Erneuerbare Energien sind ja schön und gut – sie laufen aber ins Leere, wenn der Strom aus Wind, Wasser und Sonne nicht gespeichert wird. Die HAW Hamburg forscht deshalb an einer Batterie der Zukunft, wir haben das Labor besucht.
Text von Anna Girke und Laura Krone
Man stelle sich vor: Es ist Sommer in Hamburg. Die Sonne scheint direkt auf die Solarzellen der Häuserdächer. Volle Power! Solarstrom versorgt Mehrfamilienhäuser in Rahlstedt, öffentliche Gebäude in der Neustadt, Fabriken im Hafen. Und doch ist das Glück nicht perfekt: Wird die gewonnene Energie nicht direkt verbraucht, läuft sie ins Leere. Sie müsste zwischengespeichert werden, möglichst langfristig und verlustfrei – doch das findet nicht statt.
An diesem Punkt setzt die Fakultät Technik und Informatik der HAW an: Im zweiten Stock des steinernen Unigebäudes am Berliner Tor liegt das Batterieforschungslabor vom Departement Maschinenbau und Produktion. In dem Raum mit den roten Fliesentischen und vielen Reagenzgläsern wird an sogenannten Redox-Flow-Batterien geforscht, die genau das können: erneuerbare Energie langfristig speichern.
Redox-Flow-Batterien werden auch Flüssigbatterien oder Flussbatterien genannt und funktionieren anders als herkömmliche, wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien. Denn wie der Name schon sagt, speichern sie die Energie in einer Flüssigkeit und die Teilchen in der Flüssigkeit können beliebig oft positiv- und negativ geladen werden – fast ohne Energieverlust.
Die Bezeichnung “Redox” steht für Reduktion-Oxidation.
Reduktion bedeutet Elektronenaufnahme und Oxidation bedeutet Elektronenabgabe.
Endlose Kapazität bei unbegrenztem Platz
Thorsten Struckmann ist Professor am Department Maschinenbau und Produktion, einer seiner Schwerpunktthemen sind Redox-Flow-Batterien. Im Batterieforschungslabor der HAW Hamburg am Berliner Tor werden solche Batterien entwickelt. Hier stehen mit vielen Kabeln verbundene Maschinen, die Temperatur, Strom und Spannung der Versuchsobjekte messen. In der Batterieforschung werden diese Werte immer wieder überprüft.
Struckmann trägt eine Schutzbrille aus durchsichtigem Plastik zu seinen schulterlangen grauen Haaren. Die Brille ist wichtig, damit seine Augen geschützt sind, falls Flüssigkeit aus den Redox-Flow-Tanks austritt. Auf den sonst üblichen weißen Kittel hat er heute verzichtet.
Der Professor ist Fachman für Redox-Flow-Batterien. Während der Führung durch sein Labor erklärt er die Unterschiede zur Lithium-Ionen-Batterie: „Bei normalen Batterien hat man einen Pluspol und einen Minuspol, da wird die Energie vor Ort gespeichert. Und jedes Mal, wenn man die Batterie lädt, wird die ganze Batteriezelle beansprucht.“
„Man kann beliebig viele Elektrolyten durch die Membran pumpen und dementsprechend große Energiemengen speichern.“
Dass das bei Redox-Flow-Batterien anders ist, begrüßen auch andere Forschende – so etwa Professorin Christina Roth, die im Batterie-Podcast „Geladen“ der Helmholtz-Institut Ulm die Vorteile der Technologie erläutert. „Hier könnten Energie und Leistung voneinander entkoppelt werden, sagt sie. Redox-Flow-Batterien unterscheiden sich deswegen schon optisch von den herkömmlichen zylinderförmigen Lithium-Ionen-Batterien: Sie haben zwei Flüssigkeitstanks angekoppelt.
Kaum Abnutzung der Batterien
Im Batterieforschungslabor der HAW Hamburg arbeitet Fabian Brandes an der Aneinanderreihung von Redox-Flow-Batterien. Er ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Promotionsstudent am Department Maschinenbau und Produktion und forscht dort an Redox-Flow-Batterien. „Redox-Flow-Batterien sind elektrochemische Energiespeicher, die besonders gut geeignet sind, erneuerbare Energien auf Stunden- oder Tagebasis zu speichern und dann wieder abzugeben“, sagt er.
Wie funktioniert das genau? Bei den Batterien werden die Elektrolyten, gelöst in einer Flüssigkeit durch eine Membran gepumpt. Dadurch werden sie geladen oder entladen und das kann beliebig oft wiederholt werden. Elektroden in der Membran stellen elektrische Energie bereit, indem sie die Elektrolyte in einer chemischen Reaktion umpolen. „Man kann beliebig viele Elektrolyten durch die Membran pumpen und dementsprechend große Energiemengen speichern“, sagt Professor Struckmann. Die Kapazität sei bei dieser Art von Batterie unbegrenzt, sofern der Platz für die Tanks vorhanden sei.
Ein Vorteil der Batterien ist, dass sie fast unbegrenzt wieder benutzt werden können. In einer Studie ermittelten Forschende der University of New South Wales, dass eine Redox-Flow-Batterie innerhalb von drei Jahren über 200.000 Lade- und Entladezyklen durchlaufen kann. Typische Alterserscheinungen wie bei Lithium-Ionen-Batterien gäbe es nicht. Einzig die Materialien würden mit der Zeit ermüden, gibt Professorin Roth zu bedenken.
Das Problem der Energiespeicherung
2030 sollen 80 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Energien kommen. Das sieht das Erneuerbare-Energien-Gesetz 2023 vor. „An sehr guten Tagen in Deutschland können wir schon den kompletten Bedarf an Energie rein aus regenerativen Energien decken, aber wir haben dann auch eine Überproduktion“, sagt Fabian Brandes.
Weil das Stromnetz voll ist, müssen Windräder in Norddeutschland oft abgestellt werden. Windanlagenbetreiber werden dafür mit Milliarden entschädigt, was alles andere als wirtschaftlich ist. Deshalb müssen Netze ausgebaut werden, um den Strom vom Norden in den Süden zu transportieren. So erklären es die Journalistinnen Susanne Tappe und Verena von Ondarza im NDR Podcast „Mission Klima – Lösungen für die Krise“.
Von 14.000 Kilometern geplanten Leitungen sind aber gerade einmal 2.000 Kilometer fertig gestellt, so meldet es die Bundesregierung. Die überschüssige Energie, die gerade nicht transportiert werden kann oder nicht gebraucht wird, muss irgendwo bleiben. „Die naheliegendste Möglichkeit ist, sie erst mal zwischenzuspeichern und genau an diesem Punkt setzen wir mit den Batterien an“, sagt Brandes.
Redox-Flow-Batterien für Flughäfen und Windräder
Redox-Flow-Batterien werden als Speicher eingesetzt, wenn es darum geht, regenerative Energien zu speichern. Groß gedacht, können die Batterien beispielsweise neben einem Windrad oder einer Solaranlage platziert werden, wo sie ein Übermaß an produziertem Strom zwischenspeichern und bei Bedarf ins Netz einspeisen kann, so Brandes. Weiter erklärt er, dass man mit einer Redox-Flow-Batterie im Keller den Eigenbedarf eines Mehrfamilienhauses mit Photovoltaik-Anlage auf dem Dach decken kann. Laut Roth ist allerdings die Energiedichte in den Flüssigkeitstanks gering; das ist ein Nachteil dieser Batterien. Deswegen sind diese Systeme für eine stationäre Nutzung vorgesehen, wo die Tanks aufgrund ihrer Größe einen festen Platz finden.
Vorstellen kann man sich solch einen Speicher folgendermaßen: Die über den Tag gewonnene Energie von der Photovoltaik-Anlage auf dem Dach wird gespeichert. In der Nacht oder sollte der nächste Tag bewölkt sein, kann die Energie genutzt werden. Roth nennt auch Flughäfen als möglichen Einsatzort: Gepäcktransporter und andere Fahrzeuge könnten so mit gespeichertem Solar-Strom versorgt werden. Als Handyakku werden Redox-Flow-Batterien aber nicht eingesetzt – sie sind zu groß, um in ein Handy zu passen. „Dann wäre das Handy so groß wie ein Schuhkarton“, sagt Struckmann.
Konkurriert Wasserstoff mit der Flüssigbatterie?
Momentan werden Redox-Flow-Batterien in Deutschland kaum genutzt. Warum? Überschüssige Wind- und Solarenergie wird nicht gespeichert. „Dafür ist der Kohle-Strom einfach noch zu billig“, sagt Struckmann. Während Fabian Brandes und seine Forschungs-Kolleg*innen an Publikationen und Dissertationen im Forschungslabor arbeiten, liegt es an der Bundesregierung, ob ihre Batterien auch Einsatz in der Realität finden. Es gibt viele Möglichkeiten der Energiegewinnung und -Speicherung. Redox-Flow-Batterien nur eine Möglichkeit.
Sollte die Politik etwa verstärkt in Wasserstoff investieren, wäre das für die Batterie-Industrie ein Problem: „Wenn alle Wasserstoff wollen, haben wir keine Chance“, sagt Struckmann. Auch Wasserstoff kann Ökostrom speichern. Der Energieträger sei flexibel einsetzbar und könne leicht transportiert werden, so steht es auf der Seite der Bundesregierung. Die hat im Juni 2020 die „Nationale Wasserstoffstrategie“ beschlossen und fördert Initiativen, die an Wasserstoff aus erneurbaren Energien forschen. Doch diese Technologie kommt mit ihren eigenen Speicherproblemen – und die Wasserstoffforschung ist noch nicht abgeschlossen.
Gleichzeitig bemühen sich die Batterieforscher*innen Redox-Flow-Batterien umweltfreundlicher zu optimieren – etwa durch Recycling und Weiterverwertung der Elektrolytflüssigkeit. Deswegen forschen Struckmann, Brandes und ihre Kolleg*innen weiterhin zwischen den Maschinen mit bunten Kabeln und den Aufzeichnungen ihrer Modelle an Lösungen – in der Hoffnung, dass diese von der Bundesregierung gefördert werden.
Jahrgang 1997, hat schon einmal für den HR die Europameister im Fliesenlegen begleitet. Sie selbst legt lieber Musik auf. Als die Clubs in der Corona-Zeit geschlossen waren, brachte sie sich selbst bei, House-Musik zu mixen. Musik ist für Anna ein großes Thema. Ihr Abitur machte sie auf dem bekannten Musikgymnasium Montabaur. Neben dem Studium der Germanistik und Kommunikationswissenschaften in Münster arbeitete sie für die “Westfälischen Nachrichten” als Kultur- und Onlinejournalistin. Bei dem Campussender ihrer Uni leitete sie die Onlineredaktion und schrieb für das Straßenmagazin "draußen e.V." über öffentlichen Raum. Annas großer Traum: ein eigener Radiosender auf Spiekeroog.
