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Wärmeplattform NADINE: Energiespeicherung im Gigawattstunden-Maßstab

»Das« Problem der Energiewende, die fehlende Energiespeicherung im Gigawattstunden-Maßstab, ist theoretisch durch isentrope Energiespeicher lösbar. Die neue Versuchseinrichtung NADINE soll die Systeme jetzt validieren.

Carnotscher-Speicher Bildquelle: © DLR

Das Problem der Energiewende, die fehlende Energiespeicherung im Gigawattstunden-Maßstab, ist prinzipiell durch Pumpspeicherwerke und Batterien lösbar. Doch das Potenzial für Pumpspeicherwerke ist in Deutschland weitgehend erschöpft und Batteriespeicher sind hierfür gegenwärtig zu teuer und nicht langlebig (zyklenfest) genug.

Einen Ausweg aus diesem Dilemma könnten sogenannte »isentrope« Energiespeicher sein. Diese wandeln elektrischen Strom auf umkehrbare Weise in Wärme oder weitere Energieformen wie mechanische oder chemische Energie um. Der maximale Wirkungsgrad eines solchen Systems beträgt theoretisch 100 Prozent. Die Technologie wird im Englischen als »Pumped Heat Thermal Electricity Storage« (PTES) oder als Carnot-Batterie bezeichnet.

»Isentrop« sind Vorgänge, die sich bei konstanter Entropie abspielen und deshalb umkehrbar sind. Ein (allerdings trivialer) isentroper Energiespeicher ist beispielsweise ein Pumpspeicherkraftwerk, bei dem elektrische Energie in potentielle Lageenergie oder ein Schwungradspeicher, bei dem elektrische in kinetische Energie umgewandelt wird. Die drei generischen isentropen Energiespeicherkonzepte sind die a) Strom-Wärme-Strom-Energiespeicher (SWS), b) adiabatische Druckluftspeicher (ADS) und c) reversible Brennstoffzellenspeicher (RBZ).

Beim Energiespeicher-Konzept des Strom-Wärme-Strom-Energiespeichers (SWS) wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, die anschließend wieder rückverstromt werden kann. Allerdings sind die heute real erreichbaren Wirkungsgrade nicht berauschend, sodass keine Isentropie vorliegt: Würde Wasser mit Strom von 20 °C auf 100°C aufgeheizt und die Wärme danach mit einer Carnot- Maschine verstromt, so ergäbe sich ein idealer Speicher Wirkungsgrad von ca. 27 %, wovon praktisch nur die Hälfte, also ca. 14 % technisch machbar wären.

Diese Dilemma ließe sich umgehen, wenn a) zur Heizung des Wassers anstatt einer elektrischen Heizung eine Carnotsche Wärmepumpe eingesetzt würde, die eine größere Wärmemenge erzeugen kann und wenn b) diese Wärme bei Bedarf auch mittels einer Carnotschen Wärmekraftmaschine wieder zurück in Arbeit verwandelt würde. Hier ist theoretisch die zur Erwärmung verbrauchte elektrische Energie und die hieraus abschließend zurückgewonnene Arbeit gleich, man kann von einem isentropen Energiespeicher sprechen.

Ein solcher Carnotscher Energiespeicher hat das Potenzial, die Nachteile hoher Kosten und geringer Zyklenfestigkeit zu überwinden und an beliebigen Orten installierbar zu sein. Die neue Versuchseinrichtung NADINE (Nationaler Demonstrator für IseNtrope Energiespeicher) soll dazu beitragen, die technischen und wissenschaftlichen Fragen zur Umsetzung dieser Technologie zu beantworten.

Auf der »Wärmeplattform« können künftig sowohl einzelne Komponenten (zum Beispiel Wärmespeicher, Kältespeicher und Wärmepumpen), als auch komplette Energiespeichersysteme untersucht werden.

DLR, KIT und Universität Stuttgart erarbeiten im Rahmen eines vom Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) und dem Land Baden-Württemberg geförderten Designprojekts die technischen Parameter der Wärmeplattform NADINE. Die weltweit einzigartige Infrastruktur soll nach ihrer Fertigstellung Nutzern aus Wissenschaft und Industrie zur Verfügung stehen, für Grundlagenforschung ebenso wie für zielgerichtete Technologieentwicklung.

Am 8. Oktober findet im Internationalen Begegnungszentrum der Universität Stuttgart die Unterzeichnung des Memorandums of Understanding für die Wärmeplattform NADINE statt. Am 9. und 10. Oktober folgt eine wissenschaftliche Tagung, die in dieser Form erstmalig einen repräsentativen Überblick über den Stand der Technik im Bereich von Carnot-Batterien gibt. Abgerundet wird die Energiespeicherwoche durch einen Industrie-Workshop am 10. und 11. Oktober 2018 (beide Hotel Campus.Guest, Universitätsstraße 34, 70569 Stuttgart-Vaihingen).

Im Rahmen der Tagung hält auch am 10. Oktober der Nobelpreisträger des Jahres 1998, Prof. Robert B. Laughlin (Stanford University, Kalifornien) um 18.00 Uhr im Campus Stuttgart Vaihingen, Pfaffenwaldring 7, Hörsaal 7.02 einen englischsprachigen (!) Vortrag über das Thema »Wärme und Wind: Eine Energiestrategie, die wirklich funktionieren wird (ohne uns in den Ruin zu treiben)«.