Carnot-Batterien als effiziente Energiespeicher
Carnot-Batterien als effiziente Energiespeicher
Die Energiewende erfordert effiziente Lösungen zur Speicherung großer Mengen erneuerbarer Energien sowie zur Nutzung bislang ungenutzter Abwärmepotenziale. Carnot-Batterien bieten hierfür einen vielversprechenden Ansatz: Niedertemperatur-Abwärme wird mithilfe einer Hochtemperaturwärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und in Form von Heißwasser bis zu 200°C gespeichert. Bei Bedarf wird die gespeicherte thermische Energie über einen Organic-Rankine-Cycle (ORC) wieder in elektrischen Strom zurückgewandelt. Dieses Konzept verbindet die Vorteile kostengünstiger thermischer Speicherung mit der Flexibilität einer bedarfsgerechten Rückverstromung und leistet damit einen Beitrag zur Sektorenkopplung und zur Integration fluktuierender erneuerbarer Energien.
Dabei wird folgenden Forschungsfragen nachgegangen:
- Wie lässt sich der Gesamtwirkungsgrad einer Carnot-Batterie steigern?
- Welche nachhaltigen, klimafreundlichen Kältemittel und Fluidgemische eignen sich für einen effizienten Betrieb bei diesen Temperaturen?
- Wie müssen Regelungstechnik und Betriebstrategien ausgelegt sein, um einen effizienten und robusten Anlagenbetrieb unter realen Randbedingungen sicherzustellen?
- Welchen Einfluss haben flexible, erhöhte Speichertemperaturen auf Effizienz, Speicherkapazität und Wirtschaftlichkeit der Anlage?
- Wie lassen sich die im Labormaßstab gewonnenen Erkenntnisse auf größere, industrienahe Anwendungen übertragen?
Ziel der laufenden Arbeiten ist es, Carnot-Batterien als effiziente und flexible Energiespeichertechnologie weiterzuentwickeln und ihre Wirtschaftlichkeit für den praktischen Einsatz zu verbessern. Im Fokus steht dabei die Steigerung der Prozesseffizienz durch die Optimierung von Arbeitsfluiden, Anlagenkomponenten und Betriebsführung, um Carnot-Batterien als Baustein einer sektorengekoppelten, erneuerbaren Energieversorgung zu etablieren.
Im Rahmen der EnCN-Förderphase 2 wurde eine first-of-its-kind Carnot-Batterie-Anlage am Energie Campus Nürnberg aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen. Die Anlage besteht aus einer reversiblen Hochtemperaturwärmepumpe sowie zwei Heißwasserspeichern mit je 4.000 Litern. Die Anlage erreicht eine elektrische Leistung von bis zu 15kW und dient dem grundsätzlichen Nachweis der technischen Machbarkeit des Gesamtkonzepts.
Aufbauend auf dem erfolgreichen Proof of Concept liegt der Schwerpunkt der aktuellen Forschungsarbeiten auf der Effizienzsteigerung des Gesamtprozesses- Hierzu zählen insbesondere:
- die Identifikation und experimentelle Untersuchung geeigneter nachhaltiger Kältemittel und Fluidgemische für den Wärmepumpen- und ORC-Prozess,
- die Optimierung von Regelungstechnik und Betriebsstrategien,
- die Untersuchung des Anlagenbetriebs bei flexiblen Speichertemperaturen zur Steigerung der Speicherkapazität und Prozessflexibilität
Ausblick: Auf Basis der laufenden Optimierungsarbeiten sollen die gewonnenen Erkenntnisse künftig in die Auslegung leistungsfähigerer und wirtschaftlicherer Carnot-Batterie-Systeme einfließen. Langfristiges Ziel ist der Transfer der Technologie in die industrielle Anwendung, um Carnot-Batterien als Baustein flexibler, dezentraler Energiespeicherlösungen zu positionieren.
Das Projekt läuft seit 2018 und wird derzeit noch weitergeführt.
EnCN-Förderphase 2
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