Open-Source-Hardware: Offener Bausatz für Redox-Flow-Batterien

In einer Welt, die dringend nachhaltige Energiespeicherlösungen sucht, dominieren Lithium-Ionen-Batterien den Markt. Sie sind kompakt, leistungsfähig und ökologisch problematisch. Denn der Abbau von Lithium ist umweltschädlich, die Reparatur der Zellen kaum möglich und nach wenigen Jahren wird aus Hightech gefährlicher Sondermüll. Doch es gibt eine Alternative: FLOW-Batterien. Sie könnten in Zukunft nicht nur nachhaltiger, sondern auch von nahezu jedem halbwegs begabten Bastler gebaut werden.

Redox-Flow-Batterien (RFBs) gelten als vielversprechende Lösung für die langfristige Energiespeicherung. Ihr Funktionsprinzip unterscheidet sich grundlegend von klassischen Batterien: Anstatt Energie in Festkörperzellen zu speichern, verwenden RFBs zwei flüssige Elektrolyte, die in separaten Tanks aufbewahrt und während des Betriebs durch eine elektrochemische Zelle gepumpt werden. In dieser Zelle findet ein Redoxprozess statt, bei dem elektrische Energie gespeichert oder abgegeben wird. Die Trennung von Energie- und Leistungskomponenten ermöglicht es, die Kapazität durch die Tankgröße und die Leistung durch die Zellfläche unabhängig voneinander zu skalieren. Zusätzlich sind sie aufgrund ihrer Modularität potenziell wartbar, reparierbar und sogar transformierbar, lassen sich also an veränderte Umstände anpassen.

Doch obwohl die Technik prinzipiell gut geeignet wäre, um große Mengen Energie über längere Zeiträume zu speichern – also genau das, was ein Stromnetz mit hohem Anteil an Wind- und Solarenergie benötigt –, ist sie bisher kaum im Alltag angekommen. Das hat viele Gründe: hohe Materialkosten, komplizierte Systemtechnik und die Größe der Systeme. Diverse Prototypen sind in der Praxis oft an technischen Detailproblemen gescheitert. Das dabei entstandene Erfahrungswissen würden die Firmen dahinter dann mit in die Insolvenz nehmen, kritisieren der Nanotechnologiespezialist Dr. Daniel Fernandez und Kirk Smith, Doktor der Elektrochemietechnik.

Um das zu ändern, haben sie das Flow Battery Research Collective (FBRC) gegründet, ein Open-Source-Hardware-Projekt, das den Zugang zu RFBs demokratisieren will. „Unser Ziel ist, die Infrastruktur für den Betrieb von FLOW-Batterien zu öffnen“, sagen die Gründer. Ihr Projekt will zeigen, dass sie RFBs auch mit einfachen Mitteln erforschen und nachbauen können – fernab akademischer Großlabore oder industrieller Pilotanlagen.

Forschungslücken: Was RFBs heute noch bremst

Obwohl die Technik seit den 1960er-Jahren bekannt ist, bestehen noch einige Herausforderungen. Die treten vor allem auf, wenn die Systeme skaliert, also vergrößert werden. Die Batterie aus Rohrleitungen, Tanks und Pumpen muss über lange Zeit sehr dicht sein, die Materialien chemisch resistent und die Flüssigkeiten dürfen nicht austreten, denn es handelt sich um potenziell giftige Chemikalien. Am Ende seien es Klemptnerprobleme, die technisch aber sehr herausfordernd sind, so die Gründer von FBRC. Daneben gebe es andere Herausforderungen. Beispielsweise dürfe das Elektrolyt nicht rückwärts laufen, das erzeuge Kurzschlüsse. Die meisten Patente im Bereich RFBs würden dieses Problem adressieren.

Ein weiteres Problem sind die Elektrolyte. Chemiker arbeiten an ihrer Stabilität und Verfügbarkeit. In der Praxis sind Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFBs) am weitesten verbreitet, doch Vanadium ist teuer und sein Preis volatil. Alternative Materialien wie organische Moleküle oder Eisen-Chrom-Systeme versprechen Kostensenkungen, leiden aber unter Problemen wie geringer Löslichkeit, Instabilität oder Nebenreaktionen, etwa der Wasserstoffentwicklung. Nichtwässrige Systeme bieten höhere Zellspannungen, bringen jedoch neue Risiken wie Entflammbarkeit und hohe Viskosität mit sich.

Zusätzlich fehlen belastbare Daten zur Langzeitnutzung. Viele Unternehmen „starten mit großen Versprechen und gehen pleite, bevor man weiß, woran sie gescheitert sind“, kritisiert das FBRC. So gehe wertvolles Wissen verloren, weil die proprietäre Forschung nicht veröffentlicht wird. Dabei wäre gerade der offene Austausch essenziell, um Fortschritte zu erzielen – etwa durch geteilte Testergebnisse zu Materialkombinationen oder Fehlerquellen in der Systemarchitektur.

Warum Open Source Hardware helfen kann

Ein zentrales Hindernis bei der Weiterentwicklung von RFBs ist, dass die technische Infrastruktur dahinter schwer zugänglich ist. Das will das FBRC ändern. Seit 2023 entwickeln Fernandez und Smith ein Open-Source-Kit, das alle Komponenten enthält, um eine einfache FLOW-Batterie aufzubauen. Dabei legen sie besonderen Wert auf „leicht verfügbare Materialien, auch außerhalb westlicher Länder“. So nutzen sie etwa Fotopapier als Separator – eine kostengünstige Lösung mit langer Tradition, wenn auch nicht maximal effizient.

Diese Herangehensweise eröffnet neue Perspektiven: „FLOW-Batterien geben Power to the User, weil sie wartbar, reparierbar und tranformierbar sind. Sie sollten daher auch als Open-Source-Lösung existieren.“ So sollen nicht nur finanziell gut ausgestattete Firmen oder akademische Forschungseinheiten Zugang zu dieser Technologie haben, sondern auch engagierte Tüftlerinnen, Schüler, Lehrende und unabhängige Forschende.

Damit RFBs ihr Potenzial als Schlüsseltechnologie für nachhaltige Energiesysteme entfalten können, braucht es mehr Interationszyklen und einen offenen Austausch über Gelingensbedingungen. Eine offene Plattform, auf der Experimente, Designs und Daten frei verfügbar sind, könnte die Entwicklung massiv beschleunigen.

Das FBRC soll zeigen, dass dies kein fernes Ideal ist, sondern konkrete Praxis, so die Verantwortlichen. Bis Ende 2025 planen sie, ein größeres System im Kilowattbereich zu entwickeln – immer mit dem Ziel, anderen den Einstieg zu erleichtern. „Prinzipiell können alle kommen, und daraus ein kommerzielles Produkt machen. Das würden wir gut finden.“

Wenn Redox-Flow-Batterien eines Tages im Baumarkt stehen sollen, braucht es mehr Projekte wie dieses – offen, dokumentiert, kooperativ. Nicht nur für die Forschung, sondern für ein gerechteres, nachhaltiges Energiesystem der Zukunft.

(ll)