Auf der Suche nach dem idealen Speicher

In einem nachhaltigen Energiesystem sind Energie­speicher für die Inte­gra­tion von erneuer­baren Energien von exis­ten­tieller Bedeu­tung. Bis­lang fehlen jedoch orts­unab­hängige und kosten­günstige Speicher im Kraft­werks­maß­stab. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raum­fahrt, die Uni­ver­sität Stutt­gart und das Karls­ruher Institut für Techno­logie beabsich­tigen den gemein­samen Bau der Forschungs­anlage NADINE – Natio­naler Demons­trator für Isen­trope Energie­speicher – an den Stand­orten Stutt­gart und Karls­ruhe, um kosten­günstige und nahezu verlust­frei arbei­tende Energie­speicher zu ent­wickeln. Für den Aufbau der Infra­struktur in Stutt­gart und Karls­ruhe haben die drei Forschungs­einrich­tungen am 8. Oktober ihre Zusammen­arbeit verein­bart. Ziel der Forschungs­arbeiten sind Energie­speicher, die große Mengen an elek­trischer Energie auf­nehmen und wieder abgeben können. Das Design der Forschungs­anlage wird im Rahmen eines acht­zehn­mona­tigen Projekts erarbeitet. Das Design­projekt wird vom Bundes­minis­terium für Wirt­schaft und Energie sowie vom Minis­terium für Wirt­schaft, Arbeit und Wohnungs­bau des Landes Baden-Württem­berg gefördert.

„Die Energiewende gehört zu den dringenden Herausforderungen unserer Gesell­schaft. Mit der Ent­wick­lung von Speichern arbeitet das DLR in der Energie­forschung an Lösungen für eines der Schlüssel­themen. Effi­ziente Speicher können eine zuver­lässige Energie­ver­sor­gung bei einem immer größer werden­den Anteil erneuer­barer Energien sichern. Über­dies können große Wärme­speicher dazu bei­tragen, die CO2-Emis­sionen von Kohle­kraft­werken durch Umbau zu Wärme­speicher­kraft­werken welt­weit zu redu­zieren“, sagte die DLR-Vorstands­vor­sitzende Prof. Pascale Ehren­freund. „Große gesell­schaft­liche Heraus­forde­rungen wie die Energie­wende lassen sich nur umsetzen, wenn man Kräfte bündelt und eng zusammen­arbeitet“, sagt Professor Oliver Kraft, Vize­präsi­dent für Forschung des KIT. „Ich freue mich deshalb sehr, dass wir bei NADINE unsere Exper­tise im Bereich der Flüssig­metall­techno­logien ein­bringen können. Gemeinsam mit unseren Partnern werden wir die Ent­wick­lung der dringend benötigten Energie­speicher im Kraft­werks­maß­stab ent­schei­dend voran­treiben.“

Die Speicherung von elektrischer Energie im Gigawattstunden-Maßstab ist mit Pump­speicher­kraft­werken und Batterie­speichern prinzi­piell bereits heute möglich. Aller­dings können in Deutsch­land kaum weitere Pump­speicher­kraft­werke gebaut werden, Batterie­speicher in dieser Größen­ord­nung sind derzeit zu teuer und nicht lang­lebig genug. Das hinter NADINE stehende Konzept sieht vor, flexible und nahezu verlust­freie Energie­speicher zu ent­wickeln, isen­trope Speicher. Als isen­trop wird ein Prozess bezeichnet, der in einem abge­schlos­senen System statt­findet, bei dem es zu keinen Wärme- oder Materie­aus­tausch mit der Umge­bung kommt.

Im Zentrum der Forschungsaktivitäten stehen Carnot-Batterien. Hier wird Strom durch Hoch­tempe­ratur­wärme­pumpen in Wärme umge­wandelt, die Wärme preis­wert gespei­chert und bei Bedarf mittels eines Wärme­kraft­prozesses rück­ver­stromt. Mit ihrer Forschung wollen die an NADINE betei­ligten Wissen­schaftler lang­fristig demons­trieren, dass Carnot-Batterien Strom mit einem Wirkungs­grad bis zu siebzig Prozent speichern können. Wärme­pumpen- und Wärme­speicher­techno­logien können zudem dazu bei­tragen, Kohle­kraft­werke zu Wärme­speicher­kraft­werken umzu­bauen so wie es die Bundes­regierung im Koali­tions­vertrag als Beitrag zum Klima­schutz vor­ge­sehen hat.

„Die geplante Forschungsanlage NADINE wird eine ideale Grund­lage bieten, um orts­unab­hängige und preis­werte Speicher im Kraft­werks­maß­stab zu ent­wickeln", beschreibt Thess das Projekt. In den Laboren werden über eine „Wärme­platt­form“ Wärme­senken und Wärme­quellen bereit­ge­stellt, auf denen, ähn­lich wie in einem Wind­kanal, ein­zelne Kompo­nenten und auch kom­plette isen­trope Energie­systeme erforscht werden können. Dabei erproben die Forscher zum Beispiel, wie die unter­schied­lichen Speicher­ein­heiten aus­ge­legt sein müssen, welche Materi­alien geeignet sind und wie die ein­zelnen Kompo­nenten am besten zusammen­spielen. In Stutt­gart sind ein Nieder- und ein Hoch­tempe­ratur-Labor geplant, in Karls­ruhe ein Höchs­ttempe­ratur-Labor, in dem Flüssig­metalle bei Tempe­ra­turen bis über neun­hundert Grad Celsius erforscht werden können.

DLR / RK