Das Prinzip: die nanoFLOWCELL®

Mit der zum Patent angemeldeten nanoFLOWCELL®, einer revolutionär-neuen Weiterentwicklung der bereits bewährten Flowcell-Technologie, ermöglicht die nanoFLOWCELL AG erstmals den Einsatz eines Batterie-Systems mit Flusszellen-Technik im Automobil. Die besonders leistungsfähige und kompakte Flowcell-Batterie erzielt mit dem aktuellen Prototyp der QUANT e-Sportlimousine Reichweiten bis zu 600 km.

Das neuartige System der nanoFLOWCELL AG stellt eine aufwendige Weiterentwicklung des Flowcell-Prinzips dar, das sich nun speziell in der Energiedichte von der bereits etablierten Redox-Flowcell unterscheidet. Die größten Vorteile ergeben sich aus der mehr als fünffach höheren Energiedichte bei der Speicherung und Umsetzung elektrischer Ladung. Der Technische Leiter der nanoFLOWCELL AG, Nunzio La Vecchia, ist daher überzeugt,dass damit der Wechsel auf Elektromobile bereits in naher Zukunft wesentlich schneller erfolgen kann, als bisher von der Fachwelt prognostiziert worden ist.

Das Prinzip der Flowcell

Das Prinzip der Flowcell wurde bereits 1976 für die amerikanische Weltraumbehörde NASA patentiert, um rasch und erfolgreich die Entwicklung von Energiespeichern für die Raumfahrt voranzutreiben. Die Patente von 1976 liegen längst offen und werden allseits verwendet. Der Typus Flowcell-Batterie gilt aktuell als Hoffnungsträger für eine besonders einfache und effektive Speicherung von elektrischer Energie. Erste terrestrische Flowcell-Anlagen arbeiten heute bereits als Speicher für häusliche Solarsysteme und Windkraftanlagen. Sie helfen, Solarenergie oder Windstrom zu speichern und nach Bedarf einzusetzen.

Unter einer Flowcell oder Flusszellen-Batterie versteht man eine besonders moderne Bauart der Energiespeicher. Die Flusszelle funktioniert als chemische Zelle so ähnlich wie ein technischer Zwitter aus Akkumulator und Brennstoffzelle. Dabei läuft in der kompakten Zelle eine “kalte Verbrennung” ab, bei der die Prozesse Oxidation und Reduktion parallel stattfinden. Die Elektrolyt-Flüssigkeit für die Flowcell, bei der es sich üblicherweise um Metallsalze in wässriger Lösung handelt, wird hierzu vom Tank aus durch die Zelle gepumpt. Damit liegt eine Art Akku-Zelle mit Querstrom-Spülung der Elektrolyt-Flüssigkeit vor. Die besonderen Vorteile auf einen Blick: Je größer der Tank für die Elektrolyt-Flüssigkeit, desto größer die Energiemenge. Gleichzeitig entscheidet auch die Konzentration der Elektrolytflüssigkeit über die transportable Energiemenge. Und genau hier liegen die Vorteile der nanoFLOWCELL®.

Generell verläuft das Prinzip der Energieübertragung innerhalb der Flusszelle zwischen zwei plattenförmigen Polen (plus und minus) mittels einer ionisierbaren Flüssigkeit, ganz ähnlich wie beim altbewährten Bleiakku im Auto. Der Nachteil der Bleiakkus: Sie sind mit 30 Wh/Kg relativ schwache Ladungsträger, dazu schon wegen ihrem hohen Bleigehalt sehr schwer. Und sie beginnen ab etwa 500 Ladezyklen in ihrer Kapazität stark nachzulassen. Schuld ist der sogenannte Memory-Effekt. Die moderne Lithium-Ionen-Technik mit einer vierfach höheren Ladungsdichte von 120 Wh/kg und einem Limit von etwa 1.000 Ladezyklen gilt derzeit als akzeptable Zwischenlösung. Moderne Flusszellen hingegen bieten bereits heute etwa die gleiche Leistungsdichte, dazu eine ausreichende Haltbarkeit, denn sie sind vom Memory-Effekt nicht betroffen.

Das Prinzip der nanoFLOWCELL®

Die nanoFLOWCELL® stellt eine besonders leistungsfähige und kompakte Flowcell-Batterie dar und bietet dank sehr guter Skalierbarkeit und völlig unkompliziertem Aufbau sowie Handhabung bestechende Vorteile für den Einsatz im Elektromobilbau.

Zum Laden oder Entladen der nanoFLOWCELL® werden zwei verschiedene Elektrolyt-Flüssigkeiten jeweils durch denjenigen Raum der Zelle gepumpt, in dem die Elektrode (Anode oder Kathode) der Zelle angeordnet ist. Eine zentrale Membran, die man sich so ähnlich vorstellen kann, wie eine solide Haushaltsfolie, trennt die beiden Elektrolyträume vollständig. Damit herrscht Ordnung in den beiden Kammern der nanoFLOWCELL®, was die Chemie der Ladungsträger angeht. Es entsteht kein Gemisch aus hoch und niedrigwertiger Flüssigkeit, das für den Elektroantrieb letztendlich wertlos wäre. Vielmehr bleiben der hoch geladene Ionenträger und die Flüssigkeit mit niedriger Ladung getrennt.

Die Vorteile der nanoFLOWCELL®

Das neueste Produkt für eine attraktive Elektromobilität, die nanoFLOWCELL®, wurde im Simulations-Labor der nanoFLOWCELL AG, dem nanoFLOWCELL DigiLab in Zürich konzipiert und befindet sich aktuell noch im Stadium der Entwicklung. Die bisherigen Ergebnisse sind dabei äußerst vielversprechend, denn das System ermöglicht mit etwa 600 V Nennspannung und 50 A Nennstromstärke eine beachtliche Dauerleistung von 30 kW.

Die nanoFLOWCELL® arbeitet heute bereits, was ihr Vermögen zur Energiespeicherung in hoher Dichte angeht, um den Faktor 20 höher als der gute alte Bleiakku. Das bedeutet, dass man mit der gespeicherten Energie bei gleichem Akku-Gewicht 20 mal weiter fahren kann. Im Vergleich zur gegenwärtigen Lithium-Ionen-Technik, mit der viele moderne Elektroautos versorgt werden, gilt der Faktor fünf, gleichbedeutend mit fünffach größerer Reichweite. Zum Vergleich: ein Liter Benzin enthält die Energiemenge von 11.400 Wh, entsprechend dem Faktor 400 im Vergleich zur herkömmlichen Bleibatterie.

Die Ursache für das gute Abschneiden der nanoFLOWCELL® liegt in den speziellen Eigenschaften der neu entwickelten Elektrolyt-Flüssigkeit begründet: Hier liegen spezielle Zusammensetzungen von Metallsalzen in hochwertiger Lösung vor. Die Ladungsträger innerhalb der Trägerflüssigkeit ließen sich durch definierte Nano-Mechanismen im Bereich der Quantenchemie auf ein völlig neues Niveau für die Ladungsdichte – und damit für die Menge an gespeicherter Energie – einstellen. Als willkommener Nebeneffekt gelingt die Ladungsbewegung innerhalb der Zelle beinahe ohne Verluste. Der innere Wirkungsgrad der nanoFLOWCELL® liegt daher bei über 80 Prozent.

Die Energiedichte von 600 Wh/L begeistert bereits heute, liegt sie doch fünf- bis sechsfach höher als bei Akkus mit der aktuellen Lithium-Ionen-Technik. Zusätzlich ist die Flowcell-Technologie mit etwa 10.000 Ladezyklen ohne Memory-Effekt sehr haltbar. Auch durch ihre äußerst geringe Selbstentladung ist sie prädestiniert für die weitere Entwicklung der elektrischen Mobilitätskonzepte.

Einen weiteren Vorteil bringt die einfach skalierbare Tankgröße der nanoFLOWCELL® ins Spiel: Das Layout der QUANT e-Sportlimousine sieht beim ersten Prototyp ein Tankvolumen von zweimal 200 Litern vor. Daraus errechnet sich ein Energievorrat von 200 mal 600 Wh/L. Das ergibt insgesamt stolze 120 kWh Energieinhalt für Tank und Zelle. Mit diesem Energievorrat geht die QUANT e-Sportlimousine zudem noch äußerst sparsam um: Der spezifische Verbrauch der QUANT e-Sportlimousine liegt bei nur etwa 20 kWh/100 km. Genau wie beim normalen Auto hängt die Reichweite beim Elektrofahrzeug ebenso von der Energiemenge an Bord wie vom Verbrauch ab. Sie liegt in diesem Fall durchschnittlich bei rund 600 Kilometern.

Es handelt sich bei dieser Angabe für den Verbrauch von etwa 20 kWh/100 km um eine Normangabe, die in etwa der Fahrt im unteren Lastbereich entspricht, wie sie im offiziellen Verbrauchszyklus für alle Fahrzeuge vorgeschrieben ist. Weitere Steigerungen sind möglich, denn das Tankvolumen kann im Package der Quant e-Sportlimousine relativ einfach bis auf 800 Liter erhöht werden. Es gilt die alte Weisheit der Konstrukteure, wonach Tankvolumen in der Karosseriestruktur eines modernen Fahrzeugs bedeutend leichter unterzubringen sind als schwere Akkusysteme mit aufwendiger Reihenschaltung und Leitungsführung sowie einem separaten Kabelbaum für die exakte Überwachung aller einzelnen Zellen.

Der Antrieb der QUANT e-Sportlimousine

Vier Einheiten bilden das Antriebskonzept der QUANT e-Sportlimousine. Dazu gehört neben den beiden Tanks die nanoFLOWCELL®, die fortlaufend elektrische Energie zum zentralen Speicher fördert. Dieser Energiespeicher besteht aus zwei großen Leistungs-Kondensatoren vom Baumuster der aktuellen Supercaps. Diese Kondensator-Einheiten sind in der Lage, elektrische Energie verlustfrei aufzunehmen und bei Bedarf auch ziemlich impulsiv wieder freizusetzen, was für die Fahrleistungen einer Sportlimousine ein wichtiges Kriterium darstellt. Dazu kommt eine hochmoderne VCU-Einheit, die als zentrale Kontrolleinheit des gesamten Antriebsstrangs die Verzweigung der Lade- und Fahrströme kontrolliert.

Moderne Supercaps sind auch als jene Speichereinheit vorgesehen, von der mittels “Fahrpedal” der aktuelle Leistungsbedarf für die vier Antriebsmotoren abgerufen wird. Diese Supercaps fungieren als eine Art Energiepuffer, der nicht nur für den Antrieb verwendet wird. Beim Bremsen oder bei Bergabfahrt werden die vier Antriebsmotoren durch die Umkehr der inneren Polung zum Generator, der die Supercaps mit Energie auflädt.

Nachtanken ist ganz einfach

Die nanoFLOWCELL® fungiert an Bord als unermüdlicher Energiespender für den zentralen Speicher, solange noch ausreichend Elektrolyt im Tank vorhanden ist. Sollte der Vorrat an geladenem Elektrolyt im Tank der nanoFLOWCELL® verbraucht sein, so wird für die beiden Tanks ein doppelter Nachfüllvorgang fällig, der nicht schwieriger ausfällt als ein Tankvorgang bei einem modernen Auto. Der Prototyp verfügt bereits über eine doppelte Tanköffnung für beide Elektrolyte, um die Tankvorgänge kurz zu halten.

Den wesentlichen Unterschied zu allen anderen elektrischen Energiespeicher-Systemen macht die Reichweite aus, die ein gefüllter nanoFLOWCELL®-Tank bieten kann: Es sind bei vernünftig dosierten Tankvolumina (200 bis 400 Liter) Aktionsradien bis etwa 600 Kilometer möglich, die dem eines modernen Autos mit Verbrennungsmotor ebenbürtig sind.

Technische Daten der QUANT e-Sportlimousine

Die Umweltfreundlichkeit liegt extrem hoch

Generell zeichnet sich die nanoFLOWCELL® durch die Verwendung von gängigen Bestandteilen aus, die in großer Menge recht einfach verfügbar sind. Edelmetalle und seltene Erden kommen im System nicht vor. Die wesentlichen Elemente der Zelle bestehen aus Wasser als Trägerflüssigkeit, Metallsalzen und kristallinen Strukturen, die alle miteinander umweltverträglich eingesetzt und anschließend entsorgt werden können.

Nach derzeitigem Wissensstand scheint eine sichere Verwendung der nanoFLOWCELL® ohne umwelttechnische Komplikationen bei Betrieb oder Entsorgung gesichert. Eine ausgedehnte Lebensdauer des Systems versprechen auch die aktuellen Werte: Demnach bewältigt die nanoFLOWCELL® bis zu 100- fach mehr Ladevorgänge als konventionelle Akkusysteme (Bleiakku: ca. 500, Li-Ion ca. 1.000). Ein Memory-Effekt ist nicht bekannt, die Selbstentladung der Flowcell ist im Ruhezustand sehr gering (<<1%/Tag).

Ein Quantensprung in der Entwicklung

Bei den Vorgängen innerhalb der Zelle sprechen die Verfahrens-Ingenieure von einer kalten Verbrennung. Tatsächlich liegen die Betriebstemperaturen innerhalb der Zelle je nach Leistung bei 60 bis 160 Grad Celsius. Auch dieses niedrige Temperaturniveau trägt seinen Teil zum günstigen Wirkungsgrad von über 80 Prozent bei: Ohne Abwärme entstehen keine Verluste. Ganz besonders begeistert die einfache Umsetzung der Energie innerhalb der Zelle, die – von den Elektrolytpumpen einmal abgesehen – selbst ohne bewegte Teile auskommt.

Um diesen geschliffenen Funktionsgrad des Gesamtsystems zu erreichen, mussten Forschung und Entwicklung der nanoFLOWCELL AG bis hin zu den Vorgängen der Quantenmechanik weitgehend neuartige Wege einschlagen. Die Keimzelle für den erzielbaren Fortschritt lag in diesem Fall innerhalb der Simulations-Abteilung der nanoFLOWCELL AG, dem nanoFLOWCELL DigiLab in Zürich.

Zu den entscheidenden Punkten der Quantenchemie wurden in den DigiLab Laboren für virtuelle Forschung und Entwicklung in Zürich über Jahre Versuche zum Ladungstransport zuerst simuliert und im digitalen Modell ausführlich moduliert und getestet, bevor die zugehörigen Bestandteile für Labor und Erprobung erfolgreich synthetisiert werden konnten. Diese Herstellung eines Elektrolyten “nach Wunschliste der Simulations-Ingenieure” stellt die übliche Reihenfolge vieler Vorgänge in Forschung und Wissenschaft weitgehend auf den Kopf.

Die beteiligten Forscher und Techniker sprechen gar von einem “Quantensprung” in dieser Beziehung. Sie verweisen darauf, dass die natürlichen Grenzen, die bisher für vergleichbare Systeme galten, durch neue Gegebenheiten in der Nanostruktur der exklusiv entwickelten Ladungsträger im Elektrolyt regelrecht gesprengt werden. Der führende Kopf der nanoFLOWCELL AG, Nunzio La Vecchia, spricht von “der systematischen Entwicklung einer ionisch besonders hoch geladenen Flüssigkeit, die den Durchbruch hin zum High Performance-Ladungsträger in flüssiger Form ermöglicht hat. Man kann sich das so ähnlich vorstellen, als wäre es uns gelungen, die Eigenschaften von Dynamit als Kraftstoff im Elektrolyt zu speichern und anschließend in akkurater Dosierung nutzbar zu machen.”

Nunzio La Vecchia unterstreicht:

Die chemisch-physikalischen Grenzen, welche durch die technischen Limits innerhalb der Nernst’schen-Gesetze1) in diesem Forschungsbereich angezeigt werden, haben sich durch unsere Entwicklungsschritte in einem Maß verschieben lassen, das uns heute noch manchmal selber verblüfft. Mit der erreichten neuen Qualität der Wirkmechanismen innerhalb der nanoFLOWCELL® können wir die entscheidenden Schritte hin zur schwungvollen Elektromobilität regelrecht beflügeln.

((1) Nach dem Chemie-Nobelpreisträger, Walter Nernst, 1868-1941))

Die Nernst’schen Gesetze kennzeichnen die Gesetzmäßigkeiten für den Ladungstransport in Flüssigkeiten und weisen jedem Wissenschaftler auch die Grenzen auf, die für den Ladungstransport in einer chemischen Zelle vorliegen. Nunzio La Vecchia ist sich seiner Sache sicher:

Mit unserem System der zielgerichteten Simulation haben wir manche der Massenwirkungs-Fesseln der Quantenchemie nachhaltig gesprengt. Das wird die Zukunft der Elektromobilität spürbar näher rücken lassen.

© nanoFLOWCELL AG / Das Prinzip: die nanoFLOWCELL®

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