Stationäre Elektrizitätsspeicher

Bei der Vanadium-Redox-Fluss-Batterie handelt es sich um eine vorteilhafte Speichertechnologie für Strom aus regenerativen Energiequellen. Dieser elektrochemische Energiespeicher zeichnet sich durch hohe Zyklenzahl, hohen Wirkungsgrad, schnelle Reaktionszeit und unabhängige Skalierung von Leistung und Energie aus. Das Prinzip der Vanadium-Redox-Fluss-Batterie wird im Experiment veranschaulicht. Die Energie wird in Form flüssiger löslicher Redox-Paare gespeichert, die unterschiedliches elektrochemisches Potential aufweisen. Die chemisch aktive Flüssigkeit wird in der Realität jeweils durch die Halbzellen der Batterie gepumpt, die über eine Membran voneinander getrennt sind. Im Schülerexperiment demonstrieren wir eine solche Durchlaufzelle (siehe Abbildung).

Abb.: Vanadium-Redox-FLUSS-Zelle; der gelbe Elektrolyt im „Tank“ ist eine (VO₂)⁺-Lösung (V⁵⁺), der violette Elektrolyt im anderen „Tank“ ist eine V²⁺-Lösung;
die Batterie befindet sich also im aufgeladenen Zustand.
Rechts im Bild erkennt man die peristaltische Pumpe

Für das Schülerpraktikum verwenden wir einen einfachen Aufbau aus zwei durch die Membran getrennten Halbzellen aus Glas. Als sehr aufschlussreich haben sich Permeationsmessungen erwiesen, also die Untersuchung der Fragestellung: wie rasch permeieren Vanadium-Ionen durch die ionenleitende Membran, die die beiden Halbzellen voneinander trennt. Dazu wird in jeder der drei Standzellen in Abb. 3 die linke Halbzelle mit blauer 1 mol (VO)-SO₄ Lösung und die rechte Halbzelle mit farbloser 1 mol MgSO₄-Lösung gefüllt. In bestimmten Zeitabständen wird die Konzentration der blauen Ionen in der rechten Halbzelle mit dem abgebildeten kleinen UV-Spektrometer fotometrisch bestimmt.  Die linke der drei Standzellen ist mit einer anionenleitenden Membran ausgerüstet,

Abb.:  Drei Vanadium-Redox-STAND-Zellen, hier eingesetzt für Permeationsmessungen

Und man sieht schon mit bloßem Auge, dass die Vanadium-Kationen in dieser Zelle nicht von links nach rechts permeieren können. Da der Permeationsversuch sehr langwierig ist, wird er zu Beginn des Praktikums angesetzt und läuft die ganze Zeit.

Durch Einsatz alternativer Redox-Systemen wird versucht, ein Schülerexperiment mit anderen Komponenten zu entwickeln, denn Vanadium-Ionen sind als kanzerogen eingestuft. Hier arbeiten wir derzeit an Manganverbindungen. Ein Besuch beim Membranhersteller  FuMA-Tech GmbH, St. Ingbert, ist möglich.

Die Versuche

In diesem Angebot stehen 5 unterschiedliche Experimente zur Verfügung, aus denen die Lehrperson wählen kann und den Praktikumstag individuell gestalten kann.