Op weg naar een CO ₂ -neutraal energiesysteem, opslag van grote hoeveelheden energie is nog een onopgelost probleem. In de toekomst, Karlsruhe Instituut voor Technologie (KIT), het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR), en de universiteit van Stuttgart zijn van plan om samen geschikte energieopslagsystemen te ontwikkelen. Voor dit doeleinde, de onderzoeksinstellingen hebben nu overeenstemming bereikt over de oprichting van een onderzoeksinfrastructuur, de Nationale Demonstrator voor Isentropische Energieopslag (NADINE). De testfaciliteit voor de ontwikkeling van energieopslagsystemen op elektriciteitscentrales zal worden gebouwd in Karlsruhe en Stuttgart.

Energieopslagsystemen die de fluctuerende productie van wind- en zonne-energie kunnen opvangen, zijn onmisbaar voor het slagen van de energietransitie. Tot dusver, echter, locatie-onafhankelijke en goedkope opslagsystemen op elektriciteitscentraleschaal ontbraken nog steeds. Om deze reden, KIT, DLR, en de Universiteit van Stuttgart plannen de gezamenlijke bouw van de onderzoeksfaciliteit NADINE (National Demonstrator for Isentropic Energy Storage) voor de ontwikkeling van goedkope en bijna verliesvrije energieopslagsystemen. Met de hulp van NADINE, het is de bedoeling om het gebruik van vloeibare metalen voor nieuwe thermische opslagsystemen te bestuderen. Het exacte ontwerp van de onderzoeksfaciliteit wordt momenteel ontwikkeld in het kader van een project van 18 maanden dat begin dit jaar is gestart. Het ontwerpproject wordt gefinancierd door het federale ministerie van Economische Zaken en Energie en het ministerie van Economische Zaken van Baden-Württemberg. Op 08 oktober, 2018 ondertekenden de drie onderzoeksinstellingen een overeenkomst in Stuttgart voor de oprichting van de onderzoeksinfrastructuur in Karlsruhe en Stuttgart.

"Grote uitdagingen voor de samenleving, zoals de energietransitie, kan alleen worden beheerst door krachten te bundelen en nauwe samenwerking, " zegt professor Oliver Kraft, KIT Vice-President voor Onderzoek. "Ik ben erg blij dat we onze expertise op het gebied van vloeibare metaaltechnologieën kunnen bijdragen aan NADINE. Samen met onze partners, we zullen de ontwikkeling van de dringend benodigde energieopslagsystemen op powerplant-schaal resoluut stimuleren." De nieuwe onderzoekssamenwerking wordt gecoördineerd door de DLR. Professor Pascale Ehrenfreund, die de directie van DLR voorzit, zegt:"De energietransitie is een van de urgente uitdagingen voor onze samenleving. Met de ontwikkeling van opslagsystemen, DLR werkt aan oplossingen voor een van de kernthema's in het energieonderzoek. Efficiënte opslagsystemen kunnen een betrouwbare energievoorziening garanderen met een steeds groter aandeel hernieuwbare energiebronnen. Bovendien, grote WKO-installaties kunnen bijdragen aan reductie CO ₂ uitstoot van kolencentrales na hun ombouw tot warmteopslagcentrales wereldwijd."

Carnot-batterijen in voormalige kolencentrales

Opslag van elektrische energie op gigawattuurschaal is al mogelijk met pompopslagcentrales en batterijopslagsystemen. Echter, het is in Duitsland nauwelijks mogelijk om extra pompopslagcentrales te bouwen. Batterijopslagsystemen van deze afmeting zijn te duur en hebben onvoldoende duurzaamheid. Het concept van NADINE omvat de ontwikkeling van flexibele en vrijwel verliesvrije energieopslagsystemen, zogenaamde isentropische opslagsystemen. Een isentroop proces vindt plaats in een gesloten systeem zonder enige warmte- of massa-uitwisseling met de omgeving. Een veelbelovend concept voor een isentropisch opslagsysteem is de Carnot-batterij. Hier, elektrische stroom wordt met behulp van warmtepompen omgezet in warmte en indien nodig, terug in elektriciteit. Implementatie van dergelijke warmteopslagcentrales op grote schaal is haalbaar met gebruikmaking van de bestaande infrastructuur van ontmantelde kolencentrales. In het regeerakkoord de federale regering heeft haar intentie uitgesproken om dit te doen als bijdrage aan de bescherming van het klimaat.

De onderzoeksinfrastructuur van NADINE wordt ontworpen voor drie typische temperatuurniveaus in energieopslagsystemen en -omvormers. in Stuttgart, een lage-temperatuur- en een hoge-temperatuurlaboratorium voor technologieën tot ongeveer 700°C zijn gepland. Ze zullen worden gebruikt voor het bestuderen van innovatieve concepten van Carnot-batterijen. “Door een slimme combinatie van warmtepompen, warmte- en koudeopslagsystemen, en warmtemotoren, we kunnen niet alleen elektrische energie opslaan, maar extra voordelen opleveren, zoals koeling van rekencentra, " zegt professor André Thess, coördinator van NADINE en directeur van het DLR Institute of Engineering Thermodynamics. De module voor temperaturen boven 600°C wordt in Karlsruhe gebouwd. Het zal worden toegepast om het gebruik van vloeibare metalen voor Carnot-batterijen en thermische opslagapparaten te bestuderen. "Vloeibare metalen hebben uitstekende warmteoverdrachtseigenschappen en kunnen bij zeer hoge temperaturen worden gebruikt, ", zegt professor Thomas Wetzel van KIT's Institute of Thermal Process Engineering. "Onderzoek naar vloeibare metaaltechnologie richt zich momenteel op de ontwikkeling van veelbelovende innovatieve processen voor de zeer efficiënte omzetting van warmte in elektrische energie en brandstoffen, die uitstekend passen bij het NADINE-concept." In de laboratoria van NADINE, koellichamen en warmtebronnen worden via een "warmteplatform" ter beschikking gesteld. Hier, individuele componenten en complete isentropische energiesystemen zullen worden bestudeerd, vergelijkbaar met het werk in een windtunnel. Onderzoekers gaan testen hoe de verschillende opslagruimtes moeten worden ontworpen, welke materialen zijn geschikt, en hoe de afzonderlijke componenten op de best mogelijke manier op elkaar inwerken.

Onderzoek naar warmte-koudeopslagsystemen op grote schaal geniet steeds meer populariteit in de internationale wetenschappelijke gemeenschap. Natuurkunde Nobelprijswinnaar Robert Laughlin van Stanford University was de eregast bij de ondertekening van het akkoord over de oprichting van NADINE. Laughlin is de initiatiefnemer van het MALTA-opslagproject van Google X. In een lezing gegeven aan de Universiteit van Stuttgart, hij pleitte voor warmteopslag van elektriciteit die nu in het kader van NADINE wordt ontwikkeld.