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Next GenerAtion MateriAls and Solid State DevicEs for Ultra High Temperature Energy Storage and Conversion

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Erforschung von zukunftstauglichen Schlüsselkomponenten zur Speicherung von Ultrahochtemperaturwärme

Ein europäisches Projekt hat die Tragfähigkeit eines neuartigen hybriden Thermionik-Photovoltaik-Konverters nachgewiesen, der für viele Bereiche von der Energiespeicherung bis zu erneuerbarer Energie ein beachtliches Potenzial bietet.

Energie

Energiespeicherung ist ein brennendes Thema – umso mehr, da die EU das Ziel anstrebt, den Anteil an erneuerbaren Energien am Endenergieverbrauch bis 2030 auf mindestens 27 % zu erhöhen. Eine Form von erneuerbarer Energie, die gerade verstärkt Beachtung findet und insbesondere im integrierten Fahrplan der EU zum Europäischen Strategieplan für Energietechnologie eine wichtige Rolle spielt, ist die konzentrierte Solarenergie. Bei der konzentrierten Solarenergie wird Elektrizität erzeugt, indem die Sonnenstrahlen konzentriert werden, um ein Medium (in der Regel eine Flüssigkeit oder ein Gas) zu erhitzen. Damit wird dann über eine Wärmekraftmaschine (Dampf- oder Gasturbine) ein elektrischer Generator betrieben. „Eine kostengünstige Möglichkeit, um diese variable erneuerbare Energie zu speichern, besteht darin, dass man sie zuerst in Hitze umwandelt, dann als solche speichert und bei Bedarf in Strom umwandelt“, so Alejandro Datas, wissenschaftlicher Koordinator des Projekts AMADEUS. Dieses EU-finanzierte Forschungsprojekt bewertete die Speicherung und Umwandlung von Ultrahochtemperatur-Energie.

Das Rückgrat der Solarenergie

Die meisten Wärmespeichersysteme speichern Energie in Salzschmelzen oder unterschiedlichen Arten von Feststoffpartikeln bei Höchsttemperaturen von circa 560 °C. Sie nutzen außerdem Wärmekraftmaschinen, um die gespeicherte Hitze schließlich in Strom umzuwandeln. Diese Technologie ist vor allem in solarthermischen Kraftwerken üblich, die es europaweit bislang nur in Spanien gibt. Sie kommt auch in innovativeren elektrothermischen Batterien oder Strom-Wärme-Strom-Speichern (SWS-Speichern) für netzintegrierte Stromspeicheranwendungen zum Einsatz. Doch laut Datas, der als Assistenzprofessor für Elektronik und angewandte Physik an der Technischen Universität Madrid (UPM) tätig ist, bringen die heutigen Wärmespeichersysteme Probleme mit sich. Sie benötigen enorme Materialmengen, um eine wesentliche Menge Energie speichern zu können. So ist für 100 kW etwa ein Kubikmeter Salzschmelze nötig. Zudem sind sie äußerst komplex, da die Wärmeenergie erst übertragen und anschließend in Strom umgewandelt werden muss. Das funktioniert nur bei Verwendung von Wärmeträgerflüssigkeiten und beweglichen Teilen (z. B. Pumpen, Ventilen, Wärmekraftmaschine usw.), die mit einem erheblichen Instandhaltungsaufwand verbunden sind.

Lösungen abseits von Silizium

Silizium könnte zur Energiespeicherung verwendet werden, da es während des Übergangs vom festen in den flüssigen Zustand bei 1 414 °C in der Lage ist, große Energiemengen (rund 1 200 kWh pro Kubikmeter) aufzunehmen. Diese gewissermaßen „verborgene“ Energie, die als „latente Wärme“ bezeichnet wird, kann nur während des Phasenübergangs bereitgestellt bzw. extrahiert werden. „Silizium hat seine Beschränkungen, allen voran, dass es sich beim Erstarren um 10 % ausdehnt. Deshalb hat AMADEUS neue Generationen von Werkstoffen und Bauelementen untersucht, die nicht nur eine höhere Energiedichte und mehr Sicherheit bei der Wärmespeicherung, sondern auch eine effizientere Umwandlung von thermischer in elektrische Energie ermöglichen. Und zwar ganz ohne den Einsatz von Wärmeübertragungsflüssigkeiten oder beweglichen Teilen“, so Datas. Das Projekt entdeckte, dass eine eutektische Eisen-Silicium-Bor-Legierung möglicherweise das ideale neue Phasenwechselmaterial sein könnte. „Die Legierung besitzt eine hohe latente Wärme und kann daher die Energiedichte des Systems erhöhen. Sie dehnt sich beim Erstarren kaum aus, sodass der Behälter nicht beschädigt wird. Zudem liegt ihr Schmelzpunkt mit unter 1 200 °C im moderaten Bereich“, fügt Datas hinzu. „Durch unseren Laborprototyp eines neuartigen hybriden Thermionik-Photovoltaik-Konverters, den sogenannten TIPV, konnten wir außerdem den Weg zu einer völlig neuen Technologie zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie ebnen“, so Datas weiter. Dieser wandelt Hochtemperaturwärme direkt in sehr hohe Leistung um, indem er aus Elektronen und Photonen Elektrizität erzeugt. Datas abschließend: „Bis 2022 könnte es bereits funktionsfähige industrielle Prototypen dieser Technologie geben, die zur Latentwärmespeicherung genutzt werden könnten; allerdings wäre dafür regulatorische und finanzielle Unterstützung nötig.“

Schlüsselbegriffe

AMADEUS, Umwandlung, Latentwärmespeicherung, Phasenwechselmaterial, Speicherung, Temperatur, Thermionik-Photovoltaik-Konverter, TIPV

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