Energiespeicherung: Heiß ist die Hoffnung

Mithilfe von Flüssigmetall wollen Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in Zukunft Wärme bei extrem hohen Temperaturen speichern

Für die Stahl- oder Glasindustrie wäre es ein Quantensprung: Öfen mit erneuerbaren Energien heizen. Das ist eines der Ziele von Dr. Klarissa Niedermeier. Sie entwickelt einen Wärmespeicher für Temperaturen von über 700 Grad Celsius. Der Clou: Er funktioniert mit Flüssigmetall. Auf der Hannover Messe 2024 stellt die Forscherin mit ihrem Team einen einzigartigen Prototyp vor.

Sollte es bei der Entwicklung von Wärmespeichern eine Königsdisziplin geben, dann wären es Hochtemperatur-Wärmespeicher. Diese Anlagen, die für industrielle Zwecke eingesetzt werden sollen, speichern Energie in Form von Wärme und erreichen dabei Temperaturen von über 500 Grad Celsius. Flüssigsalze oder Feststoffe sind bei der Speicherung der Energie die Mittel der Wahl. Doch wie bei anderen Wettbewerben gibt es auch bei den Wärmespeichern ein noch höheres Ziel, so etwas wie den „Ironman“ unter den Vorhaben: Wärme von über 700 Grad Celsius zu speichern – so heiß wie Lava.

In diesem Bereich werden bisher Gase als Medium eingesetzt, die mit Strom aufgeheizt werden. Anschließend transportieren sie ihre Wärme bis zu einem Speichermaterial, das die Hitze aufnimmt, beispielsweise Stahl, Vulkanstein oder Schlacke. Doch Dr. Klarissa Niedermeier vom Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit des KIT will in dieser Kategorie einen ganz neuen Weg einschlagen.

Cover lookKIT zum Thema Ressourcen. Kreislauf. Energie. modus: medien + kommunikation gmbh
Ressourcen. Kreislauf. Energie.

Die Ausgabe 2024/1 des Forschungsmagazins lookKIT widmet sich effizienter Ressourcennutzung und Kreislaufwirtschaft.

Zum Magazin

Wärme leiten, aber 100-mal besser

Die promovierte Verfahrenstechnikerin hat mit ihrer Forschungsgruppe einen Wärmespeicher auf Blei-Bismut-Basis entwickelt. Sie ist damit eine der ersten weltweit, die auf den Einsatz von Flüssigmetallen im Wärmespeicher setzt: „Die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigmetallen ist 100-mal größer als die von anderen Materialien“, so Niedermeier. „Sie können Energie also extrem gut transportieren und weitergeben.“

Seit rund sechs Jahren arbeitet die Wissenschaftlerin an der Technologie. Nicht aus Jux: Die 35-Jährige will damit ressourcenintensiven Branchen helfen, die wetterabhängigen erneuerbaren Energiequellen besser zu nutzen. Denn Industrieprozesse schlucken in Deutschland 400 Terawattstunden Wärme im Jahr, das sind 20 Prozent des gesamten Energiebedarfs der Bundesrepublik. Ob Stahl, Glas, Zement oder Beton: Es wird tagein tagaus bei bis zu 3 000 Grad Celsius gebrannt, geschmolzen und getrocknet. Die Temperaturen müssen dabei stabil bleiben. „Dafür werden bisher zu 90 Prozent fossile Brennstoffe eingesetzt“, erklärt die Ingenieurin. „Das muss sich ändern.“

Ansätze gibt es schon, beispielsweise die Elektrifizierung von Prozessen oder die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger. Mit ihrem Wärmespeicher auf Flüssigmetallbasis will Niedermeier den Firmen eine Lösung bieten, um die Fluktuationen des Stromangebots aus erneuerbaren Quellen abzufedern und eine Energiespeicherung zu ermöglichen, die einfach, kostengünstig, schnell und bei Temperaturen ist, die so nah wie möglich an denen der Industrieprozesse sind.

Keramikkügelchen als Speichermaterial

Das Prinzip des neuartigen Systems: Strom heizt das flüssige Blei-Bismut, das sich in einem Kreislauf befindet, auf über 700 Grad Celsius auf. In einem Stahltank sickert dann das Flüssigmetall zwischen klitzekleinen, weißen Keramikkügelchen hindurch. Dabei gibt das Blei-Bismut seine Hitze an die Kügelchen ab, die als Speichermaterial fungieren. Wenn die Wärme wieder gebraucht wird, läuft das abgekühlte Flüssigmetall zwischen den Kügelchen zurück und heizt sich dadurch auf mehr als 700 Grad Celsius auf. Die Simulationen, die Klarissa Niedermeier und ihr Team am Flüssigmetalllabor KALLA (KArlsruhe Liquid Metal LAboratory) des KIT durchgeführt haben, zeigen: Mit Blei-Bismut kann der Wärmespeicher schneller aufgeheizt und dichter gepackt werden als mit Gas. Man benötigt also kleinere Rohre und weniger Platz, spart Kosten und Zeit.

Warum hat niemand früher daran gedacht, Flüssigmetall in Wärmespeichern zu nutzen, wenn es so vorteilhaft klingt? Der erste Grund sei logistischer Natur, so Niedermeier. Es gebe nicht viele Kreisläufe auf der Welt, in denen ein solcher Wärmespeicher getestet werden kann. Das KALLA habe jedoch aus den Zeiten der Kernkraftforschung einen großen Blei-Bismut-Kreislauf, der ursprünglich für die Erforschung der Kühlung von Brennstäben errichtet wurde und nun auch für neue Projekte im Bereich der erneuerbaren Energien genutzt wird. „Der Kreislauf ist seit mehr als 20 Jahren in Betrieb. Das Team hat also viel Know-how aufgebaut“, erklärt Niedermeier. „Hinzu kommt, dass Flüssigmetalle korrosiv sind, vor allem bei hohen Temperaturen. Dafür werden am KIT spezielle Stahllegierungen für Rohre und Kreislaufkomponenten entwickelt.“

Ein weiterer Grund, warum sich wenige Forschende mit Flüssigmetallen in Wärmespeichern beschäftigen, ist physischer Natur: An sich können diese speziellen Metalle Wärme nicht gut speichern. „Man muss also erst mal auf die Idee kommen, dass man Flüssigmetall nur als ‚Transportmittel‘ nutzt und nicht als Speichermaterial im Tank selbst“, erläutert die Ingenieurin.

Partnerschaften für 700 Grad Celsius und mehr gesucht

Trotz aller Vorteile stellt Niedermeier klar: „Es gibt noch viele offene Forschungsfragen.“ Der Wärmespeicher sei bisher bis 400 Grad Celsius getestet worden und das System sei noch nicht optimiert. Die Forschungsgruppe sucht zum Beispiel ein kostengünstigeres Speichermaterial und versucht gleichzeitig, die Energiedichte weiter zu verbessern. Zudem müssen Pumpen und Ventile für geschmolzenes Blei-Bismut für Temperaturen über 500 Grad Celsius getestet werden.

Auf der Hannover Messe hofft das Team um Niedermeier, mit Firmen Kontakte knüpfen zu können, die mit energieintensiven Hochtemperatur-Prozessen arbeiten oder die Abwärme bei hohen Temperaturen erzeugen und die Wärme zwischenspeichern wollen. Bei der größten Industrieschau der Welt präsentiert das Team zudem eine Nachbildung seines Wärmespeichers, die etwa halb so groß ist wie der tatsächliche Versuchsspeicher am KIT, der für die Speicherung von 100 Kilowattstunden Wärme designt ist. Niedermeier erklärt: „Das ist der erste Flüssigmetall-Wärmespeicher dieser Art weltweit mit einer solchen Kapazität. Uns geht es darum zu zeigen, dass das Prinzip funktioniert und ein riesiges Potenzial für die Defossilisierung der Industrie hat.“

Isabelle Hartmann, 25.03.2024

Aufnahme von Klarissa Niedermeier bei den Versuchsanlagen von KALLA. Markus Breig, KIT
Am Karlsruher Flüssigmetalllabor KALLA forscht Dr. Klarissa Niedermeier mit ihrem Team an Hochtemperatur-Wärmespeichern.
Schematische Darstellung des Wärmespeichers, die den Wärmefluss zeigt. KALLA
Im Wärmespeicher wird flüssiges Blei-Bismut als Wärmeträger eingesetzt.
In einem Metallzylinder liegen winzige Keramikkugeln. Der Zylinder kann mit einem passenden Gegenstüg von oben verschraubt werden. KALLA
Prototyp im Labormaßstab: Die Keramikkügelchen speichern die Wärme.

Hannover Messe 2024

Vom 22. bis 26. April zeigt das KIT im Future Hub und bei den Energy Solutions ausgewählte Highlights aus der Technologieentwicklung.
Messestand des KIT auf der Hannover Messe 2023Sandra Göttisheim, KIT

Mobile lernende Roboter für agile Produktionssysteme in der Kreislaufwirtschaft, das Recycling von Beton und das gezielte Anonymisieren großer Datenmengen gehören zu den Topthemen des KIT im Future Hub (Halle 2, Stand B35). Bei den Energy Solutions (Halle 13, Stand C76) dreht sich alles um Energiespeicherung: Hier stellt das KIT ein Hybridspeichersystem für die Strom- und Wärmeversorgung, Wärmespeicherung mithilfe flüssiger Metalle, Forschung zur Sicherheit der Wasserstoffspeicherung sowie Energiespeichermaterialien für Natrium-Ionen-Akkuzellen vor.

Presseinformation des KIT zur Hannover Messe
Forschungsmagazin lookKIT „Ressourcen. Kreislauf. Energie“

Highlights aus der Technologieentwicklung

Future Hub

Halle 2, Stand B35

AgiProbot: Smarte Roboter für agile Produktion

Mobile lernende Roboter mit Multisensorik ermöglichen ein agiles Produktionssystem bei ungewissen Produktspezifikationen. Ziel des Projekts ist, dass sich Fabriken autonom an ständig neue Bedingungen anpassen können. Dabei stellt das Remanufacturing einen idealen Anwendungsfall dar: Gebrauchte Produkte werden durch Demontage, Aufarbeitung und Remontage auf den Qualitätsstandard von neuen Produkten gebracht, sodass sie sich wiederverwenden lassen. Damit trägt Remanufacturing zu einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft bei.

Recycling-Check für gebrauchte Produkte

Befundungsstation mit Roboterarm und Drehteller.

Bei der Befundung wird bewertet, ob ein gebrauchtes Produkt sich aufarbeiten und wiederverwenden lässt. In AgiProbot wird an einer Befundungsstation das sonst von Menschen vorgenommene anfängliche Überprüfen gebrauchter Produkte automatisiert. Dazu nutzt die Station verschiedene Verfahren der optischen Messtechnik, wie ein robotergeführtes Kamerasystem, sowie Methoden der Künstlichen Intelligenz. So kann sie lernen, Zustand und Mängel selbstständig festzustellen.

Datenblatt

Analyse von Demontageprozessen

Station zur Erfassung und Interpretation menschlicher Demontageprozesse

Eine eigens aufgebaute Station dient dazu, den Menschen bei einer manuellen Demontage zu beobachten. Mit der eingesetzten Sensorik lassen sich Augen- und Blickbewegung sowie menschliche Haltung, Arm- und Handbewegungen in Kombination mit benutzten Werkzeugen und Produktkomponenten sowie einzelne Objekte auf der Arbeitsmatte erfassen. Diese Daten dienen als Eingabe für das Programmieren eines Roboters durch Vormachen. Ziel ist eine automatisierte Demontage.

Datenblatt

Net-Zero Circular Concrete – Beton ohne klimaschädliche Emissionen

Ein innovatives Kreislaufverfahren ermöglicht, Beton ressourcen- und klimaschonend herzustellen. Dazu wird Altbeton aus dem Abriss von Gebäuden gebrochen und in grobe und feine Teile sortiert. Aus dem Feinanteil wird nach Zugabe von Kalkstein und bei moderaten Prozesstemperaturen ein Bindemittel hergestellt. Der Grobanteil nimmt das im Prozess entstehende Kohlenstoffdioxid (CO2) auf und wird gemeinsam mit dem Bindemittel für die Produktion von neuem Beton genutzt. Am KIT entsteht derzeit eine Pilotanlage, um das Know-how für die Herstellung größerer Mengen zu schaffen.

Datenblatt

Ein geparktes Fahrrad vor einer vorbeifahrenden Straßenbahn. Amadeus Bramsiepe, KIT
Bei der Vernetzung von unterschiedlichen Mobilitätsformen im ÖPNV ist die Anonymisierung personenbezogener Daten ein großes Thema.

ANYMOS: Datensicherheit in der vernetzten Mobilität

Ob Navigationssysteme oder Ticketkäufe per Smartphone – Dienste für vernetzte Mobilität erfordern Daten. Wie lässt sich erreichen, dass die Daten so verwendet werden, dass sie ihren Zweck erfüllen, aber keine Rückschlüsse auf Individuen zulassen? Mit dieser Frage befasst sich der Kompetenzcluster „Anonymisierung für vernetzte Mobilitätssysteme“ (ANYMOS), den das KIT und das FZI Forschungszentrum Informatik, ein Innovationspartner des KIT, gemeinsam vorstellen. Die Forschenden untersuchen, welche Anforderungen an Methoden der Anonymisierung zu stellen sind und ermitteln die Umstände, unter denen aus anonymisierten Daten wieder individuelle Daten werden könnten. Daraus sollen konkrete Anwendungen entstehen, beispielsweise Ticketsysteme, die eine zurückgelegte Strecke genau abrechnen, ohne zu verraten, welche Strecke die Person gefahren.

Datenblatt

Energy Solutions

Halle 13, Stand C76

Litona – Materialien für nachhaltige Natrium-Ionen-Akkus

Das aus dem KIT ausgegründete Start-up Litona entwickelt Energiespeichermaterialien für Natrium-Ionen-Akkuzellen. Weil sie sich mit günstigen und gut verfügbaren Rohstoffen herstellen lassen, könnten natrium-basierte Akkus künftig dazu beitragen, die Kosten von Batterien zu senken sowie die Abhängigkeit Europas von Rohstoffimporten zu reduzieren. Litona befasst sich derzeit vor allem mit den Preußisch Weiß Analoga. Diese Speichermaterialien sind vor allem für die stationäre Energiespeicherung und Anwendungen im Automobilbereich interessant.

Datenblatt

Wärmespeicher im Labormaßstab: Das Foto zeigt die Keramikkügelchen, welche die Wärme speichern
Am Karlsruher Flüssigmetalllabor (KALLA) wird die Verwendung von Metallschmelzen (sogenannte Flüssigmetalle) als Wärmeträger in Wärmespeichern erforscht.

Flüssige Metalle als Wärmeträger

Mit thermischen Energiespeichern lässt sich Energie für industrielle Hochtemperaturprozesse, beispielsweise in der Chemieindustrie oder bei der Metallverarbeitung, direkt in Form von Wärme angebots- und bedarfsorientiert speichern. Flüssigmetalle ermöglichen die Speicherung von Wärme in einem sehr hohen Temperaturbereich. Sie werden mit Keramikkügelchen kombiniert, die eine hohe Speicherdichte und Langzeitspeicherfähigkeit aufweisen. Eine Pilotanlage soll den Betrieb eines flüssigmetall-basierten Wärmespeichers demonstrieren.

Datenblatt

Druckbehälter für Wasserstoffverbrennungsversuche am  Wasserstoffversuchszentrum des KIT KIT
Am Wasserstoff-Versuchszentrum HYKA forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT an Methoden zur Wasserstoffsicherheit.

Sichere Wasserstoffspeicher

Wasserstoff (H2) eignet sich als sauberer, effizienter und zuverlässiger Energieträger für viele Anwendungen. Das KIT hat in der Forschung zur H2-Sicherheit mehr als 30 Jahre Erfahrung. Mit dem Wasserstoff-Versuchszentrum HYKA verfügt es über weltweit einzigartige Infrastrukturen für Experimente zu unterschiedlichen Freisetzungs- und Verbrennungsszenarien. Mit dem PET-Rohr untersuchen Forschende turbulente Verbrennungsvorgänge in Wasserstoff-Luft-Gemischen in teilumschlossenen Geometrien, wie sie bei einem undichten H2-Speicher in realen Räumen mit Türen und Fenstern zu erwarten sind. Ergänzend zu den Experimenten entwickeln die Forschenden 3D-Simulationsprogramme, mit denen sich Sicherheitssituationen gezielt überprüfen und verbessern lassen.

Datenblatt

Vanadium-Redox-Flow-Batterie mit Isolierung
Effiziente Strom- und Wärmeversorgung: Im Projekt „BiFlow“ werden die Elektrolyttanks einer Redox-Flow-Batterie als Wärmespeicher genutzt.

BiFlow – Hybridspeichersystem für die Strom- und Wärmeversorgung

Die Energiewende mit dem Ausbau erneuerbarer Energien erfordert große Speicherkapazitäten. Im Projekt BiFlow entsteht ein Hybridspeichersystem, das die spezifischen Vorteile der Lithium-Ionen-Batterie und der Redox-Flow-Batterie miteinander verbindet. Überdies dienen die Elektrolyttanks der Redox-Flow-Batterie als Wärmespeicher, was den Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhöht. So eröffnen sich neue Möglichkeiten für eine kosten- und platzeffiziente Strom-Wärme-Kopplung.

Datenblatt

Das KIT an weiteren Themenständen

Der InnovationsCampus Mobilität der Zukunft (ICM) der Universität Stuttgart und des KIT gibt am Stand von Baden-Württemberg international (Halle 12, Stand D15) Einblicke in die Spitzenforschung für nachhaltige und digitalisierte Produktion und Mobilität. Die Wasserstoffwelt des ICM umfasst Exponate und Projekte aus der Prozesskette in Brennstoffzellen. Das Projekt RoboCable zeigt einen Roboter, der mithilfe Künstlicher Intelligenz Kabel und Kabelstränge automatisiert verlegt. Am Demonstrator DeVee, einem Elektro-Leichtfahrzeug, sind verschiedene Teilsysteme für ein Fahrzeugkonzept der Zukunft zu erleben.

Das Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe (CELEST) stellt sich ebenfalls am Stand von Baden-Württemberg international (Halle 12, Stand D15) vor. In CELEST, der deutschlandweit größten Plattform für elektrochemische Speicher, arbeiten das KIT, die Universität Ulm sowie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) zusammen.

Das Projekt AppLHy!, vertreten mit einem Exponat am Stand des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (Halle 2, Stand A28), befasst sich mit Design und Realisierung einer kombinierten Transportstrecke für Flüssigwasserstoff und elektrische Energie. Der Strom soll mithilfe von Hochtemperatur-Supraleitern übertragen werden.

Die KIT-Gründerschmiede präsentiert sich gemeinsam mit neun Ausgründungen aus dem KIT in der Startup Area im Network Park in Halle 2, Stand D30. Jeweils zwei Start-ups pro Messetag sind am Stand für Gespräche und pitchen zudem auf der Industrial Startup Stage. Die KIT-Gründerschmiede gehört zu den größten universitären Gründerzentren in Deutschland und versteht sich als Nährboden und Beschleuniger für innovative Geschäftsideen rund um die zentralen Zukunftsthemen unserer Zeit.

Das KIT im Konferenzprogramm

Tech Transfer Conference Stage (Halle 2, Stand B02)

Dienstag, 23. April 2024, 13:55 Uhr
Podiumsdiskussion: Welche Verantwortung trägt Forschung für eine nachhaltige Zukunft?
Expertinnen und Experten aus Informationstechnologie, Mobilität und Forschungstransfer diskutieren über die Rolle und Verantwortung der Wissenschaft angesichts von Klimawandel, Ressourcenknappheit und Auswirkungen auf die Gesellschaft. Im Fokus steht vor allem der sich sehr schnell entwickelnde Einsatz der Künstlichen Intelligenz. Teilnehmende sind Ada Streb, FZI Forschungszentrum Informatik, Leiterin des Hauptstadtbüros und Bereichsleiterin Innovation, Strategy and Transfer; Dr. Alexander Viehl, FZI, Bereichsleiter Intelligent Systems and Production Engineering; Dr. Sandra Kauffmann-Weiß, KIT, Geschäftsführerin InnovationsCampus Mobilität der Zukunft und Dr. Walter Tromm, Sprecher des KIT-Zentrums Energie. Die Moderation übernimmt Dr. Wolfgang Breh, Geschäftsführer des KIT-Zentrums Energie.

Dienstag, 23. April 2024, 14:50 Uhr
Vortrag: Net-Zero Circular Concrete
Dr. Peter Stemmermann, Institut für Technische Chemie des KIT

Mittwoch, 24. April 2024, 10:25 Uhr
Vortrag: SFB 1574 – Die Kreislauffabrik für das ewige Produkt
Manuel Zaremski, Institut für Arbeitswissenschaft und Betriebsorganisation des KIT

ENERGY 4.0 Academy (Halle 12, Stand D35/26)

Dienstag, 23. April 2024, 14:20 Uhr
Vortrag: Neues thermisches Kopplungssystem für stationäre elektrische Energiespeicher im Gebäudesektor
Dr. Christian Kupper, Elektrotechnisches Institut des KIT

Donnerstag, 25. April 2024, 10:00 Uhr
Vortrag: Methanpyrolyse als Schlüsselelement für emissionsfreie Wasserstoff- und Kohlenstoffproduktion
Prof. Dr.-Ing. Thomas Wetzel, Institut für Thermische Verfahrenstechnik des KIT

Kontakt

Monika Landgraf
Dipl.-Journalistin Monika Landgraf
Chief Communication Officer, Leiterin Abt. Gesamtkommunikation, Pressesprecherin

+49 721 608-41150monika landgraf does-not-exist.kit edu

Oliver Juergens
Oliver Juergens

Veranstaltungsmanagement

+49 721 608-29202

oliver juergens does-not-exist.kit edu