Klimafreundliche Energieerzeugung Flüssigmetalle: Multitalente für innovative Energiesysteme

Entscheidend für eine erfolgreiche Reduktion der CO₂-Emissionen in den nächsten Jahren, sind praxisnahe Innovationen. Ob thermische Energiespeicher, neue Prozesswege für die emissionsfreie Produktion von Wasserstoff oder innovative Solargroßkraftwerke: Mit Flüssigmetalltechnologien aus dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) lässt sich die Dekarbonisierung des Energiesystems beschleunigen.

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Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Karlsruhe – Neue Ansätze und langjährige Erfahrungen verbindet die Liquid Metal Competence Platform Karlsruhe (Limcka), in der mehrere Institute und Labore des KIT ihre Expertise bündeln. Metallschmelzen haben ausgezeichnete thermische Eigenschaften. Sie können Wärme sehr gut aufnehmen, transportieren und speichern. Damit eignen sie sich laut Projekt-Koordinator Dr. Alfons Weisenburger für eine ganze Reihe neuartiger klimafreundlicher Energietechnologien. Bei einer entschlossenen Umsetzung könnten sie die notwendige Dekarbonisierung des Energiesystems beschleunigen, so Weisenburger.

Speicher für Wärme und Strom

Der IPCC-Sonderbericht nennt einen zügigen Kohleausstieg als wichtige Voraussetzung für eine Begrenzung der Folgen des Klimawandels. Allerdings tragen Kohlekraftwerke aktuell noch zur Netzstabilität bei einer zunehmend volatilen Stromerzeugung mit erneuerbaren Energien bei. Die mögliche Lösung: Kohlekraftwerke ließen sich – bei Weiterverwendung der vorhandenen Turbinen, Generatoren und Netzanbindung – in thermische Energiespeicherkraftwerke umrüsten. Das Kernelement einer solchen Anlage, der thermische Speicher, aber auch die Rückverstromung, könnten mit flüssigen Metallen besonders effizient betrieben werden. Auch die direkte Speicherung elektrischer Energie in Flüssigmetallbatterien ist Teil der Forschung zu innovativen Energiespeichern mit großer Kapazität. Einen Schlüssel hierzu bilden Materialinnovationen aus dem KIT.

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Gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet das Institut zurzeit am Aufbau einer entsprechenden gemeinsamen Forschungsinfrastruktur, dem Nationalen Demonstrator für Isentrope Energiespeicher (Nadine).

Mit Methanspaltung zu sauberem Wasserstoff

Erdgas wird oft als eine saubere Alternative zur Kohle betrachtet. Doch auch das hauptsächlich aus Methan bestehende fossile Erdgas erzeugt bei der Verbrennung noch klimaschädliche CO₂-Emissionen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des KIT sowie des Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam ist es aber gelungen, Erdgas klimaneutral nutzbar zu machen.

Sie nutzen die Flüssigmetalltechnologie, um das Methan in gasförmigen Wasserstoff und festen, elementaren Kohlenstoff zu trennen. Bei dem Pyrolyseverfahren wird das Methan von unten in eine auf bis zu 1 200 °C gehaltene Säule aus flüssigem Zinn kontinuierlich eingebracht und steigt darin als Blasenschwarm auf. Dabei erreicht das Gas in den Blasen die für die Spaltung notwendige Temperatur und zerfällt. An der Oberfläche des flüssigen Zinns entweicht dann der gasförmige Wasserstoff und der pulverförmige Kohlenstoff kann entfernt werden. Im Labormaßstab konnten sie den kontinuierlichen Betrieb bei einer Umwandlungsrate von bis zu 78 % nachweisen.

Das neue Verfahren hat den Innovationspreis der Deutschen Gaswirtschaft 2018 gewonnen und wird zurzeit mit Partnern aus der Industrie vom Labor in die Anwendung überführt.

Sonnenkraftwerke der nächsten Generation

Nur etwa ein Viertel des weltweit erzeugten Stroms stammt nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) bislang aus erneuerbaren Energien. Eine für den global notwendigen weiteren Ausbau geeignete Technologie ist Concentrated Solar Power (CSP). In CSP-Kraftwerken wird Sonnenlicht mit Spiegeln auf einen Absorber konzentriert, einer Vorrichtung in der sich ein Wärmeträgerfluid durch das konzentrierte Licht erhitzt. Die Wärme kann dann sofort über einen klassischen Kraftwerksprozess in Strom gewandelt oder preiswert zwischengespeichert und während sonnenarmer Tage oder in der Nacht bedarfsgerecht verstromt werden.

Mit Flüssigmetallen lässt sich die Wirtschaftlichkeit von CSP-Kraftwerken gegenüber der aktuellen, auf Salzschmelzen beruhenden Technologie steigern. Mit den höheren möglichen Fluidtemperaturen können sie einen höheren Umwandlungswirkungsgrad im Kraftwerksprozess erreichen und durch die hervorragenden Wärmetransporteigenschaften können die Absorber bei gleicher Leistung in ihrer Größe halbiert werden. ,Entsprechend groß ist laut Professor Robert Stieglitz vom Institut für Angewandte Thermofluidik des KIT das Interesse aus der Industrie.

Zudem entwickeln die Forscher in Limcka innovative Direktwandler auf Natrium-Basis, sogenannte Alkali-Metal-Thermal-Electric-Converter-Zellen (Amtec-Zellen), mit denen Wärme in Sonnenkraftwerken zukünftig auf elektrochemischem Weg direkt in Elektrizität gewandelt werden kann. Die Forscher haben einen entsprechenden Prototyp bereits erfolgreich im Labormaßstab realisiert und betrieben.

Limcka kombiniert Expertisen zu Thermofluiddynamik, Materialwissenschaften und Prozesstechnik mit jahrelanger Ingenieurerfahrung im Betrieb von Versuchsanlagen zur Flüssigmetallforschung.

Strom aus erneuerbaren Quellen

Power-to-X-Anlagen sollen Stromnetze entlasten

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