Forscher des DLR arbeiten derzeit an Batterien mit Nitratsalzen als Speichermedium, um die fluktuierenden Angebote von Wind- und Solarstrom mit gespeicherter Wärme auszugleichen.
Mit Carnot-Batterien lassen sich Schwankungen von Sonnen- und Windenergie ausgleichen.
DLR (CC BY-NC-ND 3.0)
In solarthermischen Kraftwerken werden schon länger Batteriespeicher auf Nitratsalzbasis eingesetzt. "Für die Überbrückung der Nachtzeit bei Solaranlagen sind Salzspeicher entwickelt worden. Hier wird die überschüssige Sonnenenergie während der Mittagszeit verwendet, um eine Salzlösung aufzuheizen und dabei zu schmelzen", beschreibt diese Lösung Springer-Spektrum-Autor Wolfgang Demtröder in seinem Buchkapitel Wärmelehre auf Seite 358 anhand des größten europäischen Solarkraftwerkes Andasol im südspanischen Andalusien.
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) will nun zusammen mit Beteiligten aus Industrie und Forschung diesen Nutzungsbereich deutlich erweitern, und zwar auf überschüssige Energie aus Wind- und Photovoltaikanlagen. Die in Wärme gewandelte elektrische Energie soll so gespeichert und bei Bedarf rückverstromt werden. Genutzt werden dafür Carnot-Batterien, die ebenfalls Nitratsalze nutzen.
CHESTER checkt industriellen Einsatz
Dafür wurde das Forschungsprojekt CHESTER (für: Compressed heat energy storage for energy from renewable sources) am DLR-Standort Stuttgart aufgelegt und eine erste Batterie in Betrieb genommen. "Wir arbeiten daran, die Technologie so zu optimieren, dass sie industriell und praxisgerecht einsetzbar wird", erklärt Maike Johnson, die das Projekt am DLR-Institut für Technische Thermodynamik betreut.
Herzstück ist ein dort entwickelter Latentwärmespeicher, der mit zwei Kubikmetern Nitratsalzen gefüllt ist. Eine Hochtemperatur-Wärmepumpe erhitzt mit dem zu speichernden Strom das Salz auf 150 Grad Celsius. Dabei schmilzt das Salz. Die Wärme wird im Lösen der Salzkristallverbindungen gespeichert. Je nach Art des Salzes können nach DLR-Angaben die Speicher doppelt so viel Energie aufnehmen wie etwa herkömmliche Wasserspeicher.
Gespeichert werden kann die Wärme über einige Stunden bis hin zu einigen Tagen. Soll sie wieder genutzt werden, überträgt ein zweiter Kreislauf die Wärme zu einer Turbine mit Generator, der wiederum klimaneutralen Strom erzeugt.
Dafür nutzen die DLR-Forscher und -Ingenieure einen eigens entwickelten Wärmetauscher. Bei diesem verlaufen speziell designte Rohre mit zwei Kanälen durch den Speicherbehälter. Die Kanäle führen die Kältemittel – einmal zum Beladen, und einmal zum Entladen des Speichers. Damit können unterschiedliche Kältemittel zum Einsatz kommen, die das System effizienter machen. Die Wärmeübertrager haben einen rippenartigen Querschnitt, der einer Schneeflocke ähnelt. Dadurch ergibt sich für das Salz eine möglichst große Kontaktoberfläche.
Suche nach besten Betriebsparametern
Bisher haben die Wissenschaftler alle Komponenten und jeden Vorgang des Speicherzyklus‘ einzeln getestet. So sollen optimale Betriebsparameter gefunden werden. "Für einen stabilen Wärmeübertrag zwischen Wärmepumpe und Speicher und dann zur Wärmekraftmaschine müssen alle Komponenten zeitlich und mit der passenden Leistung zusammenspielen", erklärt Maike Johnson. Dabei werden folgende Fragen aufgeworfen und sollen auch beantwortet werden: "Welche Mengen an Kühlmittel sind nötig? Wie schnell lässt sich das Salz aufheizen und abkühlen? Welche Leistung können wir aus dem Speicher herausholen?"
Nun sollen unterschiedliche Lastszenarien, Wärmeflüsse und Temperaturverläufe ermittelt werden, um die Systemgrenzen auszuloten. Bei größeren Anlagen ist vor allem mit Wärmeverlusten und unterschiedlichen Betriebszuständen zu kämpfen. Industriefähige Systeme, so das DLR, sollen in rund zehn Jahren am Markt verfügbar sind. Diese wären für längere Speicherzeiten und Leistungen von mehreren Megawatt ausgelegt.
Der große ökonomische Vorteil liegt in den moderaten Kosten des Speichermediums Salz und des Gesamtsystems Salzspeicher mit Leitungen, Pumpen und Wärmeübertrager, auf die ein Springer-Vieweg-Autorenteam um Tobias Hirsch in seinem Buchkapitel Solarthermische Stromerzeugung auf Seite 1039 hinweist.