80-mal günstiger als Lithium: Eisen-Flow-Batterie mit 6.000 Zyklen

Chinesische Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelten eine neuartige Eisen-Flow-Batterie, die mehr als 6.000 Ladezyklen komplett ohne Kapazitätsverlust übersteht. Da das verwendete Eisen rund 80-mal günstiger ist als Lithium und das System auf einer nicht brennbaren, wasserbasierten Flüssigkeit basiert, sinken die Kosten für die Speicherung erneuerbarer Energien bis zu 40%. Für Netzbetreiber und die Energiewende steht damit ein sehr langlebiger, sicherer und wirtschaftlich attraktiver Langzeitspeicher bereit, um das Stromnetz bei Dunkelflauten über viele Stunden verlässlich zu stabilisieren.

Details: Alkalische Eisen-Flow-Batterie (CAS)

Durchbruch beim Rohstoffpreis: Eisen 80-mal günstiger als Lithium

Die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Quellen wie z.B. Wind- und Solarenergie im großen Maßstab scheitert oft an den hohen Kosten der dafür nötigen Batteriespeicher. Ein Team von Forschern am Institute of Metal Research der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) in Shenyang stellte nun ein neues System vor, das dieses Problem löst. Die Wissenschaftler haben eine neuartige Eisen-Flow-Batterie entwickelt, deren Ergebnisse vom Team um Erstautor Wei Wei sowie den Co-Leitern Tang Ao und Li Ying im Fachjournal Advanced Energy Materials veröffentlicht wurden.

Der größte wirtschaftliche Hebel der neuen Technologie liegt im verwendeten Aktivmaterial, denn Eisen ist auf der Erde in großen Mengen vorhanden und kostet derzeit rund 80-mal weniger als Lithium. Laut einem Bericht sehen Fachleute in dieser Entwicklung einen wichtigen Schritt, um stationäre Großspeicher für grüne Energie wirtschaftlich attraktiv zu machen und die Energiewende voranzutreiben.

Molekularer Schutzschild gegen Zell-Verschleiß

Eisen-Flow-Batterien gelten in der Energiewirtschaft schon länger als große Hoffnungsträger, da sie auf reichlich vorhandene Rohstoffe setzen und mit wasserbasierten, nicht brennbaren Flüssigkeiten als Elektrolyt arbeiten. Das Risiko von Batteriebränden ist damit ausgeschlossen. Bislang scheiterte die Marktreife jedoch an den negativen chemischen Eigenschaften der Zelle. Das aktive Material zersetzte sich im laufenden Betrieb allmählich und wanderte durch die Trennmembran der Batterie.

Dieser sogenannte Crossover-Effekt verkürzte die Lebensdauer der Systeme drastisch. Doch nun hat das CAS-Team diese Hürde mit einem molekularen Trick überwunden. Sie entwickelten einen speziellen Eisen-Komplex mit der chemischen Formel [Fe(HPF)BHS]⁴⁻. Dieses Molekül vereint zwei Schutzmechanismen:

• Panzereffekt: Die sperrige, starre Struktur des Komplexes umhüllt den Eisenkern und hält aggressive Hydroxid-Ionen physisch auf Abstand.
• Donnan-Effekt: Durch die hohe negative Ladung des Komplexes entsteht eine elektrostatische Barriere, die den ungewollten Durchtritt des Materials durch die Membran um das Hundertfache verringert.

Hohe Effizienz und signifikant niedrigere Speicherkosten

Die im Labor ermittelten Leistungsdaten des Prototyps bestätigen dabei die Wirksamkeit dieses Ansatzes. Wie das Portal Interesting Engineering berichtet, erzielt die Batterie eine Coulomb-Effizienz von 99,4% – das bedeutet, dass beim Laden und Entladen so gut wie keine Ladungsträger verloren gehen und der Strom fast verlustfrei in den Tanks bleibt. Selbst unter hoher Belastung von 150 mA/cm² (einer hohen Stromdichte auf der aktiven Zellfläche) bleibt die Energieeffizienz mit 78,5% auf einem hohen Niveau; es geht also im Betrieb nur sehr wenig Energie als Wärme verloren. Die gemessene Spitzenleistungsdichte liegt bei 392,1 mW/cm², was zeigt, wie viel elektrische Leistung die Zelle pro Quadratzentimeter maximal abgeben kann.

Das wichtigste Ergebnis der Testreihen ist die Erkenntnis, dass über alle 6.000 vollständigen Lade- und Entladevorgänge hinweg weder schädliche Nebenprodukte noch Ablagerungen auftraten. Die Batterie zeigte somit keinen messbaren Kapazitätsverlust. Bei einem täglichen vollständigen Zyklus entspricht das einer Lebensdauer von mehr als 16 Jahren im wartungsfreien Betrieb.

Wirtschaftlichkeit und LCOS im Vergleich

Mit einer Energiedichte von 30 bis 40 Wattstunden pro Liter (Wh/l) speichert die Flow-Batterie zwar deutlich weniger Energie pro Volumen als ein klassischer Lithium-Ionen-Akku. Für stationäre Netzspeicher, die Strom über Zeiträume von 4 bis 12 Stunden einspeisen und ortsfest in Hallen oder Containern verbaut werden, ist der Platzbedarf jedoch zweitrangig. Hier zählen vor allem die Gesamtbetriebskosten, die sogenannten Levelized Cost of Storage (LCOS).

Dank der extremen Haltbarkeit und der günstigen Materialien fallen diese beim neuen System sehr niedrig aus. Berechnungen für ein 10-Stunden-Speichersystem gehen von rund 0,16 US-Dollar pro Kilowattstunde (kWh) aus. Damit liegt die Technologie bis zu 40% unter dem Kostenniveau vergleichbarer Lithium-Ionen-Speicher.

Internationaler Wettbewerb und die Hürden der Skalierung

Die Erforschung eisenbasierter Speichersysteme ist ein weltweites Phänomen. In den USA entwickelt das Unternehmen ESS Tech aus Oregon saure Eisen-Flow-Systeme und arbeitet hierbei im Rahmen des Project New Horizon mit Google zusammen. Erste Lieferungen sind bis Ende 2027 geplant. Diese amerikanischen Designs kämpfen allerdings mit der Bildung von Dendriten – nadelförmigen Kristallen, die die Membran durchstoßen und Kurzschlüsse auslösen können. Die alkalische Chemie der chinesischen Variante umgeht allerdings dieses Problem systembedingt, da hier keine solchen Ablagerungen entstehen.

Technische Herausforderungen bis zur Massenproduktion

Trotz des Laborerfolg müssen bis zu einer industriellen Massenproduktion noch praktische Hürden überwunden werden. Für den Einsatz im Megawattstunden-Maßstab müssen die Membranen noch weiter optimiert werden. Zudem erfordern die mechanischen Komponenten wie Pumpen sowie die gesamte Systemintegration zusätzliche Entwicklungsarbeit. Ein großer Vorteil von Flow-Batterien bleibt aber bestehen. Höhere Speicherkapazitäten lassen sich theoretisch einfach durch den Bau größerer Elektrolyt-Tanks realisieren. Die dafür notwendigen industriellen Lieferketten müssen jedoch erst neu aufgebaut werden. Für das Gelingen der Energiewende könnte diese langlebige Batterie auf Eisenbasis dennoch zu einem wichtigen Baustein werden, um wetterbedingte Schwankungen im Stromnetz dauerhaft und kostengünstig auszugleichen.

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