Wie Unbound Potential Fluss-
batterien neu denkt
Um im Kampf gegen den Klimawandel seinen Beitrag zu leisten, muss Deutschland bis 2045 klimaneutral werden und die Energieversorgung aus ausschließlich erneuerbaren Energien sicherstellen. Der Handlungsdruck hat sich zudem in Folge des Ukrainekriegs erhöht, denn Gas hat als Übergangstechnologie an Attraktivität verloren und – und Deutschlands Unabhängigkeit bei der Energieversorgung massiv an Bedeutung gewonnen. Angesichts dieser neuen existenziellen Bedrohungen, den immer häufiger werdenden Naturkatastrophen und Extremwetterereignissen muss der Anteil der erneuerbaren Energien in den kommenden zwei Jahrzehnten stark ansteigen. Gleichzeitig sollen die grundlastfähigen Atom- und Kohlekraftwerke bis 2038 vollständig vom Netz genommen und durch Wind- und Solarkraft ersetzt werden.
Dabei stellen lange Perioden ohne nennenswertes Solar- und Windenergiepotential eine besondere Herausforderung dar, sogenannte Dunkelflauten. Während andauernder Dunkelflauten liegt die Leistung von Wind- und Solarkraft nur bei einem Bruchteil der üblichen Durchschnittsleistung, sodass der Energiebedarf auch mithilfe von Lastmanagement und Kurzzeitspeichern nicht abgedeckt werden kann. In Deutschland treten mehrere solcher Flauten mit einer Länge von über 48 Stunden pro Jahr auf, im Einzelfall können sie sich aber auch über bis zu zehn Tage hinziehen. In diesen Zeiträumen spielen langfristige Energiespeicher, also Energiespeicher mit einer Speicherdauer von mindestens zehn Stunden, eine essenzielle Rolle um die Stabilität des Stromnetzes zu gewährleisten. Zudem strecken sich meist durch den Winter lange Perioden, in denen in Zukunft die Energieerzeugung hinter dem Energiebedarf zurückbleibt
Langfristige Energiespeicher sind ein zentraler Baustein für die Energieautonomie und die Erreichung der Klimaziele, parallel auch ein heranwachsender Multi-Milliarden-Markt, der allerdings mit den aktuell marktreifen Technologien nur unzureichend bedient werden kann.
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Die Herausforderung: Energie speichern und Strom für mehr als zehn Stunden effizient bereitstellen, ohne kritische Rohstoffe zu verwenden.
In der Challenge sollen sprunginnovative technologische Ansätze identifiziert werden, die eine langfristige, effiziente und kostengünstige Energiespeicherung ermöglichen. Wesentlich dabei sind die Rohstoff- und Systemkosten, die Selbstentladung, der Wirkungsgrad der Speicherung, die Lebensdauer, die Energiedichte und die technische und ökonomische Skalierbarkeit der Projektidee.
Teams, die an dieser Challenge teilnehmen, sind voll und ganz gefordert. Die SPRIND unterstützt deshalb intensiv und individuell. Dazu gehört die Finanzierung der Teams mit bis zu 1 Mio. € in Stufe 1 und bis zu 3 Mio. € in der finalen Stufe 2 der Challenge. Um den Teams zu helfen, ihr volles Potential zu entfalten, stellt die SPRIND den Teams neben finanzieller Unterstützung eine:n Coach:in zur Seite, der:die die Arbeit eines jeden Teams begleitet, sie berät und vernetzt.
Damit sich die Teams voll und ganz auf ihre Innovationen konzentrieren können, finanzieren wir schnell und unbürokratisch. Am Ende der ersten Stufe der Challenge, nach einem Jahr, entscheidet die Jury auf der Grundlage von Zwischenevaluationen darüber, welche Teams weiter an der Challenge teilnehmen werden. Als Finalist:innen bekommen diese Teams die Gelegenheit, ihr Projekt weitere anderthalb Jahre voranzutreiben und ihren Durchbruch umfassend zu demonstrieren.
Noch einen Schritt weiter gedacht: Ideen mit dem Potential für eine Sprunginnovation müssen in den Markt gebracht werden, um uns allen zugutezukommen – aussichtsreiche Projekte können deshalb auch nach Ende der Challenge weiter durch die SPRIND unterstützt werden.
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Im November 2023 hat die Expertenjury im Auftrag der SPRIND die Teilnehmer für die zweite und letzte Stufe der Challenge "Long-Duration Energy Storage" ausgewählt. Für die nächsten 18 Monate erhalten die vier Teams jeweils bis zu 3 Millionen Euro für die Weiterentwicklung ihrer Technologie zur langfristigen Stromspeicherung.
Reverion
“Die neue Energiewelt ist binär”, sagt Felix Fischer: “Es gibt entweder einen Stromüberschuss oder einen Strommangel.” Scheint die Sonne, sinken die Strompreise, scheint sie nicht, steigen die Preise an und die schnelle Bereitstellung von gespeicherter Energie wird immer wichtiger.
HalioGen Power
Dünne Trennwände schützen Redox-Flow-Batterien vor Kurzschlüssen und ermöglichen gleichzeitig den Ionenaustausch zwischen den Elektrolyten: Membranen sind in Batterien seit Jahrzehnten im Einsatz. Doch das könnte sich ändern.
Ore Energy
Eisen, Luft und Wasser: Mit diesen drei Elementen will Ore Energy die Batteriebranche revolutionieren. 100 Stunden lang soll die Eisen-Luft-Batterie des Teams Strom liefern und immer dann einspringen, wenn keine erneuerbaren Energien zur Verfügung stehen.
Unbound Potential
Radikal einfaches Design – das ist das Geheimnis hinter der neuen Flussbatterie von Unbound Potential. Das Unternehmen arbeitet an einer membranlosen Batterie, die Lithium-Ionen-Akkus Konkurrenz machen soll.
Science-Youtuber Jacob Beautemps stellt bei Breaking Lab die Challenge Teams im Detail vor
Die Jury
Gitanjali DasGupta
Sebastian Scholz
Anna Grevé
Pasquale Salza
Pilar Gonzalez
Nick de la Forge
Haben Sie Fragen zur Challenge? Schreiben Sie uns unter challenge@sprind.org.
Radikal einfaches Design – das ist das Geheimnis hinter der neuen Flussbatterie von Unbound Potential. Das Unternehmen arbeitet an einer membranlosen Batterie, die Lithium-Ionen-Akkus Konkurrenz machen soll.
Membranlose Batterien sparen Kosten und sind effizienter, bringen aber einige Herausforderungen mit sich. “Das trivialste Problem, dass sich die Flüssigkeiten ohne trennende Membran mischen, lässt sich lösen, indem man zwei nicht mischbare Flüssigkeiten verwendet – vergleichbar mit Öl und Wasser”, erklärt David Taylor, CEO bei Unbound Potential.
Membranlose Batterien sparen Kosten und sind effizienter, bringen aber einige Herausforderungen mit sich. “Das trivialste Problem, dass sich die Flüssigkeiten ohne trennende Membran mischen, lässt sich lösen, indem man zwei nicht mischbare Flüssigkeiten verwendet – vergleichbar mit Öl und Wasser”, erklärt David Taylor, CEO bei Unbound Potential.
“Wenn man eine Batterie hat, also ein geschlossenes System, und auf der einen Seite Flüssigkeit hinein pumpt, erhöht man den Druck im System. Dieser Druckanstieg führt automatisch dazu, dass auf der anderen Seite Flüssigkeit austritt. Man hat aber keine Kontrolle darüber, wie viel Anolyt und wie viel Katholyt genau herausgedrückt wird“, erläutert Taylor das Problem. „Wenn die Flusswiderstände am Ausfluss nicht perfekt auf die Viskosität der jeweiligen Flüssigkeit abgestimmt sind, die sich wiederum temperaturbedingt schnell ändern kann, kann es zum Beispiel passieren, dass etwas mehr Katholyt aus- als einströmt – und sich die Grenzfläche entsprechend verschiebt, wodurch die Batterie nicht mehr optimal arbeitet.”
“Die eigentliche Challenge bei der Skalierung von membranlosen Systemen besteht darin, dass man aktive Kontrollschleifen benötigt, um die Ein- und Ausflussrate jeder Flüssigkeit in jeder Zelle zu steuern.”
Flussbatterien funktionieren indem durchgängig zwei verschiedene Elektrolyt-Flüssigkeiten in die Batterie fließen, wo sie je nach Ladevorgang entweder geladen oder entladen werden, und dann wieder aus der Batterie herausfließen. “Man hat eine Einflussrate und eine Ausflussrate für zwei Flüssigkeiten. Das heißt, man hat vier Regelgrößen pro Zelle”, erklärt Taylor. Eine Membran sorgt unter anderem dafür, dass das Verhältnis zwischen den beiden Elektrolyt-Flüssigkeiten gleich bleibt. Fehlt die Membran jedoch, muss jeweils exakt gleich viel Elektrolyt-Flüssigkeit in die Batterie einfließen und wieder ausfließen, damit sich die unsichtbare Trennschicht zwischen den Flüssigkeiten in der Batterie nicht verschiebt.
Flussbatterien funktionieren indem durchgängig zwei verschiedene Elektrolyt-Flüssigkeiten in die Batterie fließen, wo sie je nach Ladevorgang entweder geladen oder entladen werden, und dann wieder aus der Batterie herausfließen. “Man hat eine Einflussrate und eine Ausflussrate für zwei Flüssigkeiten. Das heißt, man hat vier Regelgrößen pro Zelle”, erklärt Taylor. Eine Membran sorgt unter anderem dafür, dass das Verhältnis zwischen den beiden Elektrolyt-Flüssigkeiten gleich bleibt. Fehlt die Membran jedoch, muss jeweils exakt gleich viel Elektrolyt-Flüssigkeit in die Batterie einfließen und wieder ausfließen, damit sich die unsichtbare Trennschicht zwischen den Flüssigkeiten in der Batterie nicht verschiebt.
Eine effektive und aktive Kontrolle der Zu- und Abflussraten der Elektrolyt-Flüssigkeiten sei, so Taylor, im großen Maßstab nicht realisierbar. Deshalb wagt Unbound Potential etwas Revolutionäres: “Wir messen, steuern und regeln gar nichts. Wir haben ein komplett anderes Designkonzept, das fluidische Randbedingungen ausnutzt und so dafür sorgt, dass automatisch immer gleich viel Flüssigkeit aus- und einströmt”, sagt Taylor stolz.
Dieses passive Konzept wird zum Game Changer für membranlose Flussbatterien: “Die Idee hinter Unbound Potential ist, das einfachste stationäre Speichersystem zu bauen, das man bauen kann, weil wir überzeugt davon sind, dass Einfachheit und Robustheit Kernkriterien sind für die Skalierbarkeit der Technologie”, verkündet Taylor.
Dieses passive Konzept wird zum Game Changer für membranlose Flussbatterien: “Die Idee hinter Unbound Potential ist, das einfachste stationäre Speichersystem zu bauen, das man bauen kann, weil wir überzeugt davon sind, dass Einfachheit und Robustheit Kernkriterien sind für die Skalierbarkeit der Technologie”, verkündet Taylor.
Aber Unbound Potential überzeugt nicht nur durch niedrigere Kosten, sondern auch durch bessere Leistung. “Wenn die Batterie sehr oft pro Tag geladen und entladen wird, haben wir einen Performance-Vorteil gegenüber Lithium-Ionen-Akkus”, sagt Taylor. Das liegt an der guten Zyklenfestigkeit der Flussbatterie, die eine Lebensdauer von 20 Jahren hat. Unbound Potential will vor allem Strom aus Wind- und Solaranlagen für vier bis zehn Stunden speichern, theoretisch lässt sich das System aber erweitern, so dass auch 20 Stunden möglich sind.
Das Batteriesystem wird in großen Containern untergebracht. “Eine Batterieanlage wird aus etwa 40 Containern bestehen, das entspricht einer Leistung von zehn Megawattstunden”, sagt Taylor und räumt ein: “Energiedichte ist nicht unsere Stärke, aber wir können unsere Container platzsparend stapeln. Bei Lithium-Containern geht das nicht, die müssen wegen der Brandgefahr mehrere Meter auseinander stehen.” In den Containern von Unbound Potential kann hingegen nichts brennen, so dass alle Container dicht an dicht stehen können. Der Platzbedarf für die gesamte Anlage ist daher nicht größer als bei einer Lithium-Batterienanlage.
Das Batteriesystem wird in großen Containern untergebracht. “Eine Batterieanlage wird aus etwa 40 Containern bestehen, das entspricht einer Leistung von zehn Megawattstunden”, sagt Taylor und räumt ein: “Energiedichte ist nicht unsere Stärke, aber wir können unsere Container platzsparend stapeln. Bei Lithium-Containern geht das nicht, die müssen wegen der Brandgefahr mehrere Meter auseinander stehen.” In den Containern von Unbound Potential kann hingegen nichts brennen, so dass alle Container dicht an dicht stehen können. Der Platzbedarf für die gesamte Anlage ist daher nicht größer als bei einer Lithium-Batterienanlage.
Taylor hat Spaß daran, kreative technische Lösungen zu entwickeln, gleichzeitig macht es dem Wissenschaftler, der zuvor an der ETH Zürich forschte, Freude, ein Team um sich zu versammeln. “Als ich über meine Zukunft als Forscher nachdachte, fragte ich mich, ob es angesichts der ganzen Probleme, die wir haben – und in Anbetracht der Energiewende im Besonderen – überhaupt Sinn ergibt, die nächsten 20 Jahre an irgendeinem Forschungsprojekt rumzubasteln. Ich hatte das Gefühl, dass die Konzepte, die wir entwickeln, eigentlich direkt um- und einsetzbar sind, zugleich hatte ich das starke Verlangen, etwas Handfestes zu bauen” erinnert sich Taylor und sagt: “Ein Unternehmen zu gründen war die ideale Möglichkeit, das, was ich gut kann und was mir Spaß macht, mit maximaler Wirkung umzusetzen, mit einem klaren Ziel und einer klaren Wirkung, die man jeden Tag spürt.”
Da die Flussbatterie von Unbound Potential grundlegend anders aufgebaut ist als bisherige Flussbatterien, kommt das Unternehmen auch mit 90 Prozent weniger Dichtflächen aus. “Es gibt keine Kanäle, keine Membranen, nichts muss gespannt oder abgedichtet werden”, erklärt der 37-Jährige. “Das senkt die CapEx, also die Vorabinvestitionen, massiv.”
Unbound Potentials Hauptkonkurrent sind Lithium-Ionen-Batterien, die günstig in China produziert werden. Neben den Kosten für die Lithium-Ionen-Zellen fallen jedoch auch Kosten für das Batterie-Management-System an, das die gleichmäßige Belastung der Zellen steuert. Ebenfalls einkalkuliert werden muss ein Temperatur-Management-System, das die Zellen kühlt und die Abwärme abführt sowie Kupferkabel, die die einzelnen Zellen miteinander verbinden. “Diese ganze Peripherie muss bei Lithium-Ionen-Batterien immer mitskaliert werden”, erklärt Taylor. “Unser Ziel ist es, nicht günstiger als die Zelle selbst zu sein, aber günstiger als das Gesamtpaket. Unser System ist so einfach, dass wir diesen bei Lithium-Ionen-Batterien unvermeidlichen Kostenpunkt unterbieten und damit Marktführer für stationäre Speicherlösungen werden können.”
Unbound Potentials Hauptkonkurrent sind Lithium-Ionen-Batterien, die günstig in China produziert werden. Neben den Kosten für die Lithium-Ionen-Zellen fallen jedoch auch Kosten für das Batterie-Management-System an, das die gleichmäßige Belastung der Zellen steuert. Ebenfalls einkalkuliert werden muss ein Temperatur-Management-System, das die Zellen kühlt und die Abwärme abführt sowie Kupferkabel, die die einzelnen Zellen miteinander verbinden. “Diese ganze Peripherie muss bei Lithium-Ionen-Batterien immer mitskaliert werden”, erklärt Taylor. “Unser Ziel ist es, nicht günstiger als die Zelle selbst zu sein, aber günstiger als das Gesamtpaket. Unser System ist so einfach, dass wir diesen bei Lithium-Ionen-Batterien unvermeidlichen Kostenpunkt unterbieten und damit Marktführer für stationäre Speicherlösungen werden können.”
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