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

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie ist ein Energiespeichersystem, das eine wichtige Komponente im Rahmen der Energiewende sein kann. Durch ihren Aufbau weist diese Batterie Vorteile als stationärer Speicher gegenüber anderen Speichertechnologien auf. So sind Leistung und Kapazität unabhängig voneinander skalierbar, und im Standby-Betrieb findet lediglich eine geringe Selbstentladung statt. Im Betrieb kommt es jedoch durch eine Kreuzkontamination von Vanadium-Ionen durch die Membran zu Verlusten. Dieser als Crossover bezeichnete Prozess führt zur kontinuierlichen Abnahme der Batteriekapazität. Als Transportmechanismen wirken Diffusion, Migration und Konvektion. Um den Crossover-Prozess zu beschreiben, werden im Rahmen dieser Arbeit die Membranparameter elektrischer Widerstand und Vanadium-Diffusionskoeffizienten experimentell bestimmt und zur Entwicklung eines mathematischen Modells verwendet. Messungen am Prüfstand dienen hierbei der Modellvalidierung. Um der Abnahme der Kapazität entgegenzuwirken, werden experimentell und mathematisch verschiedene Kapazitätsausgleichsstrategien entwickelt und analysiert. Es hat sich hierbei gezeigt, dass mit unterschiedlichen Methoden die Kapazitätsabnahme der Batterie verringert und dadurch ein effizienterer Betrieb ermöglicht werden kann.

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Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie ist ein Energiespeichersystem, das eine wichtige Komponente im Rahmen der Energiewende sein kann. Durch ihren Aufbau weist diese Batterie Vorteile als stationärer Speicher gegenüber anderen Speichertechnologien auf. So sind Leistung und Kapazität unabhängig voneinander skalierbar, und im Standby-Betrieb findet lediglich eine geringe Selbstentladung statt. Im Betrieb kommt es jedoch durch eine Kreuzkontamination von Vanadium-Ionen durch die Membran zu Verlusten. Dieser als Crossover bezeichnete Prozess führt zur kontinuierlichen Abnahme der Batteriekapazität. Als Transportmechanismen wirken Diffusion, Migration und Konvektion. Um den Crossover-Prozess zu beschreiben, werden im Rahmen dieser Arbeit die Membranparameter elektrischer Widerstand und Vanadium-Diffusionskoeffizienten experimentell bestimmt und zur Entwicklung eines mathematischen Modells verwendet. Messungen am Prüfstand dienen hierbei der Modellvalidierung. Um der Abnahme der Kapazität entgegenzuwirken, werden experimentell und mathematisch verschiedene Kapazitätsausgleichsstrategien entwickelt und analysiert. Es hat sich hierbei gezeigt, dass mit unterschiedlichen Methoden die Kapazitätsabnahme der Batterie verringert und dadurch ein effizienterer Betrieb ermöglicht werden kann.