BioFlow-Cell: Entwicklung eines bio-basierten Elektrolyten auf Basis von Anthocyanen für die positive halbzelle einer Redox-Flow-Batterie

Redox-Flow-Batterien (RFB) besitzen eine positive und eine negative Halbzelle, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. Die Besonderheit der Zelle ist die Verwendung von Flüssigkeitstanks, welche die beiden unterschiedlichen Elektrolyten speichern. Diese sind durch Leitungen und Pumpen mit der galvanischen Zelle verbunden, in welcher die Elektronenübertragung erfolgt. Der Vorteil dieser Bauart liegt darin, dass die Leistung durch die Größe der Elektroden skalierbar ist und die Energiemenge durch die Menge der gespeicherten Flüssigkeit in den Tanks unabhängig davon eingestellt werden kann. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sie sich besonders für die stationäre Energiespeicherung, etwa zur Speicherung von dezentral erzeugtem Solarstrom.

 Schematische Darstellung einer bio-basierten Redox-Flow-Batterie aus nachwachsenden Rohstoffen.

Im vorliegenden Entwicklungsprojekt liegt die Zielstellung in der Entwicklung einer Redox-Flow-Zelle, die einen bio-basierten Elektrolyten anstelle von Vanadium (V) verwendet. Vanadium hat den Nachteil, dass es ein teures Metall ist, welches aufgrund politisch instabiler Abbauländer nur unsicher zur Verfügung steht und darüber hinaus toxisch ist. Das Vanadium der positiven Halbzelle ist korrosiv, giftig und weist eine hohe Überspannung auf. Daher stellt es die Werkstoffe vor eine Herausforderung, was auch ein Grund für den geringen Marktanteil der Redox-Flow-Zelle ist.

Projektziel ist die Entwicklung eines bio-basierten Elektrolyten für die positive Halbzelle. Weitere Merkmale sind die Kostenreduzierung ggü. Vanadium, sowie ein ungiftiger und nicht korrosiver Elektrolyt, bei gleichbleibendem, elektrischem Potential. Erste Vorversuche in einem Sondierungsprojekt (BMBF-Projekt, Fkz. 031B0116) zeigten vielversprechende Ergebnisse mit der Stoffgruppe der Flavonoide, spezieller mit Anthocyanen. Diese kommen in großen Mengen in vielen Früchten vor und dienen als Farb- und Aromastoffe. Sie weisen antioxidative Eigenschaften auf.

Die BioFlow-Cell soll in einer Kooperation zwischen dem DECHEMA-Forschungsinstitut (DFI) und PEUS-Testing GmbH (PT) entwickelt werden. Das DFI fokussiert sich auf die Gewinnung und Verarbeitung des bio-basierten Elektrolyten, sowie dessen Modifikation auf die gewünschten Eigenschaften (z.B. Langzeitstabilität). Der biologische Ersatzstoff (die Flavonoide) soll aus Nebenproduktströmen, wie beispielswiese Obsttrester, extrahiert werden, um nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelindustrie zu stehen.

Der Batteriehersteller PT entwickelt hierzu eine auf den Bioelektrolyten optimierte Zellentechnik, d.h. Membranentwicklung und Oberflächen/Legierungsentwicklung der Halbzellbauteile, da diese nicht durch den Elektrolyten oxidiert werden dürfen. Die Steuer- und Regelungstechnik und die Materialführung bedürfen ebenfalls Neuentwicklungen im Vergleich zu regulären Redox-Flow-Zellen. Ein Grund hierfür sind die unterschiedlichen Spannungen und die Energiedichte des Elektrolyten.

Die negative Halbzelle kann längerfristig gesehen ebenfalls durch eine biologische Alternative ersetzt werden. Dabei weist die Stoffgruppe der Anthrachinone große Potentiale auf. Diese Verbindungsklasse kann jedoch auch relativ kostengünstig synthetisch hergestellt werden, so dass die bio-basierte Variante hier nicht so einfach einen Kostenvorteil erzielen kann. Daher liegt der Fokus dieses Projektes auf der positiven Halbzelle.