Die industrielle Produktion von Stahl, Beton oder Glas erfordert mehr als 20 % des gesamten Energieverbrauchs in Deutschland. Bisher sind 90 % der für diese Prozesse verwendeten Brennstoffe fossiler Natur.
Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) arbeiten an dem einzigen Hochtemperatur-Wärmespeicher dieser Art auf Basis der Flüssigmetall-Technologie, um die Nutzung erneuerbarer Energiequellen voranzutreiben. Die hochleitfähigen Flüssigmetalle lassen sich mit Ökostrom auf über 700 °C erhitzen und können Industriewärme flexibel speichern.
Vom 22. bis 26. April 2024 präsentieren die Forscher am KIT-Stand auf der Energy Solutions (Halle 13, Stand C76) der Hannover Messe ein Modell ihres Energiespeichersystems.
Weltweit werden Hochtemperatur-Wärmespeichersysteme entwickelt, um ressourcenintensive Produktionsunternehmen unabhängig von der schwankenden erneuerbaren Energieproduktion mit Wärme zu versorgen. Diese Speichersysteme wandeln elektrische Energie in Wärme um, die dann gespeichert wird.
Die Wärme wird bei Bedarf genutzt, etwa wenn Strom teuer ist und Produktionsprozesse nicht gestoppt werden können. Je höher die Lagertemperatur, desto besser. Dadurch verringert sich die Menge an zusätzlicher Energie, die zum Erreichen der gewünschten Produktionstemperatur erforderlich wäre.
In Pilotanlagen werden flüssige Salze zur Speicherung von Temperaturen um 550 °C genutzt. Noch höhere Temperaturen wurden bisher mit Gasen erreicht. Wenn sie elektrisch auf etwa 700 °C erhitzt werden, übertragen sie ihre Wärme auf Speichermaterialien wie Stahl, Vulkangestein oder Schlacke. „Allerdings ist die Wärmeübertragung vom Heißgas auf das Speichermaterial alles andere als effizient“, sagt Dr. Klarissa Niedermeier vom Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit des KIT.
Hervorragende Wärmeübertragung durch flüssige Metalle
Gemeinsam mit ihrem Team arbeitet sie an einer neuartigen Lösung für den Hochtemperaturbereich: einem Wärmespeicher auf Basis von Blei-Wismut. „Die Wärmeleitfähigkeit dieser Mischung aus flüssigen Metallen ist 100-mal höher als die anderer Materialien, die in Speichersystemen verwendet werden“, sagt Niedermeier.
Der Hochtemperatur-Wärmespeicher wird im Kreislauf getestet. In einem Stahltank sickert das erhitzte Blei-Wismut durch etwa 2 mm große Keramikkügelchen und gibt seine Wärme an diese ab. Wenn die Wärme erneut benötigt wird, wird das „kalte“ flüssige Metall durch die Perlen zurückgeführt und erwärmt sich erneut.
Simulationen im Flüssigmetalllabor KALLA des KIT haben bestätigt, dass der Einsatz von Flüssigmetall die Effizienz der Wärmespeicherung steigert, insbesondere wenn ein sehr kompaktes Gehäuse verwendet wird.
Effiziente Speicherung von überschüssigem Ökostrom
„Wenn das flüssige Metall mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen erhitzt wird, haben Unternehmen eine effiziente Lösung, um Schwankungen in der Stromversorgung abzumildern und eine einfache, kostengünstige und schnelle Energiespeicherung bei Temperaturen zu ermöglichen, die denen in industriellen Prozessen möglichst nahe kommen.“ “, betont Niedermeier.
Der Prozess hat ein großes Potenzial zur Defossilisierung der Industrie. Industrielle Prozesse in Deutschland verbrauchen jährlich 400 Terawattstunden Wärme, 90 % der dabei verwendeten Brennstoffe sind fossil.
Bisher werden Flüssigmetalle in Wärmespeichern kaum eingesetzt. Dies hat laut Niedermeier vor allem logistische Gründe. Weltweit gibt es nur wenige Kreislaufsysteme, in denen ein solcher Wärmespeicher erprobt werden kann. KALLA verfügt über einen großen Blei-Wismut-Kreislauf, der unter anderem für neue Projekte im Bereich erneuerbarer Energiequellen genutzt wird.
Auf der diesjährigen Hannover Messe stellt das Team ein Modell des Wärmespeichers vor, dessen Größe etwa halb so groß ist wie das reale System am KIT. Das System am KIT ist für die Speicherung von 100 Kilowattstunden Wärme ausgelegt und wurde bisher im Labormaßstab bei Temperaturen von bis zu 400 °C getestet.
„Dies ist das weltweit einzige Flüssigmetall-Wärmespeichersystem dieser Art mit einer solchen Kapazität. Wir wollen zeigen, dass das Prinzip funktioniert und großes Potenzial hat“, sagt Klarissa Niedermeier.