Carnot-Batterie mit innovativem Wärmespeicher

Die Idee stammt aus dem 19. Jahrhundert, Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) sind dabei, daraus einen Baustein für die Energiewende zu entwickeln. Der französische Physiker Nicolas Leonard Sadi Carnot gelangte seinerzeit bei theoretischen Studien über die Dampfmaschine zu der Erkenntnis, dass der Prozess der Umwandlung von Wärme in Arbeit reversibel ist. Es war der Anfang einer neuen Teildisziplin der Physik, der Thermodynamik. Und es war die Grundlage für einen nach ihm benannten Typ Energiespeicher – der Carnot-Batterie.

Diese Batterien funktionieren so, dass der Ladestrom in Wärme umgewandelt und gespeichert wird. Beim Entladen verwandelt die Batterie die Wärme zurück in Elektrizität. Das DLR hat gemeinsam mit Partnern aus der Industrie und anderen Forschern neuartige Wärmeträger für diese Technik konstruiert. Carnot-Batterien mit dieser Lösung haben im industriellen Maßstab das Potenzial, Dunkelflauten und Lastspitzen bei erneuerbaren Energie auszugleichen, teilt das DLR mit.

Bei den neuartigen Wärmeüberträgern handelt es sich laut der Forscher um „empirisch und rechnerisch designte“ Rohre, die durch den Speicherbehälter verlaufen und zwei Kanäle für die Kältemittel haben. Ein Kanal dient zum Aufladen, der anderen zum Entladen. Dabei kommen unterschiedliche Kältemittel zum Einsatz.

„Herzstück“ der Carnot-Batterie ist ein eigens entwickelter sogenannter Latentwärmespeicher. Dieser Speicher ist mit rund zwei Kubikmetern Nitratsalzen gefüllt. Eine Hochtemperatur-Wärmepumpe erhitzt mit dem zu speichernden Strom das Salz auf 150 Grad Celsius. „Latent deswegen, weil das Salz beim Erwärmen schmilzt. Ein Teil der zugeführten Heizwärme steckt scheinbar verborgen, also latent, im Lösen der Bindungen der Salzkristalle“, erklärt Maike Johnson, die das Projekt am DLR-Institut für Technische Thermodynamik betreut. Je nach Salz könnte Latentwärmespeicher dadurch rund doppelt so viel Energie aufnehmen wie Wärmespeicher ohne Schmelzvorgang.
 
Neuer Ansatz bei den Wärmeüberträgern: Um einen möglichst effizienten Energietransfer zwischen den Dampfkreisläufen und dem Salz zu erzielen, haben die Überträger einen rippenartigen Querschnitt erhalten. Er ähnelt laut DLR dem einer Schneeflocke und schafft eine möglichst große Kontaktoberfläche.

Die Forscherinnen und Forscher haben nach eigener Aussage „alle Komponenten und jeden Vorgang des Speicherzyklus einzeln getestet“. Es ging darum, die optimalen Betriebsparameter zu finden. „Für einen stabilen Wärmeübertrag zwischen Wärmepumpe und Speicher und dann zur Wärmekraftmaschine müssen alle Komponenten zeitlich und mit der passenden Leistung zusammenspielen“, sagt Johnson.“

Sie und ihre Kollegen arbeiten jetzt daran, „die Technologie so zu optimieren, dass sie industriell und praxisgerecht einsetzbar wird“. Und sie erwarten, dass industriefähige Systeme in rund zehn Jahren am Markt verfügbar sein werden. „Diese sind dann für längere Speicherzeiten und Leistungen von mehreren Megawatt ausgelegt“, prophezeit Andrea Gutierrez, Leiterin der Fachgruppe Thermische Speicher mit Phasenwechsel am DLR-Institut für Technische Thermodynamik.