Heiße Pumpen für Energiespeicher
Um Wärme effizient zu speichern, sollten die Temperaturen möglichst hoch sein. Bislang fehlte es an Technik, die das aushält, doch jetzt haben Forscher eine Pumpe auf der Grundlage von Keramik-Materialien entwickelt.
- James Temple
Wissenschaftler haben eine Keramikpumpe entwickelt, die bei Temperaturen von bis zu 1.400 Grad Celsius betrieben werden kann. Das sind mehrere 100 Grad mehr als bei bisherigen Systemen für Wärmetransport, und es eröffnet bedeutende neue Möglichkeiten in der Energiespeicherung.
Wie die Forscher in einer Anfang Oktober in der Fachzeitschrift Nature erschienenen Studie erklären, könnte die Pumpe für die Entwicklung eines zuverlässigen Speichersystems für das Stromnetz verwendet werden, das erneuerbare Quellen wie Wind und Sonne so billig und leicht verfügbar macht wie Erdgas-Kraftwerke.
Bessere Wärmespeicherung in Aussicht
Ein solches Wärmespeichersystem würde mit flüssigen Metallen wie geschmolzenem Silizium funktionieren und Wärmeenergie bei weitaus höheren Temperaturen speichern und transportieren als die bislang genutzten Trägermedien wie zum Beispiel geschmolzenes Salz. Höhere Temperaturen bedeuten, dass sich mehr Wärmeenergie in mechanische oder elektrische umwandeln lässt, so dass die Gesamteffizienz zunimmt.
"Damit sind wir jetzt in der Lage, Wärme bei extrem hohen Temperaturen zu bewegen", sagt Asegun Henry, Assistant Professor am Georgia Institute of Technology. "Die Möglichkeiten nehmen dadurch deutlich zu."
Das Interesse an flüssigen Metallen als Medium zur Wärmespeicherung nimmt seit einiger Zeit zu, doch das Problem waren bislang Pumpen und Leitungen, die diesen Bedingungen standhalten können. Keramik übersteht unglaublich hohe Temperaturen, ist aber auch spröde und damit ein schwieriges Material für die Verwendung in Maschinen-Komponenten.
Energiespeicher, der in der Hitze Bestand hat
Diese Einschränkungen konnten die Forscher am Georgia Tech, zusammen mit Kollegen der Universitäten Stanford und Purdue, durch neue Kompositmaterialien umgehen. Außerdem nutzten sie Diamant-Werkzeuge und Präzisionsmaschinen. Die nötigen Dichtungen wiederum sind aus Graphit, das ebenfalls sehr hohen Temperaturen standhält.
Der Pumpen-Prototyp hat mit geschmolzenem Zinn bereits 72 Stunden am Stück zuverlässig funktioniert, bei einer Durchschnittstemperatur von 1.200 Grad und Spitzenwerten von 1.400 Grad. Gewisse Abnutzungserscheinungen waren anschließend jedoch festzustellen. Im nächsten Schritt will das Team deshalb eine Pumpe aus Siliziumkarbid herstellen, einem härteren Keramik-Material, das länger halten dürfte.
Unterstützt wurde die Arbeit mit 3,6 Millionen Dollar von ARPA-E, der Forschungsstelle des US-Energieministeriums für besonders ambitionierte Projekte.
Das Silizium aufheizen
Für das vorgeschlagene Netz-Speichersystem würde Strom aus Solar-, Wind- oder Atomkraftwerken genutzt, um Silizium auf sehr hohe Temperaturen aufzuheizen und darin thermische Energie zu speichern. In Zeiten mit hoher Nachfrage und geringer Stromproduktion, etwa nach Sonnenuntergang, würde das System diese Energie über Thermophotovoltaik zurück ins Netz speisen. Dabei handelt es sich um Solarzellen, die Wärme in Form von infrarotem Licht in Strom umwandeln.
Das als Thermal Energy Grid Storage (TEGS) bezeichnete System würde ebenso gut mit Kohle oder Erdgas funktionieren. Das eigentliche Versprechen der Technologie aber ist, dass sie eine günstige Form von Grundlast-Strom aus erneuerbaren Quellen möglich macht, also genügend Strom speichert, um auch dann Strom liefern zu können, wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht.
Bisherige Beschränkungen
Bislang wird der Anteil von erneuerbaren Quellen an der Stromversorgung durch die hohen Kosten für Batteriesysteme und die geografischen Beschränkungen für Systeme wie Pumpspeicherkraftwerke begrenzt.
Zudem gibt es für die flüssigen Metalle, die sich mit der Hochtemperatur-Pumpe verwenden lassen, noch weitere Anwendungsmöglichkeiten. Zum Beispiel könnten sie anstelle von geschmolzenem Salz in Solarthermiekraftwerken genutzt werden und neuartige metallgekühlte Atomreaktoren ermöglichen.
(sma)
