Riesige Flow-Akkus kommen in der Praxis an

Um die Energie von Wind und Sonne optimal zu nutzen, werden Speicher benötigt. Denn in der Nacht scheint die Sonne nicht und bei Flaute drehen sich keine Windräder. Also muss man die Überproduktion an Energie, die nicht sofort verbraucht wird, für solche Zeiten in Batterien lagern.

Die übliche Akkutechnologie Lithium-Ionen kann dafür genutzt werden. Tesla baut etwa solche gewaltigen Stromspeicher, um die Spitzenlast in Stromnetzen auszugleichen. Herausforderungen dabei sind der Wartungsaufwand bei Lithium-Ionen-Akkus und die Brandgefahr.

Als mögliche Alternative gelten Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Dass diese reif für den Einsatz sind, beweist eine Anlage in Japan, berichtet die Washington Post.

Riesiger Akku in der Nähe von Sapporo

Eine neue Anlage wurde im April 2022 in Japan eröffnet. Ihr ging eine Versuchsanlage voraus, die seit 2019 im kommeriziellen Betrieb ist. Diese befindet sich etwa 50 km entfernt von Sapporo, der Hauptstadt der japanischen Insel Hokkaido. Betrieben wird sie vom Hokkaido Electric Power Network (HEPCO).

Das Kernstück der 2-stöckigen Anlage sind 130 Tanks, wovon jeder mehr als 35.000 Liter Fassungsvermögen hat. Darin befindet sich Wasser mit Partikeln des Metalls Vanadium. Vanadium kann seine Ladung verändern, wenn Elektronen hinzugefügt oder entfernt werden.

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So funktioniert die Flow-Batterie

Jeder Tank enthält Vanadium mit einer eher positiven Ladung. Er hat einen Gegenspieler: einen Tank mit eher negativer Ladung. Durch ein Rohrsystem sind die Tanks mit Batteriezellen im Stockwerk darüber verbunden. Die Zellen sind durch eine Membran getrennt.

Zum Laden der Batterien wird die überschüssige Energie von Windkraft genutzt, um die Pumpen zu betreiben. Die Elektronen wandern durch Hilfe der Membran von der positiven zur negativen Seite, wodurch ein Ungleichgewicht entsteht. Die Elektronen wollen wieder die Balance herstellen. Wird die gespeicherte Energie benötigt, wird die Flüssigkeit wieder durch die Zellen gepumpt. Der Elektronen-Austausch findet in die andere Richtung statt. Die chemisch gespeicherte Energie wird dabei freigesetzt und in elektrische Energie umgewandelt.

Ausbau durch größere Tanks

Die Kapazität der Anlage beträgt 60 MWh. Diese werden standardmäßig als 15 Megawatt für 4 Stunden abgegeben. Damit können 27.000 Haushalte auf Hokkaido für 4 Stunden versorgt werden. Die zweite Anlage, die 2022 eröffnet wurde, ist etwas kleiner und hat eine Leistung von 17 Megawatt für 3 Stunden (51 MWh).

Laut Sumitomo Electric, die die Anlage für HEPCO errichtet haben, entsprechen die Kapazitäten dieser Anlagen in etwa denen von großen Lithium-Ionen-Akkus. Die Flow-Akkus seien aber leichter skalierbar. Solange die Kapazität der Batteriezellen nicht ausgeschöpft ist, kann man einfach größere Tanks nutzen. Das Ziel ist, dass solche Anlagen künftig Energie für 8 bis 10 Stunden liefern – also lange genug, bis die Sonne wieder auf Solarzellen scheint.

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Flow-Batterien im Container

Die Skalierbarkeit geht auch in die andere Richtung. Sumitomo baut kleine Varianten der Flow-Batterien, die in übliche Schiffscontainer (ca. 6 x 2,5 x 2,5 m) passen. Diese kommen in Hokkaido bei Häusern, Unternehmen und Stromkraftwerken zum Einsatz. Dadurch wurden die Voraussetzungen geschaffen, dass HEPCO 15 weitere Windfarmen rund um Hokkaido errichten konnte.

Genau die wie große Anlage helfen die Flow-Batterien in den Containern dabei, Lastspitzen auszugleichen und stabilisieren so das Stromnetz. Aktuell scheint das zu funktionieren: Die Insel bekommt etwa ein Fünftel seiner Energie durch Wind und Sonne, hat keine Blackouts und fast keinen Energieüberschuss, der verloren geht. Sumitomo hat auch schon Flow-Batterien in Taiwan, Belgien, Australien, Marokko und Kalifornien errichtet.

Nachteile der Flow-Batterien

Vanadium-Redox-Flow-Batterien haben aber Nachteile. Aktuell sind die Kosten für den Bau noch in etwa doppelt so hoch wie für vergleichbare Lithium-Ionen-Akkus, weil die Technologie noch jung und nicht optimiert ist. Allerdings würden auf lange Sicht Flow-Batterien schon jetzt günstiger sein, weil die Wartungskosten geringer als bei Lithium-Ionen-Akkus sind. Außerdem verlieren Lithium-Ionen-Akkus konstant Leistung und müssen nach etwa 10 Jahren ersetzt werden.

Flow-Batterien haben theoretisch keinen Leistungsverlust. Sumitomo garantiert die Lebensdauer aber vorerst nur für 20 Jahre, weil Langzeiterfahrungswerte fehlen, da die Technologie eben noch neu ist. Die älteste Sumitomo-Flow-Batterie im kommerziellen Einsatz läuft aktuell seit 11 Jahren.

Sollte die Flow-Batterie abgebaut werden, kann das Vanadium für eine neue Flow-Batterie wiederverwendet werden. Ebenfalls für Flow-Batterien spricht, dass der Elektrolyt in den Tanks nicht brennbar ist, aufgrund des hohen Wasseranteils.

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China und Russland kontrollieren die Vanadium-Verfügbarkeit

Ein großer Unsicherheitsfaktor ist der benötigte Rohstoff. Drei Viertel des weltweiten Vanadiums kommt als ein Nebenprodukt von 10 Stahlwerken in China und Russland. Sollte China selbst in Flow-Batterien investieren und Russland seine Exporte aus geopolitischen Gründen einschränken, würden die Preise explodieren und die Flow-Akkus dadurch unwirtschaftlich werden.

Die Errichtung von eigenen Vanadium-Minen könnte das Problem nur bedingt lösen. Denn das Übergangsmetall ist zwar häufig vorkommend, aber es gibt nur wenige konzentrierte Lagerstätten, was den Abbau wiederum teuer macht. Einige Start-ups experimentieren deshalb mit Flow-Batterien, die Elemente nutzen, die leichter verfügbar sind.