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Stromspeicher: Carnot-Batterie als Energiespeicher der Zukunft

Stromspeicher
Carnot-Batterie als Energiespeicher der Zukunft

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Die Carnot-Batterie als Energiespeicher der Zukunft: Ein Hochtemperaturspeicher wandelt Strom in Wärme und Speichermedien wie Flüssigsalz, Steine oder Flüssigmetalle speichern diese fast verlustfrei. Bei Bedarf kann die Energie per Dampfkraftprozess in Strom zurückverwandelt werden. Grafik: DLR Stuttgart
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Ein Forscherteam am DLR entwickelt an den Standorten Stuttgart und Köln die sogenannte Carnot-Batterie. Diese kann fast verlustfrei elektrische Energie speichern – und hat damit das Potenzial zum Energiespeicher der Zukunft.

Eckart Granitza
freier Wissenschaftsjournalist aus Berlin

Speicher und Trägersysteme für große Energiemengen sind das größte Problem auf dem Weg in ein CO2-neutrales Energiesystem. Denn wenn der Wind heftig weht, oder die Sonne kräftig scheint, aber kaum jemand Strom verbraucht, entsteht ein Problem: Der Strom muss zu Niedrigstpreisen verramscht werden oder ganze Wind- oder Solarparks müssen vorübergehend stillgelegt werden. Zwar ist die Speicherung von elektrischer Energie im Gigawattstunden-Maßstab mit Pumpspeicher-Kraftwerken und Batteriespeichern prinzipiell bereits heute möglich, allerdings können in Deutschland aus topographischen Gründen kaum weitere Pumpspeicher-Kraftwerke gebaut werden. Energiespeicher in dieser Größenordnung sind wiederum schlicht zu teuer und nicht langlebig genug.

„Die ganze Welt braucht zuverlässige Energiespeicher-Methoden“

„In einem strombasierten Energiesystem brauchen wir – und nicht nur wir sondern die ganze Welt – zuverlässige Speichermethoden. Vor allem für die sehr unregelmäßig produzierenden alternativen Energien wie Wind und Sonne“, meint André Thess, Chef des Instituts für Technische Thermodynamik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Thess und seine Kollegen forschen beim DLR in Stuttgart und in Köln an der Entwicklung flexibler und nahezu verlustfrei arbeitender Energiespeicher – sogenannter Carnot-Batterien.

Vereinfacht formuliert sind Carnot-Batterien große Wärmespeicher bei denen Strom auf der einen Seite rein und Strom, wenn er gebraucht wird, am anderen Ende wieder raus kommt. Strom, beispielsweise von Windgeneratoren erzeugt, wird dabei von Hochtemperatur-Wärmepumpen in Wärme umgewandelt. Ein Speichermedium wie Flüssigsalz, Steine oder seit neuestem auch Flüssigmetalle hält die Wärme fest und bei Bedarf wird sie per Dampfkraftprozess in Strom zurückverwandelt. „So können wir nicht nur nahezu verlustfrei elektrische Energie speichern, sondern können sie sogar noch zusätzlich als Hochtemperaturwärme für Industrieprozesse oder als Kälte für die Kühlung von Rechenzentren nutzen“, erklärt Thess.

DLR forscht in Köln und Stuttgart an zukunftsträchtiger Carnot-Batterie

Das Herzstück einer solchen Carnot-Batterie – ein Hochtemperatur-Wärmespeicher- gibt es in Stuttgart und Köln schon. Dort erproben die Wissenschaftler unterschiedliche Speicherkonzepte, Betriebsweisen und Speichermaterialien wie etwa Salze, Gesteine oder Keramik. Die durch aufwendige Computersimulationen optimierten Wärmeübertrager-Strukturen sind ein Schlüsselelement der künftigen Carnot-Batterien. Durch Rohrsysteme mit Radialrippen aus Graphit oder Aluminium übertragen sie die thermische Energie von einer Gas- oder Dampfströmung auf die jeweiligen Speichermaterialien.

„Nur wenn ihre Formgebung und ihre Größe auf den Millimeter stimmen – ähnlich wie die Profile von Tragflügeln bei Flugzeugen – gelingt eine verlustarme und effektive Wärmeübertragung“, erklärt der Abteilungsleiter der Thermischen Prozesstechnik, Dr. Dan Bauer. Sein Team forscht in Stuttgart und Köln an der für eine Carnot-Batterie geeignetsten Speicherart – einem sogenannten aktiven Latentwärmespeicher. „Ein Latentwärmespeicher kann die ihm zugeführte thermische Energie in Form von latenter – also „versteckter“ Wärme – durch einen Phasenwechsel von fest zu flüssig speichern“, erläutert Bauer. „Das ist besonders effizient, weil dabei keine Temperaturänderung – also auch kein Temperaturverlust – auftritt. Zukünftige Carnot-Batterien könnten damit sehr hohe Wirkungsgrade erreichen.“ Als Speichermedium werden Salze wie Natriumnitrat oder Kaliumnitrat eingesetzt.

Latentwärmespeicher nehmen viel Wärme auf und speichern diese nahezu verlustfrei

Der Vorteil von Latentwärmespeicher gegenüber anderen Speichern – wie beispielsweise dem Warmwasserspeicher – besteht darin, dass sie bei sehr geringer Temperaturdifferenz eine relativ große Wärmemenge pro Speichervolumen aufnehmen und die Energie über einen langen Zeitraum verlustarm speichern können. Die gespeicherte Wärme wird erst beim Erstarren des Speichermediums wieder abgegeben. Die spätere Wärmeabgabe erfolgt dann auf dem ursprünglichen Temperaturniveau.

Allerdings: Noch existieren keine Hochtemperatur-Wärmepumpen mit denen man Strom in Hochtemperaturwärme über 200° C umwandeln kann. Außerdem müssen die Komponenten Wärmepumpe/Wärmespeicher/Wärmekraftmaschine aufeinander abgestimmt werden. „Wenn Sie ein altes Telefon mit einem Fotoapparat zusammenkleben, haben Sie noch lange kein Smartphone. Und die Carnot-Batterie ist so etwas wie das Smartphone der Energiespeicherung“, sagt Thess. Deswegen wollen er und seine Kollegen auch zu denen gehören die dieses „Smartphone der Energiespeicherung“ als erstes entwickeln.

KIT ergänzt Forschungen um Verhalten von Speicherfluiden

Das Verhalten von Flüssigmetallen als Speichermedium erforscht Thomas Wetzel, Professor für Wärme- und Stoffübertragung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Er will herausfinden, ob diese flüssigen Metalle später auch für Carnot-Batterien eingesetzt werden können. Als Versuchsfluide werden Blei, Blei-Wismut, Natrium und Indium-Gallium-Zinn eingesetzt „Schon jetzt können wir sagen, dass flüssige Metalle hervorragende Wärmetransporteigenschaften haben und bei sehr hohen Temperaturen einsetzbar sind“, fasst Wetzel die bisherigen Forschungsergebnisse zusammen.

Zwar kann Wetzel seine Flüssigmetalle noch nicht in einer Carnot-Batterie einsetzen, aber als Trägermedien für große Solarkraftwerke werden sie in Karlsruhe schon getestet. Dabei zeigte sich, dass Flüssigmetalle eine viel höhere Effizienz erreichen können als die bis jetzt üblichen thermischen Öle oder Salze. Während Öle nur Temperaturen bis etwa 200° C und übliche kommerzielle Salze bis etwa 560° C chemisch stabil bleiben, schaffen Flüssigmetalle bis zu 700° C und könnten perspektivisch sogar noch höhere Temperaturen erreichen. Diese Steigerung der Effizienz ist vor allem für Regionen mit viel Sonne wie Südeuropa, Afrika, Asien die südlichen Teile der USA und Südamerika interessant. Vor allem die Drittweltländer müssten, sollen die Weltklimaziele erreicht werden, ohnehin das fossile Zeitalter überspringen und mit alternativen Energien Strom produzieren.

Pilotprojekt für Solarofen am KIT

Als Pilotprojekt hat Wetzels Karlsruher Team einen Solarofen aufgebaut, in dem der Wärmetransport mit den erhitzen Flüssigmetallen getestet wird. Dabei wird die einfallende Sonnenstrahlung punktuell konzentriert und so ein Wärmeträgermedium, wie eben flüssiges Metall, erhitzt. „Durch Kombination der hervorragenden Wärmetransporteigenschaften der Metalle mit preiswerten Speichermaterialien wie Salzen oder Quartzit-Kies können entsprechende Kraftwerke so mehr als 20 % kostengünstiger als bis jetzt Strom produzieren“, sagt Wetzel.

Ist die erste Carnot-Batterie erst mal gebaut, wollen die Forscher nicht kleckern sondern klotzen. Ihre Idee: Kohlekraftwerke ließen sich – bei Weiterverwendung der vorhandenen Turbinen, Generatoren und Netzanbindung – in riesige thermische Energiespeicherkraftwerke umrüsten. Auch hier könnten Flüssigmetalle oder Flüssigsalze die entscheidende Rolle spielen.

Zukunftsvision: Kohlekraftwerke in Energiespeicher umrüsten

In der Testanlage Tesis vom DLR in Köln-Porz untersuchen Projektleiter Thomas Bauer und sein Team wie solche Flüssigsalzspeicher noch effizienter und kostengünstiger konstruiert werden können. „Bisherige Anlagen arbeiten mit zwei großen wärmegedämmten Stahltanks. Bei Energiebedarf wird die Salzschmelze aus dem heißeren Tank genutzt und anschließend in den kälteren gepumpt. Bei Energieüberschuss wird Schmelze aus dem kalten Speicher aufgeheizt und zurück in den heißen Tank geleitet. Bei diesem Prinzip ist nur ein Tank mit Flüssigsalz befüllt und der andere Tank leer beziehungsweise mit Gas befüllt“, erklärt Bauer.

„Wir arbeiten in unserer Testanlage aber nur noch mit einem Tank, da wir eine Temperaturschichtung nutzen – oben heiß und unten kalt. So können wir beim Eintankspeicher quasi ohne Gasvolumen auskommen“, verdeutlicht Bauer. Das bietet das Potenzial, die Kapitalkosten des Speichers im zweistelligen Prozentbereich zu reduzieren. Wann die ersten Wärmespeicherkraftwerke tatsächlich ans Netz gehen werden ist derzeit noch unklar. Klar ist für die Forscher um Thess und Wetzel stattdessen, dass die Carnot-Batterie die einzig wirkliche Zukunftsalternative für die Energiespeicherung im großen Maßstab ist.

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