Mehr Stabilität im Stromnetz 31.05.2021, 11:29 Uhr

KIT und DLR: Verbundprojekt zu thermischen Großspeichern

Erneuerbare Energien sind seit langem auf dem Vormarsch, die durch die Kraft von Wind und Sonne generierten Strommengen steigen. Eine Frage ist in diesem Kontext jedoch weiterhin offen: Kann es alleine mit grünem Strom gelingen eine kontinuierliche Netzstabilität zu erreichen? Eine Antwort könnte jetzt aus Karlsruhe kommen.

Auf dem Weg zu neuen elektrothermischen Speichern: Ein Speicher mit Schüttgut und Flüssigmetall als Wärmeträgerfluid. Foto:Franziska Müller-Trefzer, KIT

Auf dem Weg zu neuen elektrothermischen Speichern: Ein Speicher mit Schüttgut und Flüssigmetall als Wärmeträgerfluid.

Foto:Franziska Müller-Trefzer, KIT

Windparks und Solaranlagen erzeugen in Deutschland jedes Jahr tausende Gigawattstunden Strom, der im Moment der Erzeugung nicht genutzt werden kann, weil der Bedarf nicht vorhanden ist. Anderseits gibt es immer wieder Zeitfenster, in denen fehlende Kapazitäten mit Energie aus fossilen Energiequellen ersetzt werden. Große elektrothermische Speicher könnten helfen dieses Problem zu lösen. Im Verbundprojekt LIMELISA (Liquid Metal and Liquid Salt Heat Storage System) forschen das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit dem Industriepartner KSB zu den dafür notwendigen Grundlagen. Die Kernidee: Erneuerbar erzeugter Strom wird in Wärme gewandelt und vorübergehend in vergleichsweise preiswerten Speichern gepuffert. Steigt der Bedarf im Netz, wird die Wärme wieder in Elektrizität gewandelt und in den Verbrauchskreislauf eingespeist.

Die nächste Generation: Flüssigmetall und Salzschmelzen als Grundlage thermischer Speicher

Bereits heute kommen vergleichbare Wärmespeicher im industriellen Maßstab zum Einsatz: In der konzentrierenden Solarthermie wird Wärme in Salzschmelzen gespeichert und in Dampfkraftwerken in Strom umgewandelt. Im Verbundprojekt von KIT und DLR will man darauf aufbauen und thermische Speicher entwickeln, die speziell für den Strom-Wärme-Strom-Prozess ausgelegt sind. „Durch Verwendung von Medien wie Salzschmelzen und flüssigen Metallen als Speicher- und Wärmetransportmedien können sehr hohe Temperaturen erreicht werden“, erläutert Professor Thomas Wetzel, der am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) sowie am Institut für Thermische Verfahrenstechnik des KIT forscht. Dies erschließe neue Einsatzfelder für thermische Speicher in der Industrie und schaffe ökologisch und ökonomisch nachhaltige Optionen für den klimafreundlichen Umbau der Energieversorgung. Im Rahmen des Verbundprojekts konzentrieren sich die Partner auf verschiedene Teilgebiete: Am KIT forscht man zu verwendbaren 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.

Höhere Temperaturen und neue „Schutzschilde“ für die Rückverstromung

Konventionelle elektrothermische Speichersysteme arbeiten etwa 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“, erklärt Projektleiterin Dr. Klarissa Niedermeier vom ITES. „Am KIT werden wir Schlüsselkomponenten in einem bis zu 700 Grad 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. Daher nutzten die Forschenden unter anderem Aluminiumoxid als eine Art Schutzschild, um Pumpen und Armaturen zu schützen.

Chance zur Nutzung erneuerbarer Energien

Ein großer Vorteil von thermischen Speicherlösungen sind ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten, auch im Dienste 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“. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert das Verbundprojekt mit 3,8 Millionen Euro.

 

 

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