Modellierung der Crossover-Prozesse und Entwicklung von Kapazitatsausgleichsstrategien zur Betriebsoptimierung von Vanadium-Redox-Flow-Batterien

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie ist ein vielversprechendes Energiespeichersystem, das eine wichtige Komponente im Rahmen der Energiewende sein kann. Im Zuge dieser nimmt die Stromproduktion aus Wind- und Solarenergie zu. Die Verfugbarkeit dieser sogenannten erneuerbaren Energien ist wetterabhangig. Hierdurch ist eine stabile und an den Stromverbrauch orientierte Versorgung, ohne eine Veranderung in der derzeitigen Stromnetzstruktur, nicht realisierbar. Die Stromerzeugung ist auserdem von der Netzkapazitat abhangig. Diese kann durch einen Netzausbau vergrosert werden, um die Schwankungen abpuffern zu konnen, was jedoch mit hohen Kosten und einem grosen Aufwand verbunden ist. Um die Aufnahmefahigkeit der Netze fur erneuerbare Energien zu erhohen, ist auserdem der Einsatz von Energiespeichern moglich. Diese sollen eine grose Speicherkapazitat, eine kurze Ansprechzeit und geringe Verluste in der Speicherung und Abgabe aufweisen. Durch ihren Aufbau weist die Vanadium-Redox-Flow-Batterie Vorteile als stationarer Speicher gegenuber anderen Speichertechnologien auf. So sind die Speicherkapazitat und Leistung unabhangig voneinander skalierbar und es findet lediglich eine geringe Selbstentladung im Standby-Betrieb statt. Im Betrieb der Batterie kommt es jedoch durch eine Kreuzkontamination von Vanadium-Ionen durch die Membran zu Verlusten. Dieser als Crossover bezeichnete Prozess fuhrt zur Selbstentladung der jeweils anderen Halbzelle und zur kontinuierlichen Abnahme der Batteriekapazitat, was einen sinnvollen Einsatz als Energiespeicher einschrankt. Um diese Kapazitatsabnahme zu verringern, ist sowohl die Entwicklung besserer Separatoren (geringerer Widerstand, hohere Selektivitat) als auch die Untersuchung der Crossover-Prozesse, was dem Fokus dieser Arbeit entspricht, erforderlich. Fur die im Zuge dieser Arbeit durchgefuhrten Studien werden die Parameter elektrischer Widerstand und Vanadium-Diffusionskoeffizienten experimentell bestimmt und zur Entwicklung eines mathematischen Modells zur Beschreibung der Crossover-Prozesse verwendet. Um der durch den Crossover resultierenden Abnahme der Kapazitat entgegenzuwirken, werden in dieser Arbeit weiterhin experimentell und mathematisch verschiedene Kapazitatsausgleichsstrategien entwickelt und analysiert. Der elektrische Widerstand unterschiedlicher Separatoren wird im Zuge dieser Arbeit unter Variation von Stromdichte und Ladungszustand untersucht. Die Messungen erfolgen in situ mit selbst hergestellten Festphasenpotentialmesssonden, mit denen mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie der elektrische Widerstand ermittelt wird. Die Vanadium- Diffusionskoeffizienten werden unter betriebsnahen, aber stromlosen Bedingungen fur Nafion™- Membranen unterschiedlicher Dicke bestimmt. Mithilfe der ermitteltenWerte des elektrischen Widerstands und der Vanadium-Diffusionskoeffizienten wird ein mathematisches Modell fur die Nafion™-Membran N117 entwickelt, das die Transportvorgange durch die Membran beschreibt. Als Transportmechanismen wirken Diffusion, Migration und Konvektion. Messungen am eigenen Prufstand dienen hierbei der Modellvalidierung. In das validierte Modell wird anschliesend ein Elektrolytuberlauf von dem einen in den anderen Tank implementiert, um eine Methode zum Kapazitatsausgleich zu entwickeln. Eine weitere Kapazitatsausgleichsmethode wird experimentell mit dem porosen Separator FF40 von Amer-Sil untersucht. Hierbei wird durch Anderungen von Betriebsparametern der Differenzdruck am Separator verandert, sodass der Crossover beeinflusst wird. Es hat sich gezeigt, dass mit beiden Methoden die Kapazitatsabnahme der Batterie verringert und dadurch ein effizienterer Betrieb ermoglicht werden kann. Es wird auserdem deutlich, dass sich je nach Separator das Crossover-Verhalten unterscheidet und aus diesem Grund unterschiedliche Methoden zum Kapazitatsausgleich zielfuhrend sein konnen.