Windparks, Photovoltaikanlagen und Gezeitenkraftwerke liefern nachhaltig Strom – aber nicht gleichmäßig. Das zentrale, bisher ungelöste Problem ist daher die Speicherung momentan nicht benötigter Energie. Eine vielversprechende Option sind Carnot-Batterien, die Energie in Form von Wärme speichern. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) richtet nun ein neues Schwerpunktprogramm (SPP) unter der Leitung der Universität Duisburg-Essen (UDE) ein: Das Team wählt dabei einen einzigartigen Weg: Ausgehend vom Marktbedarf werden optimale Batterien entworfen und anschließend Schritt für Schritt bis hinunter zur Molekülebene ermittelt, wie sie sich realisieren lassen.
Eine Carnot-Batterie speichert Energie als Wärme in preisgünstigen Materialien wie Wasser, Stein oder in Form von Salzschmelzen. Bei Bedarf wird diese zum Beispiel durch Dampfturbinen in elektrische Energie, also Strom, zurückgewandelt. Obwohl das Prinzip schon lange bekannt ist, gibt es bisher kaum verlässliche Daten zu Wirkungsgraden, Kosten oder gar zum konkreten Anwendungspotenzial bei der Energiespeicherung.
Diese Lücke will der SPP „Carnot-Batterien: Inverser Entwurf vom Markt bis zum Molekül“ mit seinem grundlegend neuen Ansatz der „Top-down-Methodik“ nicht nur schließen, sondern gleich mit dem bestmöglichen Endergebnis überwinden.
„Wir analysieren gemeinsam mit Ökonomen, was tatsächlich benötigt wird und suchen nach den physikalisch-technischen Möglichkeiten und Grenzen“, bekräftigt Prof. Dr. Burak Atakan, Leiter des Fachgebiets „Thermodynamik“ am UDE-Institut für Verbrennung und Gasdynamik und Sprecher des neu eingerichteten SPP 2403. „Dann gehen wir in Schritten immer weiter ins Detail, ermitteln die bestmögliche Betriebsweise, geeignete Schaltungen, passende Substanzen und deren ideale Kombinationen – um am Ende die optimale Carnot-Batterie zu entwickeln.“ So soll überprüft werden, ob sich Speicherwirkungsgrade von über 70 Prozent und Kosten unter 100 €/kWh tatsächlich erreichen lassen.
Der Risiken ist sich das Koordinationsteam von den Universitäten Bochum, Kassel, Stuttgart und der UDE dabei durchaus bewusst: „Unser Ansatz ist riskant, weil sich die Zielparameter als unerreichbar herausstellen könnten“, sagt Atakan. „Und trotzdem ist er wegweisend, weil er erstmals ein fächerübergreifendes, inverses Verfahren etabliert, das von den Marktanforderungen ausgeht – und nicht von dem, was unter Laborbedingungen bisher möglich ist.“