung des Speichersystems erzielt werden – ohne die Lebensdauer des Systems zu beeinträchtigen. Ein weiterer Pluspunkt stellt die erhöhte Recyclingfähigkeit des Hauptenergieträgers dar. So kann das im Elektrolyt gelöste Vanadium sehr energiearm absorbiert und für die Produktion neuer Batterien wiederverwendet werden – und das zu 100 Prozent.

Als möglicher Nachteil ist die Dimensionierung von VRF-Heimspeichersystemen zu nennen. Da je nach Speicherkapazität mehrere hundert Liter Elektrolytflüssigkeit benötigt werden, sind VRF-Heimspeicher ähnlich dimensioniert wie ein Kühlschrank. Da Heimspeicher aber für gewöhnlich im Keller aufgestellt werden, spielt die Dimensionierung meist eine untergeordnete Rolle.

Mitte Juni 2018 werden wir mit dem VoltStorage SMART den weltweit ersten kosteneffizienten VRF-Heimspeicher auf den deutschen Markt bringen. Betrachtet man die Levelized Costs of Storage (LCOS), mit der sich die Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde berechnen lassen, ist dieser mehr als 40 Prozent günstiger als der derzeitige Marktführer. Die Chancen für eine erfolgreiche Markteinführung der Technologie sind aus technologischer und produktionstechnischer Sicht so gut wie nie. Und damit auch die Aussicht, dass sich neben der Lithium-Ionen-Technologie eine weitere Speichertechnik am Heimspeichermarkt etablieren kann.

— Der Autor Michael Peither ist Gründer und Chief Technology Officer (CTO) der Volt Storage GmbH, einem Münchner Unternehmen, das auf Basis der VRF-Technologie innovative Stromspeicher für private Photovoltaik-Anlagen entwickelt. Der studierte Elektrotechniker und Wirtschaftsingenieur arbeitete unter anderem in den Bereichen Produktentwicklung und Projektmanagement in Deutschland und den USA, bevor er 2014 mit der Entwicklung eines ersten Prototyps des VoltStorage Stromspeichers startete. Im Unternehmen verantwortet Peither die kontinuierliche Weiterentwicklung der Speichertechnologie sowie die Bereiche Produktion und Supply Chain Management. Im Mai 2018 wurde Michael Peither vom Forbes Magazine als einer der 30 besten Jungunternehmer in der DACH-Region ausgezeichnet. —

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