Elektro-thermische Energiespeicherung für die Sektorenkopplung

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Motivation

Für eine wirksame Minderung der CO2-Emissionen ist die Dekarbonisierung des Wärmesektors zwingend erforderlich. Ein naheliegender Technologiepfad ist die thermodynamisch effiziente Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom zur Erzeugung von Wärme über Wärmepumpen, wodurch ein Mehrfaches der eingesetzten elektrischen Energie als nutzbare Wärme zur Verfügung steht. Hierbei würden Hochtemperatur-Wärmepumpen neue und bisher nicht erschlossene Möglichkeiten zur Einbindung von regenerativer elektrischer Energie in den Wärmesektor ermöglichen (Sektorenkopplung).

Die gute lokale Speicherfähigkeit von Wärme ermöglicht zudem eine zeitliche Entkopplung der verbraucherabhängigen Wärmenutzung von der volatilen regenerativen Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenaufkommen. Darüber hinaus besteht die Option, die gespeicherte Wärme bei Bedarf zurück in Strom zu wandeln, wodurch ein elektro-thermischer Stromspeicher mit hoher Leistung und Kapazität entsteht.

Elektro-thermische Stromspeichersysteme mit Hochtemperatur-Wärmepumpen können auf diese Weise zukünftig eine wichtige Rolle zur Sicherstellung Netzstabilität und der Versorgungssicherheit spielen. Bedeutsam ist weiterhin, dass sich solche elektro-thermischen Speicher zeitnah in die heute vorhandene Kraftwerksstandorte unter bestmöglicher Nutzung vorhandener Ressourcen und Schnittstellen integrieren lassen.

 

Methode

Die Arbeitsgruppe „Prozessanalyse und Systeme“ des Instituts für Kraftwerkstechnik, Dampf- und Gasturbinen erarbeitet in Zusammenarbeit mit einem Maschinenhersteller und einem Versorgungsunternehmen eine Machbarkeitsstudie eines elektro-thermischen Stromspeichers im Großraum Aachen. Hierbei soll das System ganzheitlich erforscht, entwickelt und im Demonstrationsmaßstab in eine Anwendung überführt werden.

In einem ersten Schritt soll eine Forschungsanlage mit einer CO2-Wärmepumpe (obere Prozesstemperatur ca. 120 bis 150 °C, elektrische Leistung ca. 2 MW) zur emissionsfreien Wärme- und Kälteversorgung konzeptionell entwickelt und aufgebaut werden. Durch die Integration von Kapazitäten zur Wärme- und Kältespeicherung sowie zusätzlicher Turbokomponenten (CO2-Pumpe, CO2-Turbine) kann die Demonstrationsanlage als elektro-thermischer Stromspeicher mit einem Strom-zu-Strom-Wirkungsgrad von ca. 50 % betrieben werden.

Zur mittelfristigen Erhöhung des Speicherwirkungsgrades und der Wirtschaftlichkeit des Systems soll sowohl eine technische und ökonomische Weiterentwicklung von Schlüsselkomponenten (Verdichter, Turbine, Wärmeübertrager) als auch eine umfassende softwarebasierte Optimierung der Betriebsweise des Gesamtsystems verfolgt werden.

 

Förderung

Dieses Projekt wird im Rahmen des progres.nrw Programms durchgeführt und vom Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie (MWIDE) des Land NRW über einen Zeitraum von 1,5 Jahren finanziell gefördert.