Technologie

Flüssigmetall als Energiespeicher

06.02.2019 - Neuartige Ansätze sollen die Dekarbonisierung des Energiesystems beschleunigen.

Der jüngste Sonderbericht des Weltklimarats IPCC zum Klimawandel hätte deutlicher kaum ausfallen können: Nur, wenn der Menschheit die rasche Umsetzung von beispiellosen Veränderungen in allen Bereichen der Gesellschaft gelingt, dann lassen sich nach Erkenntnissen der am IPCC-Bericht beteiligten Klimaforscher katastrophale Folgen der Erderwärmung vielleicht noch abwenden. Entscheidend für einen Erfolg dieser Bemühungen seien die nächsten Jahre. Neue Ansätze und langjährige Erfahrungen verbindet dabei die Liquid Metal Competence Platform Karlsruhe (LIMCKA), in der mehrere Institute und Labore des Karlsruhe Instituts für Technologie KIT ihre Expertise bündeln. „Metallschmelzen haben ausgezeichnete thermische Eigenschaften. Sie können Wärme sehr gut aufnehmen, transportieren und speichern. Damit eignen sie sich für eine ganze Reihe neuartiger klimafreundlicher Energietechnologien“, sagt Alfons Weisenburger, der Koordinator von LIMCKA. „Bei einer entschlossenen Umsetzung könnten sie die notwendige Dekarbonisierung des Energiesystems beschleunigen.“

Auch ein zügiger Kohleausstieg gilt als wichtige Voraussetzung für eine Begrenzung der Folgen des Klimawandels. Allerdings tragen Kohlekraftwerke aktuell noch zur Netzstabilität bei einer zunehmend volatilen Stromerzeugung mit erneuerbaren Energien bei. Die mögliche Lösung: Kohlekraftwerke ließen sich – bei Weiterverwendung der vorhandenen Turbinen, Generatoren und Netzanbindung – in thermische Energiespeicherkraftwerke umrüsten. „Das Kernelement einer solchen Anlage, der thermische Speicher, aber auch die Rückverstromung, könnten mit flüssigen Metallen besonders effizient betrieben werden“, erläutert Julio Pacio vom Karlsruher Flüssigmetalllabor KALLA. Auch die direkte Speicherung elektrischer Energie in Flüssigmetallbatterien ist Teil der Forschung zu innovativen Energiespeichern mit großer Kapazität. Gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR arbeitet das KIT zurzeit am Aufbau einer entsprechenden gemeinsamen Forschungsinfrastruktur, dem Nationalen Demonstrator für Isentrope Energiespeicher – NADINE.

Auch Erdgas wird oft als eine saubere Alternative zur Kohle betrachtet. Doch das hauptsächlich aus Methan bestehende fossile Erdgas erzeugt bei der Verbrennung immer noch klimaschädliche CO2-Emissionen. KIT-Forschern sowie des Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam ist es aber gelungen, Erdgas klimaneutral nutzbar zu machen: „Wir nutzen die Flüssigmetalltechnologie, um das Methan in gasförmigen Wasserstoff und festen, elementaren Kohlenstoff zu trennen“, sagt Thomas Wetzel vom Institut für Thermische Verfahrenstechnik. Bei dem Pyrolyseverfahren wird das Methan von unten in eine auf bis zu 1200 Grad Celsius gehaltene Säule aus flüssigem Zinn kontinuierlich eingebracht und steigt darin als Blasenschwarm auf. Dabei erreicht das Gas in den Blasen die für die Spaltung notwendige Temperatur und zerfällt. An der Oberfläche des flüssigen Zinns entweicht dann der gasförmige Wasserstoff und der pulverförmige Kohlenstoff kann entfernt werden. „Im Labormaßstab konnten wir den kontinuierlichen Betrieb bei einer Umwandlungsrate von bis zu 78 Prozent nachweisen“, so Wetzel. Das neue Verfahren wird zurzeit mit Partnern aus der Industrie vom Labor in die Anwendung überführt. 

Nur etwa ein Viertel des weltweit erzeugten Stroms stammt nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) bislang aus erneuerbaren Energien. Eine für den global notwendigen weiteren Ausbau geeignete Technologie ist Concentrated Solar Power (CSP). In CSP-Kraftwerken wird Sonnenlicht mit Spiegeln auf einen Absorber konzentriert, einer Vorrichtung in der sich ein Wärmeträgerfluid durch das konzentrierte Licht erhitzt. Die Wärme kann dann sofort über einen klassischen Kraftwerksprozess in Strom gewandelt oder preiswert zwischengespeichert und während sonnenarmer Tage oder in der Nacht bedarfsgerecht verstromt werden. Mit Flüssigmetallen lässt sich die Wirtschaftlichkeit von CSP-Kraftwerken gegenüber der aktuellen, auf Salzschmelzen beruhenden Technologie steigern.

„Mit den höheren möglichen Fluidtemperaturen können wir einen höheren Umwandlungswirkungsgrad im Kraftwerksprozess erreichen und durch die hervorragenden Wärmetransporteigenschaften können die Absorber bei gleicher Leistung in ihrer Größe halbiert werden“, sagt Robert Stieglitz vom Institut für Angewandte Thermofluidik, „entsprechend groß ist das Interesse aus der Industrie.“ Zudem entwickeln die Forscher in LIMCKA innovative Direktwandler auf Natrium-Basis, die Alkali-Metal-Thermal-Electric-Converter-Zellen (AMTEC-Zellen), mit denen Wärme in Sonnenkraftwerken zukünftig auf elektrochemischem Weg direkt in Elektrizität gewandelt werden kann. „Wir haben einen entsprechenden Prototyp bereits erfolgreich im Labormaßstab realisiert und betrieben“, berichtet Wolfgang Hering vom Institut für Neutronenphysik und Reaktortechnik.

KIT / JOL

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