Nitratsalz-Speicher: Carnot-Batterien als Mittel gegen die Dunkelflaute

Der Begriff „Dunkelflaute“ ist unmittelbar mit der Energiewende verknüpft. Denn auch dann, wenn für einen begrenzten Zeitraum keine Sonnen- und Windenergie zur Verfügung steht, muss Energie bereitgehalten werden, um den aktuellen Strombedarf zu decken. Dafür sind Speichermöglichkeiten nötig. Eine solche Speichermöglichkeit ist die sogenannte Carnot-Batterie, die überflüssigen Strom in Nitratsalzen speichert. Durch Schmelzen und Kristallisieren wird die Energie in Form von Wärme aufgenommen und wieder abgegeben. Forscher:innen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt testen derzeit, wie gut solche Batterien funktionieren und welche Bauteile für sie besonders geeignet sind.

Carnot-Batterie: Wärmespeicherung in geschmolzenen Kristallen

Wind- und Solarenergie sind wichtige Säulen der Energiewende. Allerdings schwankt ihre Erzeugung deutlich, weshalb es eine der zentralen Herausforderungen ist, das Stromnetz auch dann stabil zu halten, wenn ein Großteil des Strommixes aus den erneuerbaren Energien stammt. Ein wichtiges Element dafür sind Energiespeicher, die den überschüssigen Strom aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben können. Solche Speicher können etwa in Form von Pumpspeichern, durch Großbatterien oder aber durch Wärmespeicher realisiert werden.

Die sogenannte Carnot-Batterie ist eine Art dieser wärmebasierten Energiespeicher. Über eine elektrische Wärmepumpe wird der überschüssige Strom in Wärme umgewandelt, die dann genutzt wird, um ein kristallines Speichermedium zum Schmelzen zu bringen. Wenn die Energie wieder benötigt wird, wird das Material wieder herabgekühlt. Die dabei abgegebene Kristallisationswärme wird dann zur Stromgewinnung verwendet. Eine große Carnot-Batterie kann bis zu tausend Megawattstunden elektrische Energie speichern und so auch größere Städte stabil mit Energie versorgen.

„Carnot-Batterien haben das Potenzial, ein wichtiger Baustein für die Energiewende zu werden. Denn solche Wärmespeicher lassen sich gezielt in die Netze und Energiesysteme von morgen einbinden, um die zeitlich und örtlich schwankende Stromgewinnung aus Sonnen- und Windenergie auszugleichen sowie Lastspitzen abzudecken„, erläutert André Thess vom DLR-Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart. Hinzu kommt, dass die in den Batterien verwendeten Materialien umweltfreundlicher sind als die in konventionellen Batterien.

Doppelt so viel Kapazität wie herkömmliche Wärmespeicher

Das Team des DLR hat im Rahmen eines europäischen Projekts getestet, wie gut die Carnot-Batterien in der Praxis funktionieren. Zu diesem Zweck wurde in Stuttgart eine Carnot-Batterie konstruiert und in Betrieb genommen, die auf einem Latentwärmespeicher aus zwei Kubikmetern Nitratsalz besteht. Für die Wärmeerzeugung wird eine Hochtemperatur-Wärmepumpe genutzt, mit der das Salz auf 150 Grad erhitzt wird.

„Ein Teil der zugeführten Heizwärme steckt scheinbar verborgen, also latent, im Lösen der Bindungen der Salzkristalle„, so DLR-Projektleiterin Maike Johnson. So können Latentwärmespeicher abhängig vom Salz bis zu doppelt so viel Energie aufnehmen wie Wärmespeicher ohne schmelzendes Medium. Wenn der Kreislauf entladen werden soll, wird die Wärme von einer Wärmekraftmaschine wieder zurück in Strom umgewandelt, der dann wieder ins Netz eingespeist werden kann. Carnot-Batterien können Energien einige Stunden bis einige Tage lang speichern.

Carnot-Batterie auf dem Prüfstand

„Wir arbeiten daran die Technologie so zu optimieren, dass sie industriell und praxisgerecht einsetzbar wird. Für einen stabilen Wärmeübertrag zwischen Wärmepumpe und Speicher und dann zur Wärmekraftmaschine müssen alle Komponenten zeitlich und mit der passenden Leistung zusammenspielen. Welche Mengen an Kühlmittel sind nötig? Wie schnell lässt sich das Salz aufheizen und abkühlen? Welche Leistung können wir aus dem Speicher herausholen?„, erklärt Johnson.

Die Forscher:innen nutzten ihre Testanlage, um alle Komponenten der Batterie sowie die in ihr stattfindenden Vorgänge einzeln zu testen. Der Clou an der Anlage: Als Wärmeübertrager fungieren speziell entworfene Rohre mit zwei Kanälen für Kältemittel: Ein Kanal zum Aufladen, der andere zum Entladen des Wärmespeichers. So können unterschiedliche Kältemittel verwendet werden, um die unterschiedlichen Prozessteile miteinander zu verbinden. Dank des rippenartigen Querschnitts der Wärmeübertrager wird die Energie so effizient wie möglich zwischen den Dampfkreisläufen und dem Salz übertragen. Aktuell werden an der Pilotanlage verschiedene Wärmeflüsse, Lastszenarien und Temperaturverläufe erprobt. Ziel ist, die Systemgrenzen in Erfahrung zu bringen.

Vor allem auch für die Industrie interessant

„Carnot-Batterien haben das Potenzial für einen flächendeckenden Einsatz in einer nachhaltigen Energiewirtschaft. Wir erwarten, dass industriefähige Systeme in rund zehn Jahren am Markt verfügbar sind. Diese sind dann für längere Speicherzeiten und Leistungen von mehreren Megawatt ausgelegt„, erläutert Andrea Gutierrez vom DLR-Institut für Technische Thermodynamik.

Die Carnot-Batterien können gleichzeitig Strom und Wärme liefern, sodass sie auch mit anderen Energiesystemen gekoppelt werden können. Diese Tatsache macht sie besonders für den Einsatz im industriellen Kontext geeignet.

via Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt