Vom Mondlabor der NASA ins Stromnetz: Die Renaissance der Redox-Flow-Batterie

Sauberer Strom ist heute kein Problem mehr – ihn zuverlässig zu speichern, schon eher. Mit wachsendem Solar- und Windanteil brauchen unsere Energiesysteme Langzeitspeicher, die Stunden, nicht nur Minuten überbrücken. Neben Pumpspeichern und Lithium-Ionen-Batterien rückt dabei eine Technologie ins Blickfeld, die klingt wie aus einem NASA-Labor der 1960er Jahre – weil sie genau das ist: die Redox-Flow-Batterie. 1879 erstmals patentiert, von der Raumfahrtforschung verfeinert und heute relevanter denn je. Doch was steckt eigentlich dahinter, und warum kommt die Technologie gerade jetzt so richtig in Fahrt?

Die Technologie der Flussbatterien ist keineswegs neu. Ihre Geschichte begann 1879 mit der Patentierung der Zink-Brom-Flussbatterie. In den 1950er Jahren experimentierte man mit Metall-basierten Elektrolyten. Stark daran interessiert war die NASA – gesucht wurde eine Batterietechnologie für die Mondlandestation.

Was eine Redox-Flow-Batterie ausmacht
Im Gegensatz zu einer klassischen Batterie funktioniert eine Redox-Flow-Batterie (auch «Flow Battery» genannt) nach einem anderen Prinzip. Das Wesentliche: Energie und Leistung lassen sich unabhängig voneinander skalieren – ein entscheidender Vorteil für Langzeitspeicherung. Konkret funktioniert das so:

• Energie wird in flüssigen Elektrolyten gelagert, die in Tanks untergebracht sind.
• Leistung wird im Zellstapel (Stack) erzeugt, wo die Flüssigkeiten durchströmt werden und über elektrochemische Reaktionen Strom generieren.

Das bedeutet: Mehr Energie = grössere Tanks. Mehr Leistung = grösserer Stack. Wer also Solarstrom von Mittag bis in die Nacht speichern will, kann das System gezielt dafür auslegen.

Die frühe Geschichte: Von elektrochemischen Grundlagen zur Flow-Idee
Die Idee, chemische Reaktionen für die Stromspeicherung zu nutzen, ist nicht neu. Bei Redox-Flow geht es um zwei flüssige Redox-Paare, die getrennt zirkulieren und in einer Zelle über eine Membran miteinander arbeiten. In den 1950er/60er-Jahren erfuhr die moderne Form der Flow-Batterie eine entscheidende Weiterentwicklung – in den USA, als Energiekrisen und Netzstabilität plötzlich sehr konkrete Themen wurden. Diese Phase gilt heute als Startpunkt intensiver Entwicklungsprogramme.

NASA als Treiber: Warum die Raumfahrtbehörde an Stromspeichern forschte
Bis heute wird die Machbarkeit einer Mondlandestation geprüft. Betrachtet man die Anforderungen an einen Batteriespeicher im Weltall, wird schnell klar, warum Redox-Flow-Batterien in den Augen der NASA die sinnvollste Technologie waren. Die Anforderungen waren eindeutig:

• Maximale Zuverlässigkeit
• Höchste Sicherheitsstandards: nicht brennbar, nicht explosiv
• Einfache Wartung und Diagnosefähigkeit
• Skalierbarkeit für verschiedene Anwendungen und Umgebungen

In den 1960er/70er-Jahren vertiefte die NASA (u. a. am Lewis Research Center, heute Glenn Research Center) die Forschungsarbeiten zu Redox-Flow-Zellen – teils in Kooperation mit dem US-Energieministerium (DOE).

Was die NASA dabei besonders umtrieb
Die NASA betrachtete Flow-Batterien nie als reine Chemieaufgabe, sondern als Systemtechnik: Chemie + Materialien + Engineering + Betriebskonzept. Das Projekt wurde auf technische und wirtschaftliche Machbarkeit geprüft; Eisen/Chrom-Redox-Paare wurden ausgewählt und intensiv weiterentwickelt. Dabei tauchten Fragen auf, die bis heute relevant sind:

• Membran-Thema: Wie verhindert man, dass sich die aktiven Spezies zu stark durchmischen (Crossover), was Kapazität kostet?
• Materialien: Welche Elektrodenmaterialien und Oberflächen funktionieren stabil über viele Zyklen?
• Systemtechnik: Pumpen, Dichtungen, Korrosion – alles, was ein chemisch aktives, zirkulierendes System im Alltag zuverlässig machen muss.
• Kosten und Skalierung: Tanks, Stack, Balance-of-Plant – was treibt die Gesamtkosten wirklich?

Das macht NASA-Arbeiten aus dieser Zeit so wertvoll: Sie romantisieren Flow-Batterien nicht, sondern betrachten sie nüchtern als Systemtechnik.

Demonstration statt nur Theorie
Die NASA blieb nicht bei Papier und Formeln. Im Rahmen des Entwicklungsprogramms entstanden konkrete Demonstrationsanlagen: Bereits 1979 betrieb das NASA Lewis Research Center gemeinsam mit dem DOE eine Eisen/Chrom-Redox-Flow-Anlage mit einer Kapazität von rund 13 kWh – eine für damalige Verhältnisse bemerkenswerte Demonstration. Diese Anlage lieferte nicht nur Strom, sondern vor allem Erkenntnisse über Membranverhalten, Elektrolytstabilität und Systemsteuerung, auf die Unternehmen noch heute zurückgreifen.

Der nächste grosse Schritt: Vanadium und der Durchbruch der 1980er
Parallel zur NASA-Forschung an Eisen/Chrom wurde ein anderer Forschungsstrang initiiert, der heute am weitesten verbreitet ist: die Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB). Der Grundgedanke ist elegant: Auf beiden Seiten der Batterie ist Vanadium, nur in unterschiedlichen Oxidationsstufen. Das reduziert das Kernproblem vieler Flow-Systeme – die Vermischung der Elektrolyten – erheblich.

Die Schlüsselfigur: Maria Skyllas-Kazacos präsentierte in den 1980er-Jahren die erste erfolgreiche All-Vanadium-Demonstration und reichte die entsprechenden Patente ein. Interessant: NASA-Forschende hatten VRFB-Ansätze in den 1970er-Jahren zwar in Betracht gezogen, aber noch keinen Durchbruch erzielt – den machte dann die australische Forschung.

Warum Flow-Batterien erst jetzt gross werden
Wenn das alles seit Jahrzehnten bekannt ist – warum sehen wir Flow-Batterien erst heute häufiger? Drei Gründe:

• Früher fehlte der starke Treiber  «Renewables» Grosse Speicher wurden zwar diskutiert, aber der wirtschaftliche Druck war zu klein. Heute sind erneuerbare Energien nicht mehr wegzudenken – und mit ihnen die Aufgabe, Energie langfristig zu speichern und bei Bedarf abzugeben.
• Material- und Systemkosten waren lange zu hoch. Tanks, Membranen, Stacks, Pumpen: Viele Komponenten mussten erst industriell reifen. Heute sind sie deutlich günstiger als noch in den frühen 2000er Jahren.
• Lithium-Ion hat vieles über Jahre dominiert. Für kurze bis mittlere Speicherzeiten und mobile Anwendungen ist Li-Ion kaum zu schlagen – und das zu tiefen Capex-Kosten. Doch für Langzeitspeicher im Netzmassstab stösst Li-Ion an seine Grenzen.

Genau da passen Redox-Flow-Systeme in die Diskussion – nicht als Ersatz für alles, sondern als sinnvolle Ergänzung im Mix.

Was wir aus der NASA-Perspektive heute noch lernen können
Das eigentlich Wertvolle an der NASA-Geschichte ist weniger ‘die eine perfekte Chemie’, sondern die Denkweise dahinter. Drei Prinzipien, die heute genauso gelten:

• System zuerst: Eine Batterie ist nicht nur eine Reaktion, sondern ein Gesamtsystem mit Betrieb, Wartung und Risiken.
• Sicherheit und Robustheit als harte Kriterien: Nicht nur maximale Energiedichte.
• Ehrliche Trade-offs: Membran-Crossover, Effizienz, Materialien, Kosten – alles hängt zusammen.

Und diese nüchterne Herangehensweise ist heute wieder gefragt, wenn Flow-Batterien von Pilotanlagen zu breitem Einsatz wachsen sollen.

Fazit
Von der NASA-Mondforschung zur Energieinfrastruktur von morgen – das ist die eigentliche Pointe dieser Geschichte. Die NASA trieb die Entwicklung der Eisen/Chrom-Redox-Flow-Batterie voran, untersuchte Machbarkeit und Grenzen und prägte eine systemorientierte Sicht, die bis heute trägt.

Mit dem späteren Vanadium-Durchbruch und dem heutigen Druck durch erneuerbare Energien erlebt die Technologie eine zweite, sehr praktische Renaissance. Aus Forschung, die einst von Raumfahrtdenken geprägt war, wird Schritt für Schritt Infrastruktur für den Alltag – am Stern von Laufenburg gerade am Entstehen.

Quellen:
https://spinoff.nasa.gov/Spinoff2008/er_2.html
https://www.nasa.gov/directorates/stmd/tech-transfer/spinoffs/giant-batteries-deliver-renewable-energy-when-its-needed/
https://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium_redox_battery
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0378775389800370
https://ntrs.nasa.gov/citations/19850004157
https://www.osti.gov/biblio/6472995