Gruppe "Hochtemperatur-Wärmespeicher und Prozesstechnik"

Im Rahmen der Energiewende kommt der Speicherung von Energie eine große Bedeutung zu, da viele erneuerbare Quellen wie Sonne und Wind natürlichen Schwankungen unterliegen, verursacht durch Tages- und Jahresgänge, aber auch durch Wetterbedingungen. Speicher sind dabei ein Schlüssel zur Kompensierung dieses schwankenden Angebots und einer bedarfsgerechten Energiebereitstellung. Mit Hilfe von Flüssigmetallen ist es möglich, Wärme auch bei sehr hohen Temperaturen, jenseits von 600°C zu speichern, die typisch für industrielle, oft energieintensive Hochtemperaturprozesse sind (mehr Informationen in unserem  Datenblatt). In der KIT Nachwuchsgruppe „Wärmespeicher auf Flüssigmetallbasis – Schlüssel für CO₂-freie Hochtemperaturprozesse“ soll die technische Umsetzbarkeit von Festbettspeichern mit Flüssigmetallen als Wärmeträgermedium gezeigt werden. Hierzu demonstrieren wir neuartige Wärmespeichersysteme vom Labor- bis zum Pilotmaßstab, testen kompatible und kostengünstige Speichermaterialien in Flüssigmetall und erproben den Einsatz von Komponenten (Pumpen, Ventilen) für den Kreislaufbetrieb. Die Arbeiten werden durch umfassende numerische Simulation der komplexen Stoff- und Wärmetransportvorgänge in den Wärmespeichersystemen komplettiert.

Darüber hinaus befassen wir uns mit den Einsatzmöglichkeiten von Flüssigmetallen in der Prozesstechnik, da sie sich aufgrund ihrer herausragenden Wärmeübertragungseigenschaften, aber auch anderer Merkmale wie bspw. eine vergleichsweise hohe Dichte, die bestimmte Trenneffekte begünstigt, besonders als Wärmeträger- und Prozessfluid eignen. Aktuell untersuchen wir die CO₂-freie Herstellung von Wasserstoff und Kohlenstoff durch thermochemische Spaltung von Methan in flüssigem Zinn in einem Blasensäule-Reaktor. Die Kombination der Methanpyrolyse mit weiteren Prozessschritten zur Herstellung von hochwertigem Kohlenstoff aus atmosphärischem CO₂ ist ein Beispiel für eine Prozesskette, bei der sog. Negative Emissions Technologies (NET) als Basis für Wertprodukte dienen. Dazu untersuchen wir im Labor- und Pilotmaßstab die Reaktionsmechanismen der Methanpyrolyse und entwickeln geeignete Reaktorkonzepte.

THERMIA 

In dem Projekt THERMIA wird ein Hochtemperatur-Wärmespeicher experimentell untersucht. Der DUO-LIM (DUal-Media thermocline energy stOrage with LIquid Metal) Wärmespeicher beruht auf dem Prinzip eines Festbettspeichers. Hierbei wird die Wärme hauptsächlich innerhalb von festen Zirkonium-Silikat Partikeln gespeichert. Das thermische Laden und Entladen dieser Partikel erfolgt unter Verwendung von Flüssigmetall (eutektisches Blei-Bismut: LBE) als Wärmeübertragungsmedium. Mithilfe sogenannter Thermoelement-Lanzen kann das im Speicher vorliegende Temperaturprofil gemessen werden und dadurch die thermischen Vorgänge im Speicher untersucht werden, beispielsweise unter Variation der Eintrittsmassenströme und -temperaturen.

Finanzierung: KSB Stiftung Projekt: THERMIA (Nr. 1.1407.2024.1)

Kontakt: Florian Kreißig

Speichermaterial 

Durch die Verwendung kostengünstiger Speichermaterialien können die Gesamtmaterialkosten des Speichers reduziert werden. Das KALLA forscht gemeinsam mit dem Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik (IHM) an kostengünstigeren Speichermaterialien für den Einsatz in unseren Flüssigmetall-Festbettwärmespeichern. Der Forschungsschwerpunkt liegt auf der Untersuchung natürlicher Materialien wie Natursteinen sowie Schlacke aus der Stahlindustrie. Da flüssiges Metall bei hohen Temperaturen stark korrosiv ist, wird jedes infrage kommende Speichermaterial über einen längeren Zeitraum bei 750 °C in Blei ausgesetzt, um dessen Korrosionsbeständigkeit zu beurteilen.

Finanzierung: Helmholtz MTET-Topic 4.3/p>

Kontakt: Margaux Zehnder

LIMELISA 

Im Projekt LIMELISA erproben wir zentrale Komponenten wie Pumpen und Armaturen in einem Hochtemperatur-Kreislauf im Pilotmaßstab. Dazu wurde zunächst die Kompatibilität verschiedener Materialien bei 700 °C untersucht, um anschließend sowohl die Komponenten als auch den Kreislauf im Rahmen des Projekts auszulegen und zu bauen. Anschließend werden die Komponenten im dynamischen Betrieb bei 700 °C in flüssigem Blei untersucht. Weitere Informationen

Finanzierung: BMWE, FKZ 03EE5050C

Projektpartner: KSB SE & Co. KGaA, DLR

Kontakt: Martin Lux

PACKMEN 

Während des Be- und Entladens von Schüttbettwärmespeichern bewegt sich eine Temperaturfront (Thermokline) durch den Speicher. Die Dicke und das Verhalten der Thermokline ist für die Effizienz des Speichers von entscheidender Bedeutung. Ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden Wärmetransportmechanismen ist daher für die weitere Optimierung und Auslegung der Speichersysteme essenziell. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Flüssigmetalle unterscheiden sich die Wärmetransportmechanismen jedoch fundamental von konventionellen Fluiden. Insbesondere die effektive Wärmeleitfähigkeit in der Festbettschüttung mit Flüssigmetallen als Wärmeträgerfluid ist für den Betriebsbereich der Speicher nicht ausreichend erforscht. Zur experimentellen Untersuchung dieser Phänomene in der Festbettschüttung wird daher eine neue Teststrecke für thermische Sprungantwortmessungen aufgebaut.

Finanzierung: DFG Schwerpunktprogramm: “Carnot Batteries: Inverse Design from Markets to Molecules“ (SPP 2403); Projekt 526152734

Kontakt: Eike Schmidt

BioNECH₂  

Im Projekt BioNECH2 wird experimentell die Anwendbarkeit der Pyroyse beziehungsweise der Trockenreformierung von Biogas in einem flüssigmetallbasierten Blasensäulenreaktor untersucht. Dazu stehen zwei verschiedene Anlagen im kleinen Pilotmaßstab zur Verfügung. Mit Hilfe von flüssigem Zinn wird bei Temperaturen bis 1200 °C ein kontinuierlicher Betrieb des Reaktors realisiert. Das Eduktgas wird während des Aufsteigens der Blase im flüssigen Metall thermisch zersetzt und der entstehende feste Kohlenstoff als Pulver gebildet. Auf Grund des großen Dichteunterschieds zum flüssigen Metall schwimmt dieser oben auf und kann einfach abgetrennt werden. Neben Untersuchungen zur Eduktgaszusammensetzungen liegt der Fokus der Forschung auf dem Scale-up, Reaktorentwicklung und der Untersuchung des entstehenden Kohlenstoffs. Weitere Informationen

Finanzierung: Vector Stiftung

Kontakt: Marie Gutsch

Weitere Forschungsergebnisse finden Sie in aktuellen Publikationen.

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Kontakt:
Dr.-Ing. Klarissa Niedermeier
Phone +49 721/608-26902
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