Carnot-Batterien als Speicher der Energiewende?

Die sogenannte Carnot-Batterie kann Strom in Form von Wärme speichern und daraus bei Bedarf wieder Strom erzeugen. Im industriellen Maßstab hat die Technologie das Potenzial, Schwankungen regenerativer Quellen auszugleichen. Damit ist sie ein weiterer Baustein für eine sichere und regelbare Versorgung mit erneuerbaren Energien.

Windparks, Photovoltaikanlagen und Gezeitenkraftwerke liefern nachhaltig Strom – aber nicht gleichmäßig. Das zentrale, bisher ungelöste Problem ist daher die Speicherung momentan nicht benötigter Energie.

Eine vielversprechende Option sind Carnot-Batterien, die große Mengen Energie in Form von Hochtemperaturwärme in preisgünstigen Materialien wie Wasser, Stein oder in Form von Salzschmelzen speichern können und signifikant günstiger sind als Batterien.

Während des Ladevorgangs wird Strom in Wärme z. B. mit Hilfe von Hochtemperatur-Wärmepumpen umgewandelt und im Wärmespeicher gespeichert. Bei Bedarf wird diese zum Beispiel durch Dampfturbinen in elektrische Energie, also Strom, zurückgewandelt. Dabei werden Strom-Strom-Wirkungsgrade von bis zu 70% als möglich genannt. Der so klimaneutral erzeugte Strom kann wieder ins Netz eingespeist werden.

Ein großer Vorteil von Carnot-Batterien ist, dass sie gleichzeitig Strom und Wärme liefern können. In der Sektorenkopplung lassen sie sich leicht mit anderen Energiesystemen verbinden. Dies ist besonders für die Industrie interessant. Die gespeicherte Wärme ist in vielen Industrieprozessen direkt nutzbar. In Verbindung mit saisonalen Wärmespeichern können sie Wärmeenergie über Monate halten.

Die Größe, Kapazität und das Energiemanagement von Carnot-Batterien können an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Damit eignen sie sich beispielsweise auch für das sogenannte Smart District Heating. Das sind lokale Strom- und Wärmenetze in der Umgebung der Speicheranlage, die Wohnsiedlungen oder Büroparks mit Energie versorgen.

Carnot-Batterien haben somit das Potenzial für einen flächendeckenden Einsatz in einer nachhaltigen Energiewirtschaft. Experten erwarten, dass industriefähige Systeme ab 2030 am Markt verfügbar sind. Diese sind dann für längere Speicherzeiten und Leistungen von mehreren Megawatt ausgelegt.

Um das Potenzial dieser Strom-Wärme-Strom-Speichersysteme zu heben, forschen diverse Wissenschaftler an der Carnot-Batterie. Dabei werden unterschiedliche Ansätze verfolgt und teilweise auch bereits in der Praxis eingesetzt.

Seit 2010 testet das DLR den Hochtemperatur-Wärmespeicher "HOTREG" mit und ohne Druck wie gut zum Beispiel Keramik oder Naturstein als Wärmespeicher in Kraftwerken geeignet sind.

Auch in der Praxis sind Carnot-Batterien mit Feststoffspeichern bereits im Einsatz: Als Wärmespeichermedium setzt EnergyNest auf den Spezialbeton Heatcrete, der eine extreme Wärmeleitfähigkeit und Hitzekapazität gewährleisten soll.

Der Stahlspeicher Menion von Lumenion speichert Strom als Hochtemperatur-Wärme bei 650°C.

Und in Hamburg ist der elektrothermische Hochtemperatur-Feststoffspeicher „Future Energy System – FEW“ von Siemens Gamesa Renewable Energie bereits in Betrieb, der aus rund 1.000 Tonnen Vulkangestein besteht.

Wie Wärmeenergie in Flüssigsalz gespeichert werden kann, testen die DLR-Forscher seit September 2017 mit der Thermobatterie TESIS (Test Facility for Thermal Energy Storage in Molten Salt) des DLR-Instituts für Technische Thermodynamik am Standort Köln.

Im Forschungsprojekt CHESTER (Compressed heat energy storage for energy from renewable sources) hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt am DLR-Standort Stuttgart 2022 zusammen mit Beteiligten aus Industrie und Forschung eine Carnot-Batterie mit Latentwärmespeicher aus rund zwei Kubikmetern Nitratsalzen in Betrieb genommen.

Das Besondere sind die Wärmeübertrager mit rippenartigem Querschnitt, wodurch sich für das Salz eine möglichst große Kontaktoberfläche ergibt. Über zwei verschiedene Kanäle können zum Aufladen und Entladen unterschiedliche Kältemittel eingesetzt werden.

Einen übergreifenden Optimierungsansatz verfolgt das Schwerpunktprogramm (SPP) „Carnot-Batterien: Inverser Entwurf vom Markt bis zum Molekül“. Dieses soll ab 2023 die bestmögliche Betriebsweise, geeignete Schaltungen, passende Substanzen und deren ideale Kombinationen erforschen werden, um am Ende die optimale Carnot-Batterie zu entwickeln. So soll überprüft werden, ob sich Speicherwirkungsgrade von über 70 Prozent und Kosten unter 100 €/kWh tatsächlich erreichen lassen.

* CC BY-NC-ND 3.0