Erneuerbare Energiequellen: Auf dem Weg zu großen Wärmespeichersystemen

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Im Rahmen des LIMELISA-Projekts des KIT werden Komponenten für große Wärmespeichersysteme in einem Flüssigmetallkreislauf getestet. Bildnachweis: Karsten Litfin, KIT

Hochtemperaturtechnologien ermöglichen elektrothermische Speichersysteme für große Energiemengen aus erneuerbaren Quellen. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Industriepartner KSB haben jetzt das LIMELISA-Projekt gestartet, um die notwendigen Grundlagen zu entwickeln. Die Forschung wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit 3,8 Mio. EUR finanziert.

Windparks und Solaranlagen in Deutschland produzieren jedes Jahr Tausende von Gigawattstunden Strom, die nicht direkt genutzt werden können und daher ungenutzt bleiben. Zu anderen Zeiten werden fehlende Kapazitäten durch Energie aus fossilen Quellen ausgeglichen. Elektrothermische Speichersysteme in großem Maßstab können dieses Problem lösen und zusätzlich die Netzstabilität verbessern. Die Idee ist, Strom in Wärme umzuwandeln, diese Wärme in vergleichsweise kostengünstigen Speichersystemen zu puffern und gegebenenfalls in Strom umzuwandeln. “Bei der Verwendung von Medien wie Salzschmelzen und flüssigen Metallen zur Speicherung und Wärmeübertragung können sehr hohe Temperaturen erreicht werden”, sagt Professor Thomas Wetzel, der am Institut für Wärmeenergietechnologie und -sicherheit (ITES) und am Institut für Wärmeenergie (ITES) des KIT forscht Thermische Verfahrenstechnik. “Dies eröffnet neue Anwendungen für Wärmespeichersysteme in der Industrie und schafft ökologisch und ökonomisch nachhaltige Optionen für die klimafreundliche Umgestaltung der Energieversorgung.”

Wärmespeichersysteme werden bereits im industriellen Maßstab eingesetzt. Solarthermische Konzentrationsanlagen speichern Wärme in Salzschmelzen. Dampfkraftwerke wandeln die Wärme in Strom um. Im Rahmen des Projekts LIMELISA (steht für Liquid Metal und Liquid Salt Heat Storage System) unterstützen Wissenschaftler des KIT die Entwicklung von Wärmespeichersystemen der nächsten Generation, die speziell für den Power-Heat-Power-Prozess entwickelt wurden. Die Arbeit konzentriert sich auf Flüssigmetalltechnologien, während sich das DLR auf Salzschmelzen konzentriert. Die Forschung wird von KSB koordiniert und ergänzt, einem international tätigen Hersteller von Pumpen und Armaturen, der in den 1960er Jahren mit Flüssigmetallkreisläufen begann.

Materialien und Komponenten für hocheffiziente Energiespeichersysteme

Herkömmliche elektrothermische Speichersysteme werden beispielsweise auf der Basis von Nitrat-Salz betrieben. Aufgrund der verwendeten Materialien und Komponenten (Pumpen, Ventile) wurden sie bisher jedoch nur bei Temperaturen von bis zu 560 ° C betrieben. “Für die Umwandlung von Wärme in Strom durch konventionelle Dampfkraftwerke sind viel höhere Temperaturen erforderlich”, sagt Projektleiterin Dr. Klarissa Niedermeier, ITES. “Am KIT werden wir Schlüsselkomponenten in einem Vorlaufzyklus von bis zu 700 ° C testen.” Aufgrund des direkten Kontakts mit dem flüssigen Metall sind spezielle Materialien erforderlich, die ebenfalls am KIT entwickelt und getestet werden. Am Institut für gepulste Leistung und Mikrowellentechnologie untersucht Dr. Alfons Weisenburger diese speziellen Stahlmischungen. “Herkömmliche Korrosionsschutzmethoden reichen bei solchen Temperaturen nicht mehr aus”, erklärt er. “Unter anderem verwenden wir Aluminiumoxid als eine Art Abschirmung zum Schutz von Pumpen und Armaturen.”

Verschiedene Anwendungen in der Industrie

Wärmespeichersysteme können in vielen Bereichen eingesetzt werden, einschließlich der Sektorkopplung. Neben dem von LIMELISA untersuchten Power-Heat-Power-Prozess können mit den entwickelten Technologien auch Wärmenetze mit erneuerbarer Energie versorgt werden. Solche Technologien können die von der chemischen Industrie oder der Bauindustrie oder für die Metallverarbeitung benötigte Hochtemperatur-Prozesswärme effizient liefern. “Derzeit wird dieser Hochtemperatur-Wärmebedarf hauptsächlich durch fossile Energiequellen gedeckt”, sagt Dr. Walter Tromm, Leiter ITES. “Hochtemperatur-Wärmespeichersysteme wären eine elegante Option, um regenerative Energie für wichtige industrielle Prozesse zu nutzen und das Problem der flüchtigen Verfügbarkeit regenerativer Energiequellen zu lösen.”

Hochtemperaturtechnologien ermöglichen elektrothermische Speichersysteme für große Energiemengen aus erneuerbaren Quellen. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Industriepartner KSB haben jetzt das LIMELISA-Projekt gestartet, um die notwendigen Grundlagen zu entwickeln. Die Forschung wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit 3,8 Mio. EUR finanziert.

Windparks und Solaranlagen in Deutschland produzieren jedes Jahr Tausende von Gigawattstunden Strom, die nicht direkt genutzt werden können und daher ungenutzt bleiben. Zu anderen Zeiten werden fehlende Kapazitäten durch Energie aus fossilen Quellen ausgeglichen. Elektrothermische Speichersysteme in großem Maßstab können dieses Problem lösen und zusätzlich die Netzstabilität verbessern. Die Idee ist, Strom in Wärme umzuwandeln, diese Wärme in vergleichsweise kostengünstigen Speichersystemen zu puffern und gegebenenfalls in Strom umzuwandeln. “Bei der Verwendung von Medien wie Salzschmelzen und flüssigen Metallen zur Speicherung und Wärmeübertragung können sehr hohe Temperaturen erreicht werden”, sagt Professor Thomas Wetzel, der am Institut für Wärmeenergietechnologie und -sicherheit (ITES) und am Institut für Wärmeenergie (ITES) des KIT forscht Thermische Verfahrenstechnik. “Dies eröffnet neue Anwendungen für Wärmespeichersysteme in der Industrie und schafft ökologisch und ökonomisch nachhaltige Optionen für die klimafreundliche Umgestaltung der Energieversorgung.”

Wärmespeichersysteme werden bereits im industriellen Maßstab eingesetzt. Solarthermische Konzentrationsanlagen speichern Wärme in Salzschmelzen. Dampfkraftwerke wandeln die Wärme in Strom um. Im Rahmen des Projekts LIMELISA (steht für Liquid Metal und Liquid Salt Heat Storage System) unterstützen Wissenschaftler des KIT die Entwicklung von Wärmespeichersystemen der nächsten Generation, die speziell für den Power-Heat-Power-Prozess entwickelt wurden. Die Arbeit konzentriert sich auf Flüssigmetalltechnologien, während sich das DLR auf Salzschmelzen konzentriert. Die Forschung wird von KSB koordiniert und ergänzt, einem international tätigen Hersteller von Pumpen und Armaturen, der in den 1960er Jahren mit Flüssigmetallkreisläufen begann.

Materialien und Komponenten für hocheffiziente Energiespeichersysteme

Herkömmliche elektrothermische Speichersysteme werden beispielsweise auf der Basis von Nitrat-Salz betrieben. Aufgrund der verwendeten Materialien und Komponenten (Pumpen, Ventile) wurden sie bisher jedoch nur bei Temperaturen von bis zu 560 ° C betrieben. “Für die Umwandlung von Wärme in Strom durch konventionelle Dampfkraftwerke sind viel höhere Temperaturen erforderlich”, sagt Projektleiterin Dr. Klarissa Niedermeier, ITES. “Am KIT werden wir Schlüsselkomponenten in einem Vorlaufzyklus von bis zu 700 ° C testen.” Aufgrund des direkten Kontakts mit dem flüssigen Metall sind spezielle Materialien erforderlich, die ebenfalls am KIT entwickelt und getestet werden. Am Institut für gepulste Leistung und Mikrowellentechnologie untersucht Dr. Alfons Weisenburger diese speziellen Stahlmischungen. “Herkömmliche Korrosionsschutzmethoden reichen bei solchen Temperaturen nicht mehr aus”, erklärt er. “Unter anderem verwenden wir Aluminiumoxid als eine Art Abschirmung zum Schutz von Pumpen und Armaturen.”

Verschiedene Anwendungen in der Industrie

Wärmespeichersysteme können in vielen Bereichen eingesetzt werden, einschließlich der Sektorkopplung. Neben dem von LIMELISA untersuchten Power-Heat-Power-Prozess können mit den entwickelten Technologien auch Wärmenetze mit erneuerbarer Energie versorgt werden. Solche Technologien können die von der chemischen Industrie oder der Bauindustrie oder für die Metallverarbeitung benötigte Hochtemperatur-Prozesswärme effizient liefern. “Derzeit wird dieser Hochtemperatur-Wärmebedarf hauptsächlich durch fossile Energiequellen gedeckt”, sagt Dr. Walter Tromm, Leiter ITES. “Hochtemperatur-Wärmespeichersysteme wären eine elegante Option, um regenerative Energie für wichtige industrielle Prozesse zu nutzen und das Problem der flüchtigen Verfügbarkeit regenerativer Energiequellen zu lösen.”

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