nt 04 | 2024 Infrastrukturen der Zukunft: Wärmespeicher XXL
Zwischen Strom und Wärme: Sektoren koppeln mit Carnot-Batterien
Annelis Vandersickel, Kevin Ludwig, Franz Hengel
Im Jahr 2024 feiern wir ein bedeutsames Jubiläum in der Thermodynamik: den 200. Jahrestag der Veröffentlichung über die Effizienz der Dampfmaschine von Sadi Carnot. Seine Arbeit legte die Basis für unser heutiges Verständnis thermodynamischer Prozesse. Die Carnot-Batterie als fortschrittliche Speichertechnologie verbindet historische Erkenntnisse mit zukünftigen Möglichkeiten in der Energieversorgung.
Funktionsweise der Carnot-Batterie
Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien, die chemische Prozesse zur Speicherung von Energie nutzen, basiert die Carnot-Batterie auf der Speicherung von elektrischer Energie in Wärme. Dafür wird Strom beispielsweise mittels einer Widerstandsheizung oder einer Hochtemperaturwärmepumpe in Wärme gewandelt (Power to Heat). Diese wird bei Temperaturen von etwa 100 °C bis zu 1200 °C in einem thermischen Energiespeicher (Thermal Energy Storage, TES) gespeichert. Zum Einsatz kommen preisgünstige und umweltverträgliche Medien wie Salzschmelzen, Steine oder Phasenwechselmaterialien (PCM). Bei Bedarf wird über eine Wärmekraftmaschine (z.B. Dampf- bzw. Gasturbine) die Wärme wieder rückverstromt. Optional kann die gespeicherte thermische Energie auch direkt genutzt werden, um zum Beispiel industrielle Prozesswärme zur Verfügung zu stellen. Es besteht auch die Möglichkeit, Abwärme direkt in den thermischen Speicher der Carnot-Batterie zu integrieren. Dies ermöglicht eine sektorübergreifende Nutzung sowohl für den Strom- als auch für den Wärmesektor.
Funktionsweise und Wirkungsgrade einer idealen Carnot-Batterie. Quelle: DLR
Theoretisch 100 Prozent Effizienz
Die Effizienzen für die Wärmepumpe und Wärmekraftmaschine lassen sich über den Carnot'schen Wirkungsgrad ausdrücken. In einer idealen Welt würde sich bei einer Carnot-Batterie ein Wirkungsgrad von 100 Prozent einstellen. Natürlich stoßen wir in der Praxis auf Herausforderungen, die in idealen thermodynamischen Zyklen nicht auftreten. Die Maschinen in einer Carnot-Batterie sind in der Realität nicht zu 100 Prozent effizient. Zudem sind Temperaturunterschiede zwischen dem thermodynamischen Zyklus und dem Wärmespeicher nötig, um das System zu be- und entladen. Aus diesem Grund liegen die realistischen Effizienzen von Carnot-Batterien deutlich niedriger, im Bereich von 40 bis 70 Prozent.
Aktuelle Projekte und Fallstudien
Die Idee der Carnot-Batterie ist keineswegs neu; sie wurde vor über 100 Jahren von Marguerre patentiert. Erste Demonstrationen und Versuche zur Kommerzialisierung wurden bereits in den frühen 2000-er Jahren, beispielsweise von Unternehmen wie Isentropic und Siemens Gamesa, unternommen.
Wie auf einem internationalen Workshop für Carnot-Batterien in Stuttgart (IWCB, 24.-25. September 2024) zu sehen war, sind die Forschungen und Entwicklungen in vollem Gange. Die aktuellen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten konzentrieren sich auf die Verbesserung der Effizienz, die Reduktion der Kosten und die Integration in bestehende Energiesysteme. Zur Kostenreduktion werden verschiedene Konzepte mit direkt-elektrischen Heizungen demonstriert. Diese werden etwa an der Technischen Hochschule Mittelhessen, am Solar-Institut Jülich und am National Renewable Energy Laboratory (NREL, USA) entwickelt. Als weiterer Ansatz zur Kostenreduktion werden zur Be- und Entladung reversible Maschinen untersucht, die sowohl als Wärmepumpen als auch als Wärmekraftmaschinen fungieren. Eine Möglichkeit dafür stellt der Einsatz einer doppeltwirkenden Kolbenmaschine dar. Die Universität Liège untersucht aktuell den Einsatz einer reversiblen Maschine im Haushaltssektor, während Unternehmen wie Synchrostor an der Kommerzialisierung der Technologie im Megawatt-Maßstab arbeiten. Ein weiteres Projekt wurde vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durchgeführt. Die dort entwickelte Carnot-Batterie basiert auf dem Prinzip der komprimierten Wärmespeicherung (CHEST – Compressed Heat Energy Storage). Das Besondere an diesem System ist die Kombination aus einem latenten und sensiblen Wärmespeicher1 sowie einem patentierten Dual-Tube-Wärmetauscher, der eine optimale Integration der Wärmepumpen- und Wärmekraftmaschinenprozesse ermöglicht. Die wachsende Zahl an Studien, welche die Integration von Carnot-Batterien in bestehende Prozesse, wie z. B. Chemieparks untersuchen, unterstreicht das steigende Interesse dieser Technologie zur Dekarbonisierung der Industrie. Die Markteinführung wird unter anderem von Unternehmen wie Synchrostor, Echogen, Malta Inc. und MAN Energy Solutions vorangetrieben. Im aktuellen Projekt "Store2RePower" arbeiten das DLR, Malta Inc., Alfalaval und Siemens Energy an der Aufskalierung und Qualifizierung wichtiger Kernkomponenten der Malta Carnot Battery als nächstem Schritt auf dem Weg zu einer kommerziellen Multi-Megawatt-Anlage.
Schematischer Aufbau des CHESTER Systems. Quelle: DLR
Einen Überblick über laufende Aktivitäten gibt der Bericht des „IEA ES TCP Task 36 - Carnot Batteries“. Er wurde im Rahmen der Internationalen Energieagentur (IEA) zusammen mit Expertinnen und Experten aus Industrie und Wissenschaft verfasst. Aufbauend auf den Erfolgen des Task 36 wurde inzwischen ein Folgeprojekt „IEA ES TCP Task 44 – Hi CBest“ ins Leben gerufen. Dieser fokussiert darauf, den Technologiestand zu erweitern und die Systeme mit möglichen Anwendungsbereichen zu verknüpfen.
Bei beiden IEA-Projekten war bzw. ist AEE INTEC beteiligt, wobei das Projekt „Tesseract“, gefördert durch die FFG das im März 2024 startete, einen Beitrag zum IEA EST TCP Task 44 liefern wird. Der Inhalt des Projektes ist die Nutzung innovativer unterirdischer Hochtemperarturspeicherbauweisen mit Feststoffwärmespeichermedium zur sensiblen Wärmespeicherung für Carnot-Batterien. Dabei sollen gewachsene Böden als Speichermedium untersucht werden, um die Herstellungskosten gering zu halten. Konzepte für die Nutzbarmachung solcher Speicher werden im Projekt erarbeitet, wobei ein weiterer wichtiger Faktor die ökologische und rechtliche Evaluierung des Hochtemperaturspeichers ist, sowie dessen mögliche Systemintegration mit dem Fokus der Übertragbarkeit auf verschiedene österreichische Standorte.
Fazit
Die Carnot-Batterie verbindet den Strom- und Wärmesektor und erfüllt damit eine doppelte Speicherfunktion: Sie stellt die erforderliche Flexibilität im Stromnetz bereit und fördert gleichzeitig die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung. Erste Pilotprojekte in verschiedenen Ländern zeigen bereits vielversprechende Ergebnisse und unterstreichen, dass die Carnot-Batterie das Potenzial hat, eine Schlüsseltechnologie der Energiewende zu werden.
150 kWe Demonstrator, gebaut in Hampshire, UK. Foto 1, Foto 2 Quelle: IEA ES Task 36 Factsheet
Weitere Informationen
1 Latent-Wärmespeicher nutzen ein Phasenwechselmaterial als Speichermedium, das bei einem Phasenübergang (beispielsweise fest-flüssig) Wärme aufnehmen bzw. abgeben kann. Sensible Wärmespeicher nutzen zum Beispiel Wasser, Beton oder Erde als Speichermedium. Durch Wärmezufuhr erhöht sich die Temperatur des Speichermediums.
Theologou, K., et al. (2024). CHESTER: Experimental prototype of a compressed heat energy storage and management system for energy from renewable sources #
Autor*innen
Prof. Dr.-Ing. Annelies Vandersickel leitet die Abteilung Thermische Prozesstechnik im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Kevin Ludwig ist als Koordinator der IEA ES TCP Task 44 - Hi CBest am DLR tätig. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! Dipl.-Ing. Franz Hengel ist als Koordinator der IEA ES TCP Task 44 - Hi CBest am DLR tätig. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!