Neuer Hochtemperatur-Wärmespeicher könnte Industrie grüner machen
Grüner Strom plus extrem leitfähiges Flüssigmetall: Auf diese Kombination setzt ein Forschungsteam am Karlsruher Institut für Technologie bei der Entwicklung eines neuartigen Wärmespeichers. Er könnte dazu beitragen, die industrielle Produktion zu dekarbonisieren.
Aufgeheiztes Flüssigmetall gibt sehr hohe Temperaturen an Keramikkügelchen ab: ein Wärmespeicher-Labormodell des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).
Foto: KALLA (KIT)
Schmelzen, brennen, trocknen: In vielen Industriebranchen werden rund um die Uhr extrem hohe Temperaturen benötigt. 400 Terawatt Wärme fließen in Deutschland jährlich in die industrielle Produktion – etwa ein Fünftel des gesamten Energieverbrauchs. Das größte Problem dabei: Der Löwenanteil von 90 Prozent stammt noch immer aus klimaschädlichen fossilen Quellen. Das muss sich ändern – aber wie? Schließlich braucht die Industrie stabile Rahmenbedingungen für die Produktion, die das wetterabhängig schwankende Stromangebot der Erneuerbaren allein nicht bietet.
Rund um den Globus forschen derzeit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an neuen Technologien, damit regenerative Energie künftig in ressourcenintensiven Branchen wie der Stahl- oder Zementindustrie besser eingesetzt werden kann. Im Mittelpunkt stehen dabei Hochtemperatur-Wärmespeicher. Für die Nutzung wird Strom zuerst in Wärme umgewandelt und diese gespeichert, damit sie flexibel für die Herstellung bereit steht – bevorzugt mit Temperaturen, die so nah wie möglich an denen der Produktionsprozesse sind. Bei den meisten gilt: je höher, desto besser.
Suche nach geeigneten Materialien für Wärmespeicher
Geforscht wird daher vor allem an Materialien, die möglichst hohe Temperaturen transportieren und speichern können. Flüssigsalze schaffen rund 550 Grad Celsius, Gase können auf bis zu 700 Grad aufgeheizt werden, um ihre Hitze dann beispielsweise an Schlacke oder Stahl zu übertragen. „Das heiße Gas gibt die Wärme jedoch nicht besonders effizient an das Speichermaterial ab“, erklärt Klarissa Niedermeier vom Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
Deshalb arbeitet die Ingenieurin mit ihrem Team am KIT an einer neuartigen Lösung für den Hochtemperaturbereich: einem Wärmespeicher auf Basis einer Flüssigmetallmischung, genauer: Blei-Bismut. Dessen Wärmeleitfähigkeit sei bis zu 100-mal höher als die anderer Materialien, die für Wärmespeicher genutzt würden, sagt Klarissa Niedermeier.
Wie der neue Wärmespeicher funktioniert
Im Versuchs-Wärmespeicher der KIT-Forschungsgruppe wird flüssiges Blei-Bismut in einem Kreislauf erhitzt – mit Strom. Die aufgeheizte Metallmischung sickert dann in einem Stahltank zwischen zwei Millimeter kleine Keramikkügelchen hindurch und gibt die Temperatur an sie ab. Wird die gespeicherte Hitze gebraucht, kehrt man den Prozess um: Dann läuft das abgekühlte Flüssigmetall im Kreislauf zwischen den Kügelchen zurück, die ihre Speicherhitze wieder an die Blei-Bismut-Mischung abgeben. Die Keramikkugeln fungieren also als Speichermaterial, das Flüssigmetall als „Transportmittel“.
Die Verfahrenstechnikerin Klarissa Niedermeier forscht seit sechs Jahren an der Technologie. Sie ist überzeugt davon, dass ihr Wärmespeicher mit Flüssigmetall als Wärmeleiter ein riesiges Potenzial habe, energieintensive Industriebranchen „grüner“ zu machen – vorausgesetzt, der eingesetzte Strom stammt aus erneuerbaren Energien.
Flüssigmetall: eine neue Option
Aber warum sind Flüssigmetalle bisher kaum im Gespräch für den Einsatz in Wärmespeichern? Laut Klarissa Niedermeier hat dies vor allem logistische Gründe: Es gebe weltweit nur wenige Kreisläufe, um diese Speichermethoden zu testen. Im Flüssigmetalllabor KALLA des KIT steht Forschenden seit über zwanzig Jahren ein großer Blei-Bismut-Kreislauf zur Verfügung, der ursprünglich für die Kernkraftforschung gebaut wurde. Heute wird er unter anderem für Projekte im Bereich der erneuerbaren Energien genutzt – auch für den Wärmespeicher mit Flüssigmetall.
Dass ihre Innovation funktioniert, hat das Team um Klarissa Niedermeier gezeigt. Es seien aber noch viele Forschungsfragen offen, so die Ingenieurin. Derzeit optimieren die Forschenden das System, suchen kostengünstigeres Speichermaterial und versuchen, die Energiedichte weiter zu verbessern. Zudem wollen sie Pumpen und Ventile für geschmolzenes Blei-Bismut bei Temperaturen über 500 Grad Celsius testen.
Der KIT-Wärmespeicher auf der Hannover Messe 2024
Auf der Hannover Messe 2024 (22. bis 26. April) wird das Team eine Nachbildung seines Wärmespeichers vorstellen, die etwa halb so groß ist wie der Versuchs-Speicher am KIT. Dieser ist für die Speicherung von 100 Kilowattstunden Wärme ausgelegt. Die Forschenden haben ihn bisher bei Temperaturen bis 400 Grad Celsius getestet. „Das ist der erste Flüssigmetall-Wärmespeicher dieser Art weltweit mit einer solchen Kapazität“, so Klarissa Niedermeier.
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