Energiewende Erneuerbare Energien: Auf dem Weg zu thermischen Großspeichern

Redakteur: Kristin Rinortner

Mit Hochtemperaturtechnologien werden elektrothermische Netzspeicher möglich, mit denen sich große Mengen Energie aus erneuerbaren Quellen puffern lassen. Im Verbundprojekt LIMELISA entwickeln die Partner die dafür notwendigen Grundlagen.

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Thermische Großspeicher: Im Forschungsprojekt LIMELISA am KIT werden Komponenten für thermische Großspeicher in einem Flüssigmetallkreislauf getestet.
Thermische Großspeicher: Im Forschungsprojekt LIMELISA am KIT werden Komponenten für thermische Großspeicher in einem Flüssigmetallkreislauf getestet.
(Bild: Karsten Litfin, KIT)

Windparks und Solaranlagen erzeugen in Deutschland jedes Jahr tausende Gigawattstunden Energie, die im Moment der Erzeugung nicht genutzt werden kann und abgeregelt wird. In anderen Momenten wiederum werden fehlende Kapazitäten mit Energie aus fossilen Quellen ersetzt.

Ein Teil der Lösung könnten große elektrothermische Speicher sein, die zur Netzstabilität beitragen. Die Grundidee besteht darin, Strom in Wärme zu wandeln, diese Wärme in vergleichsweise preiswerten Speichern zu puffern und bei Bedarf wieder in Elektrizität umzuwandeln.

An dieser Aufgabenstellung arbeiten im Verbundprojekt LIMELISA (Liquid Metal and Liquid Salt Heat Storage System) das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit dem Industriepartner KSB. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert die Forschung mit 3,8 Millionen Euro.

„Durch Verwendung von Medien wie Salzschmelzen und flüssigen Metallen als Speicher- und Wärmetransportmedien können sehr hohe Temperaturen erreicht werden“, sagt Professor Thomas Wetzel, der am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) sowie am Institut für Thermische Verfahrenstechnik des KIT forscht. „Das erschließt neue Einsatzfelder für thermische Speicher in der Industrie und schafft ökologisch und ökonomisch nachhaltige Optionen für den klimafreundlichen Umbau der Energieversorgung.“

Wärmespeicher der nächsten Generation: Flüssigmetall

Wärmespeicher im industriellen Maßstab kommen bereits heute zum Einsatz: In der konzentrierenden Solarthermie wird Wärme in Salzschmelzen gespeichert und in Dampfkraftwerken in Strom umgewandelt. Im Verbundprojekt LIMELISA unterstützen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT nun die Entwicklung thermischer Speicher der nächsten Generation, die speziell für den Strom-Wärme-Strom-Prozess ausgelegt werden.

Vorversuch für elektrothermische Speicher: Ein Speicher mit Schüttgut und Flüssigmetall als Wärmeträgerfluid.
Vorversuch für elektrothermische Speicher: Ein Speicher mit Schüttgut und Flüssigmetall als Wärmeträgerfluid.
(Bild: Franziska Müller-Trefzer, KIT)

Sie konzentrieren sich dabei auf Flüssigmetalltechnologien, während am DLR mit Salzschmelzen gearbeitet wird. Koordiniert und ergänzt wird die Forschung vom Industriepartner KSB, einem international agierenden Hersteller von Pumpen und Armaturen, der schon seit den 1960er-Jahren Erfahrungen mit Flüssigmetallkreisläufen gesammelt hat.

Werkstoffe und Komponenten für hocheffiziente Energiespeicher

Konventionelle elektrothermische Speichersysteme arbeiten beispielsweise auf Basis von Nitratsalz. Sie können unter anderem aufgrund der verwendeten Werkstoffe und Komponenten wie Pumpen und Ventile aber bislang nur bei Temperaturen von bis zu maximal 560°C betrieben werden.

„Für die Rückverstromung mit konventionellen Dampfkraftwerken sind deutlich höhere Temperaturen notwendig“, sagt Projektleiterin Dr. Klarissa Niedermeier vom ITES. „Am KIT werden wir Schlüsselkomponenten in einem bis zu 700°C heißen Bleikreislauf testen.“

Der direkte Kontakt mit dem Flüssigmetall macht dabei spezielle Werkstoffe notwendig, die ebenfalls am KIT entwickelt und getestet werden. Am Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik arbeitet Dr. Alfons Weisenburger an diesen speziellen Stahlmischungen. „Konventionelle Methoden für den Korrosionsschutz reichen bei solchen Temperaturen nicht mehr aus“, erklärt er. „Wir nutzen unter anderem Aluminiumoxid als eine Art Schutzschild, um Pumpen und Armaturen zu schützen.“

Thermische Energiespeicher auf Flüssigmetallbasis

Energiespeicher sind die Schlüsseltechnologie für die Energiewende, da sie in der Lage sind die Schwankungen in der Bereitstellung aus erneuerbaren Energien auszugleichen sowie eine bedarfsgerechte Energieversorgung zu gewährleisten. In konzentrierenden Solarkraftwerken beispielsweise wird Sonnenenergie in Wärmeenergie umgewandelt, welche dann in thermischen Energiespeichern gespeichert werden und später bei Bedarf in einem Dampfkraftprozess zur Erzeugung von Strom verwendet werden kann. Die Nutzung von Flüssigmetallen ermöglicht die Wärmespeicherung bei Temperaturen jenseits 600° C, wodurch diese auch für industrielle Hochtemperaturprozesse einsetzbar sind. Am KALLA (KArlsruhe Liquid metal Laboratory) wird in einem Pilotversuch das zyklische Verhalten eines Schichtenspeichers mit Blei-Wismut und integrierter Schüttung untersucht.

Energiespeicher: Vielseitige Einsatzmöglichkeiten auch in der Industrie

Ein großer Vorteil von thermischen Speicherlösungen sind ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten, auch bei der Sektorenkopplung. Neben dem im Projekt LIMELISA verfolgten Strom-Wärme-Strom-Prozess können die dabei entwickelten Technologien auch dazu verwendet werden, Wärmenetze mit erneuerbarem Strom zu versorgen. In der Industrie wiederum können sie effizient Hochtemperatur-Prozesswärme liefern, wie sie in der Chemie- und Baustoffindustrie oder bei der Metallverarbeitung benötigt wird.

„Aktuell wird dieser Hochtemperatur-Wärmebedarf überwiegend mit fossilen Energieträgern gedeckt“, sagt Dr. Walter Tromm, der Leiter des ITES. „Hochtemperatur-Wärmespeicher wären hier eine elegante Option, die zugleich die Nutzung regenerativer Energie für industrielle Schlüsselprozesse erschließt und das Problem der fluktuierenden Verfügbarkeit regenerativer Energiequellen löst“.

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