Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge Solarladestation mit Redox-Flow-Batterie

Solarladestation an der BMW Welt in München.
Solarladestation an der BMW Welt in München.

Zusammen mit dem Institut für ZukunftsEnergiesysteme, der TU Kaiserslautern und der Schmid Group hat die Universität des Saarlandes eine Tankstelle für Elektrofahrzeuge entwickelt. Diese arbeitet mittels einer Photovoltaikanlage in Kombination mit einem elektrochemischen Speicher zu hundert Prozent regenerativ und autark.

Die Testanlage ist etwa so groß wie ein Autoparkplatz und wird im Saarbrücker Stadtteil Burbach entstehen. Herzstück der Anlage ist der elektrochemische Speicher: eine Vanadium-Redox-Batterie. Bis zu 50 elektrochemische Zellen sollen dabei in einem so genannten Zellenstack hintereinandergeschaltet werden. Jede Einzelzelle besteht aus zwei getrennten Elektrodenräumen, die durch eine ionenleitende Membran getrennt werden. Die Elektrodenräume enthalten ein spezielles Kohlefaservlies. Der Zellenstack ist mit zwei Tanks verbunden, die wässrige Lösungen mit Vanadium-Ionen verschiedener Wertigkeitsstufen enthalten.

Beim Anlegen von Solarstrom an die Batterie wechseln die Vanadium-Ionen ihre Oxidationsstufe. Dabei werden beim Ladevorgang Vanadiumionen an der Anodenseite oxidiert (V4+-Ionen wechseln ihre Oxidationsstufe zu V5+) und an der Kathodenseite reduziert (V3+-Ionen wechseln ihre Oxidationsstufe nach V2+). Bei der Energieentnahme – also beim Laden der Fahrzeuge – läuft der Vorgang in der umgekehrten Richtung ab. Auf diese Weise kann elektrische Energie in den Vanadiumlösungen gespeichert und in den beiden Tanks gelagert werden.

Bereits heute werden Redox-Flow-Batterien für verschiedene Zwecke eingesetzt, auch für die Speicherung von Wind- und Wasserkraft. Allerdings: »Die Anwendung als Ladestation für Elektrofahrzeuge ist neu«, erklärt Harald Natter, Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Physikalische Chemie. »Die Technik dahinter ist hochkomplex.« Daher haben die Kooperationspartner die Aufgaben verteilt. So entwickelt die TU Kaiserslautern ein Lademanagement-System. Dabei sollen auch eingehende Wetterdaten berücksichtigt werden, so dass sichergestellt wird, dass bei erwartetem Sonnenschein genügend freier Speicher zur Verfügung steht. Bei der Integration der Steuer-Software in die Testanlage werden die Kaiserslauterner Wissenschaftler von der Forschungsgruppe »Technische Innovationen« der Firma IZES unterstützt, die das Vorhaben auch koordiniert. Das Prototypensystem der Anlage hat die Firma Schmid entwickelt, allerdings ohne Solarzellen und mit Standardkomponenten.  

Diese Komponenten zu optimieren, hat sich die Arbeitsgruppe der Saar-Uni zum Ziel gesetzt. Dabei soll vor allem die Beschaffenheit des Kohlevlieses, an dem der Elektronenaustausch stattfindet, verbessert werden. Darüber hinaus wird dort an der Entwicklung einer neuartigen Ladezustandsanzeige gearbeitet. Diese soll mittels einer spektroskopischen Analytik funktionieren, die die Menge einer bestimmten Ionenspezies ermittelt. Sind viele V5+-Ionen vorhanden, ist die Batterie geladen, gibt es viele V4+-Ionen, ist sie entladen. Um die Ionen-Mengen zu ermitteln, sollen kleine Proben der wässrigen Lösung in eine Küvette abgepumpt werden, die von einer Laserlichtquelle und von UV-Strahlung durchstrahlt wird. Ein Detektor registriert charakteristische Peaks, deren Höhe und Form mit der Menge bestimmter Ionen-Spezies korreliert und mit einem mathematischen Auswertealgorithmus in eine Konzentration übersetzt werden kann. So lässt sich der Ladezustand permanent online erfassen.

Mit dem Aufbau der Pilotanlage auf dem Burbacher Gelände der IZES soll in Kürze begonnen werden. Die Steuerung der gesamten Anlage wird ein Zentralrechner übernehmen, der die Daten über eine Mobilfunkleitung von der Ladestation empfängt.

Sind viele V5+-Ionen vorhanden, ist die Batterie geladen, gibt es viele V4+-Ionen, ist sie entladen“, erläutert der Saarbrücker Forscher das Prinzip. Um die Ionen-Mengen zu ermitteln, sollen kleine Proben der wässrigen Lösung in eine Küvette abgepumpt werden, die von einer Laserlichtquelle und von UV-Strahlung durchstrahlt wird. Ein Detektor registriert charakteristische Peaks, deren Höhe und Form mit der Menge bestimmter Ionen-Spezies korreliert und mit einem mathematischen Auswertealgorithmus in eine Konzentration übersetzt werden kann. Auf diese Weise lässt sich der Ladezustand permanent online erfassen.

Mit dem Aufbau der Pilotanlage auf dem Burbacher Gelände der IZES gGmbH soll in Kürze begonnen werden. Die Steuerung der gesamten Anlage wird ein Zentralrechner übernehmen, der die Daten über eine Mobilfunkleitung von der Ladestation empfängt.