Die Technische Universität Ilmenau und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwerfen einen neuen Energiespeicher zur Integration von Ökostromanalgen in das künftige Energieversorgungssystem. Dabei handelt es sich um eine sogenannten Carnot-Batterien. Diese speichert nicht direkt verbrauchten Strom aus Solar- und Windkraftanlagen in Form von Wärme zwischen.
Große Mengen Ökostrom speichern
Dazu wird der überschüssige Ökostrom in der Regel mittels eines Elektroheizstabs zur Erwärmung von Wasser genutzt. Im Forschungsprojekt werden Hochtemperaturwärmepumpen dafür genutzt. Dieses heiße Wasser wird zwischengespeichert – entweder in Wasser oder geschmolzenem Salz als Speichermedium. Meist in einem Dampfprozess mittels einer Turbine wird die Wärme wieder in Strom umgewandelt, wenn dieser gebraucht wird. Diese Form der Speicher gelten als Alternative zur Lithiumionen-Technologie, um kostengünstig Ökostrom im großen Maßstab zwischenzulagern. Im Blick sind hier auch Gigawattstunden, die gespeichert werden können, um so den Strom für eine große Stadt jederzeit zur Verfügung zu haben.
Bestehende Infrastruktur nutzen
Das Fachgebiet Technische Thermodynamik der TU Ilmenau erforscht im Verbundprojekt mit zwölf weiteren Partnern, wie die Effizienz des thermischen Energiespeichers gesteigert werden kann „Wärmespeicher sind die Schlüsseltechnologie für Speichersysteme der Zukunft“, ist sich Christian Cierpka, Leiter des Fachgebiets Technische Thermodynamik an der TU Ilmenau, sicher. „Sie sichern eine dauerhafte Stromversorgung und nutzen dabei die bestehende Infrastruktur, zum Beispiel Dampfkraftwerke. Mit neuen Wärmespeichern kommen wir näher an die gesteckten Klimaschutzziele heran – und das bei moderaten Kosten“, betont Cierpka.
Strom bei 300 Grad zwischenlagern
Auf seinen Forschungen über Strömungen in den Speichern basiert die jetzige Weiterentwicklung. Diese Strömungen beeinflussen die Leistung des Wärmespeichers negativ beeinflussen und senken die Effizienz. Es gilt sie zu vermeiden. Ziel der jetzigen Weiterentwicklung ist es, sogenannte thermische Schichtenspeicher, in denen flüssiges Salz bei Temperaturen von rund 300 Grad Celsius als Speichermedium dient, wissenschaftlich zu beschreiben.
Daraus wollen die Forscher:innen dann Designregeln für zukunftsfähige Energiesysteme ableiten. Zur Messung von Geschwindigkeit und Temperatur in diesen Salzen werden dazu erstmals neuartige Lasertechnologien eingesetzt.
Hohe Wärmekapazität nutzen
Diese Forschungen sind zentral für die Weiterentwicklung von Carnot-Batterien. Schließlich ist dieser Speicher eine der Schlüsselkomponenten von Carnot-Batterien. Als Speichermedium verwenden die Entwickler untersuchen dabei Wasser und geschmolzenes Salz. Diese beiden Speichermedien haben nicht nur eine hohe Wärmekapazität. Das bedeutet, bezogen auf ihre Masse können sie viel Energie aufnehmen. Sie sind zudem umweltverträglich und kostengünstig.
Optimale Carnot-Batterie entwickeln
Obwohl das Funktionsprinzip von Carnot-Batterien schon lange bekannt ist, gibt es bisher kaum verlässliche Daten zu den Wirkungsgraden bei der Energiespeicherung, zu Kosten oder gar zum konkreten Anwendungspotenzial solcher Batterien in Energiemärkten, begründen die Forscher die Notwendigkeit ihrer Entwicklung. Sie wollen eine optimale Carnot-Batterie für künftige Energiesysteme entwerfen.
Vom Markt ausgehend forschen
Dabei gehen sie einen anderen Weg als die bisherigen Forschungsprojekte im Energiesystem. Denn diese haben immer ausgehend von bekannten Bauteilen und Energiekreisläufen die Wirkungsgrade bestimmt und danach für ein bestimmtes Einsatzfeld optimiert. Das Carnot-Batterie-Projekt geht den umgekehrten Weg: Ausgehend von den Anforderungen des Marktes werden die Komponenten wie Maschinen, Speicher und Fluide entsprechend optimiert. (su)
