Hochverfügbare unterbrechungsfreie Stromversorgung auf Basis einer Redox-Flow-Batterie

Abbildung 1: USV-Anlage als Demonstrator auf Basis einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie (PresseBox) (Pfinztal, ) Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT haben erstmals eine unterbrechungsfreie Stromversorgung auf Basis einer Vanadium Redox-Flow-Batterie (RFB) realisiert.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) werden eingesetzt, um bei Störungen im Stromnetz die Versorgung kritischer elektrischer Lasten sicherzustellen. USV-Anlagen finden daher vor allem in Krankenhäusern, Leitstellen, Eisenbahn-Stellwerken und Rechenzentren Verwendung. Zunehmend werden USV auch in kleinen Büros und Privathaushalten eingesetzt.

Die Anlage des Fraunhofer ICT auf Basis einer Vanadium RFB ist mit Doppelschichtkondensatoren ausgestattet. Bei Netzstörungen decken diese die Stromversorgung in den ersten Sekunden ab, bis die Pumpen angelaufen sind und die Redox-Flow-Batterie die dauerhafte Versorgung übernimmt. Mit der so aufgebauten USV können kritische Verbraucher über einen Zeitraum von etwa 60 Minuten versorgt werden. Soll eine längere Überbrückungszeit realisiert werden, kann die Anlage einfach durch Nachfüllen von Elektrolytflüssigkeit in die Tanks aufgerüstet werden; ein unschlagbarer Vorteil von Redox-Flow-Batterien.

Die durch eine Industrie-SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) gesteuerte Anlage erfüllt die Kriterien der IEC-Norm 62040-3 nach Klasse 1 VFI (Voltage and Frequency Independent). Eine VFI-USV schützt neben den Folgen eines Stromausfalls, Unterspannung und Überspannung auch vor Schwankungen der Frequenz und vor Oberschwingungen.

Das Demonstrationsobjekt hat im Vergleich zu marktüblichen USV-Anlagen mit Blei-Säure Batterien den Vorteil der unabhängigen Skalierbarkeit von Leistung und Batteriekapazität sowie vor allem der Langlebigkeit von Redox-Flow Batterien. Blei-Säure Batterien müssen je nach Ausführung bereits nach 4 Jahren ausgewechselt werden. Bei RFBs geht man hingegen etwa von der vierfachen Lebensdauer der Batteriestacks aus. Das Speichermedium selbst, der Flüssigelektrolyt sowie die Anlagentechnik kann nach einer Stack Revision weiter verwendet werden. Das bietet auf lange Sicht einen wirtschaftlichen Vorteil für USV-Anlagen auf Basis von Redox-Flow-Batterien.

RFBs sind Stromspeicher mit potentiell niedrigen Kosten für den Einsatz bei mittleren Speicherzeiten im Bereich von einigen Stunden. Der Nachteil der Technologie ist die fehlende Kaltstartfähigkeit. Diese Rolle übernehmen im Konzept des Fraunhofer ICT sogenannte Supercaps. Diese können nahezu beliebig gezykelt werden und haben sehr kurze Ansprechzeiten.

Diese Kombination ermöglicht die Abdeckung von kleineren Schwankungen durch die Supercaps, während bei einem längeren Ausfall die RFB die Last übernimmt. Durch diese Kombination mit einer elektrischen Verschaltung über einen DC-Zwischenkreis entsteht eine hochverfügbare USV mit langen Überbrückungszeiträumen und guter Wirtschaftlichkeit.

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D-76327 Pfinztal
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Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie
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