Carnot-Batterie

Eine Carnot-Batterie ist ein Energiespeicher, der Strom in Form thermischer Energie speichert. Während des Ladevorgangs wird Strom in Wärme umgewandelt und im Wärmespeicher gespeichert, bei der Entladung wird die gespeicherte Wärme wieder in Elektrizität umgewandelt.[1] Die Batterie ist benannt nach Nicolas Léonard Sadi Carnot, dessen Studien die Thermodynamik begründeten.

Wirkungsweise einer Carnot-Batterie (Schema)
Carnot-Batterie mit Wärmepumpe zur Aufladung und KWK-Prozess zur Entladung

Das Wort erfand Andre Thess (DLR)[2] 2018 im Vorfeld eines Workshops. Das Konzept mit Latentwärmespeicher, „Energieaufspeicherung mittels Wärmepumpe und Wärmekraftmaschine“ hatte Fritz Marguerre in den Dreißigern patentiert. Am DLR arbeitet man derzeit daran, das Zusammenspiel der Komponenten zu optimieren.[3]

Hintergrund

Die Idee der Carnot-Batterie beruht darauf, dass sich thermische Energie kostengünstiger speichern lässt als es bei der elektrochemischen Speicherung in konventionellen Batterien der Fall ist. Die Carnot-Batterie besteht aus den Untersystemen der Stromumwandlung in Wärme, der Wärmespeicherung und der Rückgewinnung von Strom aus Wärme. Besonders vorteilhaft sind dabei Systeme, die die Wärme über Wärmepumpen bereitstellen, da sich so ein sehr viel höherer Gesamtwirkungsgrad erreichen lässt.

Systemkonfiguration

Ein Carnot-Batterie Speichersystem besteht aus drei Teilen: der Umwandlung von Strom zu thermischer Energie (Power to Thermal, P2T), dem thermischen Energiespeicher (Thermal Energy Storage, TES) und der Umwandlung von thermischer Energie zu Strom (Thermal to Power, T2P).

Technologien der Strom zu Wärmeumwandlung

Strom kann durch den Einsatz verschiedener Technologien in Wärme umgewandelt werden.[4]

  • Eine Widerstandsheizung wandelt Strom in Wärme um.
  • Ein linksläufiger Kreisprozess (Wärmepumpe) überträgt Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau, mit zusätzlicher Arbeitsenergie, auf ein höheres Temperaturniveau.
  • Für Kryogene Energiespeicherung wird Luft verflüssigt.

Thermische Energiespeicherung

Entsprechend dem Mechanismus der Energiespeicherung können Wärmespeicher in drei Arten unterteilt werden: sensible Wärmespeicher, latente Wärmespeicher (Latentwärmespeicher) und thermochemische Wärmespeicher. Die verwendeten Speichermaterialien für Carnot-Batterien sind:

Eine besonders große Kapazität haben latente Flüssigsalzspeicher in natürlichen Salzstrukturen im Untergrund.[6]

Technologien Umwandlung von Wärme zu Strom

Wärme kann durch thermodynamische Prozesse, die beispielsweise auf dem Clausius-Rankine-Kreisprozess oder dem Joule-Kreisprozess basieren, in Strom umgewandelt werden. Mögliche Wärmekraftmaschinen hierfür könnten sein:

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Einzelnachweise
  1. IEA Energy Storage Annex 36 - Carnot Batteries. Technology Collaboration Programme Energy Storage, International Energy Agency, abgerufen am 17. Juni 2021.
  2. https://www.dlr.de/tt/Portaldata/41/Resources/dokumente/institut/institutsleitung/Kurzportraet_Thess.pdf
  3. Nadja Podbregar: Mit Carnot-Batterien gegen die Dunkelflaute - Speicher auf Basis von Nitratsalz-Schmelzen für Sonnen- und Windstrom getestet. In: scinexx.de. 11. November 2022, abgerufen am 16. März 2024.
  4. Olivier Dumont, Guido Francesco Frate, Aditya Pillai, Steven Lecompte, Michel De paepe, Vincent Lemort: Carnot battery technology: A state-of-the-art review. In: Journal of Energy Storage. 32. Jahrgang, 2020, ISSN 2352-152X, S. 101756, doi:10.1016/j.est.2020.101756.
  5. Werner Pluta: DLR testet Energiespeicher mit geschmolzenem Salz. In: Golem.de. 8. November 2022, abgerufen am 9. November 2022.
  6. Rüter, Horst, Reinhard Kirsch, Flüssigsalz-Latentwärmespeicher in Salzstrukturen zur bedarfsgerechten Strombereitstellung aus Erneuerbaren Energien, GTE 106, 16–22, 2023.
  7. Felix Holy, Michel Textor, Stefan Lechner: Gas turbine cogeneration concepts for the pressureless discharge of high temperature thermal energy storage units. In: Journal of Energy Storage. Band 44, 1. Dezember 2021, ISSN 2352-152X, S. 103283, doi:10.1016/j.est.2021.103283.
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