Energiewende: TU Ilmenau erforscht Batterien der Zukunft

In einem großangelegten Forschungs-verbundprojekt entwerfen 13 deutsche Universitäten, darunter die Technische Universität Ilmenau und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, in-novative Batteriespeichersysteme zur Integration regenerativer Energie-quelle in künftige Energieversorgungs-systeme. Die sogenannten Carnot-Bat-terien, die Strom in Form von Wärme zwischenspeichern, gelten im Zeichen der Energiewende als vielversprechende Speichertechnologie der Zukunft, die eine dauerhafte Stromversorgung sichert. Das Fachgebiet Technische Thermodynamik der TU Ilmenau erforscht nun, wie die Effizienz des thermi-schen Energiespeichers, einer Schlüsselkomponente von Carnot-Batterien, gesteigert werden kann. Die Arbeiten basieren auf vielbeachteter Grundla-genforschung des Teams um Prof. Christian Cierpka, deren Ergebnisse soeben in der renommierten physikalischen Fachzeitschrift PRX Energy der American Physical Society veröffentlicht wurden.

DOI: https://doi.org/…

Der weltweite Energiebedarf nimmt ständig zu. Gedeckt werden soll er zuneh-mend aus regenerativen Energiequellen, um die Umweltbelastung und die Ab-hängigkeit von fossilen Energieträgern zu verringern. Energieträger wie Sonnen-licht und Windkraft sind aber nicht ständig und nicht immer in gleicher Stärke verfügbar. Um die Energieversorgung stabil zu halten, muss die Energie daher zwischengespeichert werden. Doch noch fehlen effiziente Technologien, um orts-unabhängig, umweltfreundlich und gleichzeitig kostengünstig so viel Gigawatt-stunden zu speichern, wie sie täglich in einer Großstadt verbraucht werden. Car-not-Batterien bieten dafür eine mögliche Lösung.

Eine Carnot-Batterie wandelt Strom mithilfe von Hochtempe-ratur-Wärmepumpen in Wärme um, speichert die Wärme und wandelt sie bei Bedarf wieder in Strom um. Die verwendeten Speichermedien Wasser oder geschmolzenes Salz weisen nicht nur eine hohe Wärmeka-pazität auf – bezogen auf ihre Masse können sie viel Energie aufnehmen –, sie sind auch umweltverträglich und kostengünstig. Doch obwohl das Funktionsprinzip von Carnot-Batterien schon lange bekannt ist, gibt es bisher kaum verlässliche Daten zu den Wirkungsgraden bei der Energiespeicherung, zu Kosten oder gar zum konkreten Anwendungspo-tenzial solcher Batterien in Energiemärkten. Im Schwerpunktprogramm „Carnot-Batterien: Inverser Entwurf vom Markt bis zum Molekül“ der Deutschen For-schungsgemeinschaft entwerfen 13 deutsche Universitäten und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt unter der wissenschaftlichen Leitung der Uni-versität Duisburg-Essen Komponenten für optimale Carnot-Batterien für künftige Energiesysteme.

Dabei spielt die Effizienz des thermischen Energiespeichers der Systeme eine zent-rale Rolle. Wie Strömungen in den Speichern deren Leistung negativ beeinflussen, dem sind Forscherinnen und Forscher um Prof. Christian Cierpka, Leiter des Fach-gebiets Technische Thermodynamik an der TU Ilmenau, gemeinsam mit dem DLR Köln und Stuttgart nachgegangen. Die Ergebnisse, die sie in der renommierten physikalischen Fachzeitschrift PRX Energy der American Physical Society veröf-fentlicht haben (DOI: https://doi.org/…), sind nun Grundlage ihrer Arbeiten im Carnot-Projekt. Ziel ist es, sogenannte thermische Schichtenspeicher, in denen flüssiges Salz bei Temperaturen von rund 300 Grad Celsius als Speichermedium dient, wissenschaftlich zu beschreiben und Designre-geln für zukunftsfähige Energiesysteme abzuleiten. Zur Messung von Geschwin-digkeit und Temperatur in diesen Salzen werden dazu erstmals neuartige Laser-technologien eingesetzt.

Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Verbundprojekt „Carnot-Batterien“ startet im Oktober mit einem Kick-Off Meeting. Bei einer Lauf-zeit von drei Jahren hat es ein Gesamtvolumen von 6,5 Millionen Euro, von denen die TU Ilmenau für ihre Forschungsarbeiten 350.000 Euro erhält. In dem Projekt arbeitet ein interdisziplinäres Team Hand in Hand: Wissenschaftlerinnen und Wis-senschaftler aus den Bereichen Thermodynamik, Energiesystemanalyse, Wärme-übertragung, Fluidenergiemaschinen, numerische Optimierung und physikalische Chemie. Dabei stellen sie die bisherige Herangehensweise der Energieforschung auf den Kopf: Versuchte man bislang, ausgehend von bekannten Bauteilen und Energiekreisläufen, Wirkungsgrade zu bestimmen und für ein bestimmtes Ein-satzfeld zu optimieren, geht das Carnot-Projekt umgekehrt vor: Ausgehend von den Anforderungen des Marktes werden die Komponenten – Maschinen, Spei-cher und Fluide – entsprechend optimiert. Prof. Christian Cierpkas Erwartungen sind hoch: „Wärmespeicher sind die Schlüsseltechnologie für Speichersys-teme der Zukunft. Sie sichern eine dau-erhafte Stromversorgung und nutzen dabei die bestehende Infrastruktur, zum Beispiel Dampfkraftwerke. Mit neuen Wärmespeichern kommen wir näher an die gesteckten Klimaschutz-ziele heran – und das bei moderaten Kosten.“