De industriële productie van staal, beton of glas vergt ruim 20% van het totale energieverbruik in Duitsland. Tot nu toe is 90% van de brandstoffen die voor deze processen worden gebruikt, van fossiele aard.
Onderzoekers van het Karlsruhe Instituut voor Technologie (KIT) werken aan het enige hogetemperatuur-warmteopslagsysteem op basis van dit soort vloeibare metaaltechnologie om het gebruik van hernieuwbare energiebronnen te vergroten. De goed geleidende vloeibare metalen kunnen met groene stroom tot meer dan 700°C worden verwarmd en kunnen industriële warmte flexibel opslaan.
Van 22 tot 26 april 2024 presenteren de onderzoekers een model van hun energieopslagsysteem op de KIT-stand op de Energy Solutions (hal 13, stand C76) van de Hannover Messe.
Wereldwijd worden hogetemperatuur-warmteopslagsystemen ontwikkeld om hulpbronnenintensieve productiebedrijven van warmte te voorzien, onafhankelijk van de fluctuerende productie van hernieuwbare energie. Deze opslagsystemen zetten elektrische energie om in warmte, die vervolgens wordt opgeslagen.
De warmte wordt gebruikt als dat nodig is, bijvoorbeeld als elektriciteit duur is en productieprocessen niet kunnen worden stopgezet. Hoe hoger de opgeslagen temperatuur, hoe beter. Dit vermindert de hoeveelheid extra energie die nodig zou zijn om de gewenste productietemperatuur te bereiken.
Proefinstallaties gebruiken vloeibare zouten om temperaturen van ongeveer 550°C op te slaan. Tot nu toe zijn met gassen nog hogere temperaturen bereikt. Wanneer ze elektrisch worden verwarmd tot ongeveer 700°C, dragen ze hun warmte over aan opslagmaterialen zoals staal, vulkanisch gesteente of slakken. “De warmteoverdracht van het hete gas naar het opslagmateriaal is echter verre van efficiënt”, zegt dr. Klarissa Niedermeier van het KIT Institute for Thermal Energy Technology and Safety.
Uitstekende warmteoverdracht door vloeibare metalen
Samen met haar team werkt ze aan een nieuwe oplossing voor het hoge temperatuurbereik: een warmteopslagsysteem op basis van lood-bismut. “De thermische geleidbaarheid van deze mix van vloeibare metalen is honderd keer hoger dan die van andere materialen die in opslagsystemen worden gebruikt”, zegt Niedermeier.
Het hogetemperatuur-warmteopslagsysteem wordt in een lus getest. In een stalen tank sijpelt het verwarmde lood-bismut door keramische kralen van ongeveer 2 mm groot en geeft daar zijn warmte aan af. Wanneer de warmte weer nodig is, wordt het ‘koude’ vloeibare metaal door de kralen teruggevoerd en warmt het weer op.
Simulaties in KIT's vloeibaar-metaallaboratorium KALLA hebben bevestigd dat het gebruik van vloeibaar metaal de efficiëntie van warmteopslag verhoogt, vooral wanneer een zeer compacte verpakking wordt gebruikt.
Efficiënte opslag van overtollige groene stroom
“Wanneer het vloeibare metaal wordt verwarmd met stroom uit hernieuwbare energiebronnen, hebben bedrijven een efficiënte oplossing om schommelingen in de stroomvoorziening te beperken en eenvoudige, goedkope en snelle energieopslag mogelijk te maken bij temperaturen die zo dicht mogelijk bij de temperaturen liggen die in industriële processen worden gebruikt. ”, benadrukt Niedermeier.
Het proces heeft een groot potentieel om de industrie te defossiliseren. Industriële processen in Duitsland verbruiken 400 terawattuur warmte per jaar, en 90% van de brandstoffen die bij deze processen worden gebruikt, zijn fossiel.
Tot nu toe worden vloeibare metalen nauwelijks gebruikt in warmteopslagsystemen. Volgens Niedermeier heeft dit vooral logistieke redenen. Er zijn slechts enkele gesloten systemen in de wereld waarin een dergelijk warmteopslagsysteem kan worden getest. KALLA kent een grote lood-bismutcyclus, die onder meer wordt gebruikt voor nieuwe projecten op het gebied van duurzame energiebronnen.
Op de Hannover Messe van dit jaar zal het team een model van het warmteopslagsysteem presenteren, waarvan de omvang ongeveer de helft bedraagt van die van het echte systeem bij het KIT. Het systeem van het KIT is ontworpen om 100 kilowattuur warmte op te slaan en is tot nu toe op laboratoriumschaal getest bij temperaturen tot 400 °C.
“Dit is 's werelds vloeibare-metaal-warmteopslagsysteem van dit type met een dergelijke capaciteit. We willen laten zien dat het principe werkt en een groot potentieel heeft”, zegt Klarissa Niedermeier.