Verbundprojekt erforscht Batterien der Zukunft

Innovative Batteriespeichersysteme zur Integration regenerativer Energiequelle in künftige Energieversorgungssysteme sind das Thema eines großangelegten Forschungsverbundprojekts. Daran sind 13 deutsche Universitäten beteiligt, darunter die Technische Universität Ilmenau. Sogenannten Carnot-Batterien, speichern Strom in Form von Wärme. Sie gelten im Zeichen der Energiewende als vielversprechende Technologie, die eine dauerhafte Stromversorgung sichern helfen.

Eine Carnot-Batterie wandelt Strom mithilfe von Hochtemperatur-Wärmepumpen in Wärme um, speichert die Wärme und wandelt sie bei Bedarf wieder in Strom zurück. Die verwendeten Speichermedien Wasser oder geschmolzenes Salz weisen nicht nur eine hohe Wärmekapazität auf, 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 Anwendungspotenzial solcher Batterien in Energiemärkten.

Beitrag der TU Ilmenau

Das Fachgebiet Technische Thermodynamik der TU Ilmenau erforscht nun, wie die Effizienz des thermischen Energiespeichers, einer Schlüsselkomponente von Carnot-Batterien, gesteigert werden kann. Im Schwerpunktprogramm „Carnot-Batterien: Inverser Entwurf vom Markt bis zum Molekül“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) entwerfen 13 deutsche Universitäten und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt unter der wissenschaftlichen Leitung der Universität Duisburg-Essen Komponenten für optimale Carnot-Batterien für künftige Energiesysteme.

An der Universität Ilmenau wird speziell erforscht, wie Strömungen in den Speichern deren Leistung negativ beeinflussen. Forscherinnen und Forscher um Prof. Christian Cierpka, Leiter des Fachgebiets Technische Thermodynamik an der TU Ilmenau, untersuchten dies mit dem DLR Köln und Stuttgart. Die Ergebnisse wurden in der renommierten physikalischen Fachzeitschrift PRX Energy der American Physical Society veröffentlicht.

Ziel ist es, sogenannte thermische Schichtenspeicher, in denen flüssiges Salz bei Temperaturen von rund 300 Grad Celsius als Speichermedium dient, wissenschaftlich zu beschreiben und Designregeln für zukunftsfähige Energiesysteme abzuleiten. Zur Messung von Geschwindigkeit und Temperatur in diesen Salzen werden erstmals neuartige Lasertechnologien eingesetzt.

Das DFG-Projekt bekommt 6,5 Millionen Euro

Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Verbundprojekt „Carnot-Batterien“ startet im Oktober 2023 mit einem Kick-Off Meeting. Bei einer Laufzeit 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 Wissenschaftler aus den Bereichen Thermodynamik, Energiesystemanalyse, Wärmeübertragung, Fluidenergiemaschinen, numerische Optimierung und physikalische Chemie.

Dabei stellen sie die bisherige Herangehensweise der Energieforschung auf den Kopf: Ausgehend von den Anforderungen des Marktes werden die Komponenten – Maschinen, Speicher und Fluide – entsprechend optimiert. Cierpkas Erwartungen sind hoch: „Wärmespeicher sind die Schlüsseltechnologie für Speichersysteme der Zukunft.“ Sie könnten eine dauerhafte Stromversorgung sichern und nutzen dafür bestehende Infrastruktur wie Dampfkraftwerke. „Mit neuen Wärmespeichern kommen wir näher an die gesteckten Klimaschutzziele heran – und das bei moderaten Kosten“, so Cierpka.

Der Fachartikel in englischer Sprache steht im Internet bereit.