Laut dem Marktbericht von IDTechEx mit dem Titel „Redox-Flow-Batterien-Markt 2024–2034: Prognosen, Technologien, Märkte“ steigen mit der Nachfrage nach diesen Technologien auch die Umsatzmöglichkeiten für Akteure entlang der Wertschöpfungskette. In den frühen Phasen der Wertschöpfungskette konzentrieren sich die Akteure auf die Herstellung von Materialien und Komponenten und deren Lieferung an Entwickler von Redox-Flow-Batterien.
Elektrolyt
Ein komplettes Redox-Flow-System (RFB) besteht aus drei Hauptkomponenten: dem Elektrolyten, dem Zellstapel und den Nebenanlagen (BOP). Das am weitesten verbreitete RFB-System, die Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB), verwendet einen teuren Vanadium-Elektrolyten. Im Jahr 2021 lieferten Bergbauunternehmen weltweit 120.000 Tonnen Vanadium, wovon 92 % in die Stahlproduktion flossen, während der VRFB-Markt 2 % ausmachte. Führende Unternehmen wie Glencore, Largo und Bushveld sind für den Vanadiumabbau verantwortlich und spielen eine Schlüsselrolle in diesem Teil der Lieferkette. Der Vanadium-Elektrolyt macht etwa 30–50 % der Stückkosten einer VRFB aus und wird sowohl von der Gesamtgröße des Systems als auch von der erforderlichen Speicherdauer beeinflusst.
Zellstapel
Die Zellbaugruppe macht einen erheblichen Teil der Stückkosten von Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFB) aus und besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten. Dazu gehören die Membran, Bipolarplatten, Elektroden, Dichtungen und Dichtmittel. Die Membran und die Bipolarplatten sind wohl die beiden teuersten Komponenten eines VRFB-Stacks. Mit der steigenden Anzahl installierter VRFB-Anlagen wächst auch der Bedarf an Komponenten und Materialien für diese Systeme.
Explosionszeichnung des RFB-Zellenstapels. Quelle: IDTechEx
Membranen
Die Funktion von Membranen besteht darin, die Vermischung der beiden Elektrolyte in einem Bioreaktor (BR) und den Kontakt der beiden Elektroden zu verhindern, während gleichzeitig der Fluss entgegengesetzter Ionen (wie z. B. H⁺) ermöglicht wird. Membranen gewährleisten typischerweise ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Ionenleitfähigkeit und Selektivität für verschiedene Ionenarten. Kommerzielle Membranen weisen eine Dicke von 50 bis 200 Mikrometern auf. In einem BR sollte die ideale Membran eine gute Ionenaustauschkapazität und Ionenleitfähigkeit, eine geringe Permeabilität für aktive Spezies zur Vermeidung von Selbstentladung sowie eine chemische Beständigkeit gegenüber aggressiven Substanzen aufweisen.
Die am häufigsten in Redox-Flow-Batterien (RFBs) verwendeten Membranen sind kationische Ionenaustauschermembranen (CEMs). Kationische CEMs können fluoriert oder nicht-fluoriert sein. Das Standardmaterial für fluorierte kationische CEMs ist Perfluorsulfonsäure (PFSA), wobei Nafion, ursprünglich von DuPont hergestellt, das bekannteste Beispiel ist. Sie bieten eine gute Ionenleitfähigkeit und Beständigkeit gegenüber sauren Umgebungen, weisen jedoch in Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFBs) nicht zu vernachlässigende Vanadium-Spezies-Vernetzungsraten auf. Einige RFB-Entwickler gaben in Interviews mit IDTechEx an, ihre Forschungs- und Entwicklungsbemühungen auf die Behebung dieses Problems konzentriert zu haben und behaupten, dass es für ihre Technologie keinen Nachteil mehr darstellt. Diese Materialien werden jedoch weiterhin vertraulich behandelt, da sie wahrscheinlich einen Wettbewerbsvorteil bieten. Daher wird erwartet, dass kationische CEMs aufgrund ihrer umfassenden Eigenschaften die beliebteste Membranwahl für RFB-Systeme bleiben werden. Wie die IDTechEx-Studie jedoch hervorhebt, ist sie eine teure Komponente des Zellstapels und macht etwa 50 % der Stapelkosten aus.
Bipolarplatten
Die Bipolarplatte erhöht die strukturelle Stabilität des Zellstapels und ermöglicht den Elektronenfluss von der positiven Elektrode einer Halbzelle zur negativen Elektrode der nächsten. Typische Materialien für Bipolarplatten sind Graphit, graphitgefüllte Polymere, Titan oder Stahl. Bei der Herstellung von Verbundbipolarplatten können Bindemittel, meist Thermoplaste oder Duroplaste wie Fluorpolymere, Polyethylen und Polypropylen, verwendet werden. Diese Bindemittel machen in der Regel 10–20 % der Materialzusammensetzung der Bipolarplatte aus. Beispiele für Hersteller von Bipolarplatten sind Hycco und Schunk. Letztendlich stellen Bipolarplatten einen erheblichen Teil der Kosten des Zellstapels dar.
Perspektiven
Im kommenden Jahrzehnt wird es für Hersteller von Redox-Flow-Batterien (RFB) entscheidend sein, ihre Lieferketten so auszubauen, dass sie die steigende Nachfrage nach langlebigen Energiespeichertechnologien decken können. Akteure entlang der Wertschöpfungskette werden zunehmend die Möglichkeit haben, RFB-Entwickler mit Materialien und Komponenten zu beliefern. Dazu gehören beispielsweise Elektrolyte, Membranen, Bipolarplatten oder die Materialien, aus denen diese bestehen, wie etwa PFSA, Graphit, graphitgefüllte Polymere, Titan, Stahl, Thermoplaste, Duroplaste usw. Während der Elektrolyt 30 bis 50 % der Stückkosten von Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFB) ausmacht, entfallen ebenfalls 30 bis 50 % auf Membranen und Bipolarplatten.
Autor: Conrad Nichols, Technologieanalyst bei IDTechEx
