Der Beitrag Eisen-Flow-Batterie: Günstiger Langzeitspeicher für Ökostrom erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.
Lithium ist teuer, knapp und geopolitisch umkämpft. Doch für die Energiewende braucht es günstige Langzeitspeicher in Massen. Chinesische Forscher haben jetzt eine Eisen-Flow-Batterie vorgestellt, die 6.000 Ladezyklen ohne Kapazitätsverlust übersteht und dabei bis zu 40 Prozent günstiger als Lithium-Ionen-Speicher sein soll. Wir erklären, wie die Technologie funktioniert und wo sie an ihre Grenzen stösst.
Ein Forscherteam des Institute of Metal Research der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) in Shenyang hat eine neuartige Eisen-Flow-Batterie entwickelt. Das System soll mehr als 6.000 vollständige Lade- und Entladevorgänge überstehen können, ohne messbar an Kapazität zu verlieren.
Das entspricht den Wissenschaftlern zufolge über 16 Jahre im täglichen Einsatz. Wenn Wind und Sonne ausbleiben, kann das Stromnetz genau solche Langzeitspeicher gebrauchen.
Als Aktivmaterial dient in Wasser gelöstes Eisen, ein reichlich vorhandener und nicht brennbarer Rohstoff. Die Ergebnisse wurden vom Team um Erstautor Wei Wei sowie den Co-Leitern Tang Ao und Li Ying im Fachjournal Advanced Energy Materials veröffentlicht.
Molekularer Panzer löst Problem von Eisen-Flow-Batterien
Bislang scheiterten solche Batterien oft am sogenannten Cross-over-Effekt. Denn: Das aktive Material zersetzte sich allmählich, wanderte durch die Trennmembran und verkürzte so die Lebensdauer der Zellen drastisch. Das chinesische Forscherteam löste dieses Problem laut Studie mit einem neu entwickelten Eisen-Komplex. Dessen starre Struktur halte aggressive Hydroxid-Ionen wie ein Panzer physisch auf Abstand.
Zusätzlich sorge die hohe negative Ladung des Komplexes über den sogenannten Donnan-Effekt für eine starke elektrostatische Barriere. Diese verringere den störenden Membrandurchtritt um das Hundertfache. Über alle 6.000 Zyklen hinweg sind der Untersuchung zufolge weder schädliche Nebenprodukte noch Ablagerungen in der Batterie aufgetreten.
0,16 US-Dollar pro Kilowattstunde: So günstig ist die Eisen-Batterie
Laut dem Portal Interesting Engineering erreichte ein Prototyp der Batterie eine sehr hohe Coulomb-Effizienz von 99,4 Prozent. Auch unter einer starken Belastung von 150 Milliampere pro Quadratzentimeter sei die Energieeffizienz mit 78,5 Prozent hoch geblieben. Die Spitzenleistungsdichte lag in den Versuchen bei 392,1 Milliwatt pro Quadratzentimeter.
Die Batterie speichert mit 30 bis 40 Wattstunden pro Liter zwar deutlich weniger Energie als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Für stationäre Netzspeicher sei das reine Volumen laut den Experten jedoch zweitrangig. Viel wichtiger seien die sogenannten Levelized Cost of Storage, also die Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde über die gesamte Lebensdauer. Berechnungen zufolge beliefen sich die Kosten für Zehn-Stunden-Systeme auf rund 0,16 US-Dollar pro Kilowattstunde, was bis zu 40 Prozent unter dem Niveau von Lithium-Ionen-Speichern liege.
Wettlauf mit den USA: Wer baut die erste Eisen-Batterie im Grossformat?
Auch international nimmt das Rennen um eisenbasierte Flow-Batterien derzeit stark an Fahrt auf. In den USA entwickelt das Unternehmen ESS Tech aus Oregon saure Eisen-Flow-Systeme und kooperiert dafür mit Google. Eine Lieferung sei im Rahmen eines gemeinsamen Projekts bis Ende 2027 geplant. Allerdings hätten diese US-Designs mit nadelförmigen Kristallen, sogenannten Dendriten, zu kämpfen, die gefährliche Kurzschlüsse auslösen könnten.
Die alkalische Chemie der neuen chinesischen Variante umgeht das Problem dieser Kristallbildung. Dennoch stünden die Forscher vor einer breiten Markteinführung noch vor einigen technischen Herausforderungen. Bis zur Massenproduktion müssten die Membranen für große Anlagen im Megawattstunden-Maßstab weiter optimiert werden. Auch die verwendeten Pumpen und die Systemintegration erforderten laut dem Bericht noch intensive Entwicklungsarbeit.
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