Das Fraunhofer ISE hat ein neues Zentrum für die Speicher- und Wärmepumpenforschung eingerichtet. Dort sollen jetzt alle Aktivitäten auf diesem Gebiet auch im energiewirtschaftlich relevanten Größenordnungen stattfinden.
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) erweitert seine Forschungsaktivitäten in den Bereichen Energiespeicher und Wärmesysteme. Dazu haben die Freiburger ein neues Gebäude bezogen, um mehr Platz für die wissenschaftliche Arbeit zu haben. Mit der Gründung des neuen Zentrums für Speicher- und Wärmetransformationstechnologien will sich das Fraunhofer ISE noch stärker als bisher auf die beiden zentralen Themen beim Umbau des Energiesystems von der zentralen, fossil dominierten zur dezentralen, auf erneuerbaren Energien beruhenden Versorgung konzentrieren: den Speichern und der Bereitstellung von Wärme und Kälte. „Mit diesen deutlich erweiterten Möglichkeiten in der Speicherforschung sowie der Wärme- und Kältebereitstellung tragen wir gleich mehreren zentralen Fragestellungen Rechnung, die von entscheidender Bedeutung sind auf dem Weg hin zu einem Energieversorgungssystem auf Basis erneuerbarer Energien“, betont Institutsleiter Eicke R. Weber.
Komponenten und System optimieren
In der Speicherforschung konzentrieren sich die Freiburger Wissenschaftler zukünftig nicht nur auf elektrochemische Speicher für Photovoltaiksysteme und die Mobilität. Dazu gehören neben den Lithium-Ionen- und Bleiakkus auch Redoxflow-Speicher. Vielmehr werden auch Systeme der Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse und vor allem der Wärmespeicherung im Zentrum der Forschung stehen. Bei letzterem geht es vor allem darum, Hochtemperaturspeicher für die Solarthermie sowie für Wärmepumpen und Kältemaschinen. „Aufgrund ihres modularen Aufbaus und hohen energetischen Wirkungsgrads nehmen Batteriesysteme eine Schlüsselrolle bei der Nutzung fluktuierender erneuerbarer Energiequellen wie Photovoltaik oder Windkraft ein und können erheblich zur Systemstabilität beitragen“, erklären die Freiburger Forscher. „Mit der fortschreitenden Entwicklung neuer Technologien steigen Energie- und Leistungsdichte der Batterien und somit erschließen sich immer neue Einsatzzwecke.“ Die Anforderungen an Batterien steigen aber mit der Anwendung. Deshalb konzentrieren sich die Freiburger auf die Optimierung von Schlüsselkomponenten und des Gesamtsystems sowie die Erhöhung der Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger Minimierung der Kosten des Speichersystems. Dazu gehören die Verbesserung des Batteriemanagements, des thermischen Managements und die Untersuchung von Alterungsprozessen von Batterien in unterschiedlichen Anwendungen und für verschiedene Zellchemie.
Großer Elektrolyseur wurde installiert
Im Segment der Wasserstoffelektrolyse als Langzeitspeicher und als regelbare Erzeugungsanlagen konzentriert sich das Fraunhofer ISE auf die elektrochemische Wasserstofferzeugung durch die Membranelektrolyse. Dabei wird durch Anlegen eines Stroms an der Kathode Wasser aufgetrennt. Es entsteht Wasserstoff und Hydroxidionen. An der Anode wird eine Salzlösung – in der Regel Natriumchlorid – aufgespalten. Das dabei entstehende Kation – in dem Falle Natrium – wandert von der Kathode angezogen durch den Membran in die Seite, auf der vorher das Wasser war. Dort kombiniert es sich mit dem Hydroxidion zu einer Lauge. Auf der Anodenseite hingegen wird in diesem Falle das Chloridion durch Hinzufügen von Elektronen zu atomarem Chlor, das aus der Anlage abgesaugt wird. Um die Untersuchungen voranzutreiben, hat das Fraunhofer ISE am neuen Standort einen großen Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyseur (PEM-Elektrolyseur) in energiewirtschaftlich relevanter Größe aufgestellt. Darin können die Wissenschaftler Zellstapel für PEM-Elektrolyseure mit einer Stromstärke von bis zu 4.000 Ampere prüfen. Zusätzlich untersuchen die Forscher, wie sich der Wasserstoff in relevanten Größenordnungen das lokale Gasnetz einspeisen lässt, ohne ihn vorher noch methanisieren zu müssen.
Mit hohen Temperaturen arbeiten
Am neuen Standort werden sich die Forscher außerdem mit der Weiterentwicklung von Hochtemperaturspeichern für solarthermische Kraftwerke (Concentrated Solar Power – CSP) beschäftigen. Dazu hat das Fraunhofer ISE eine Möglichkeit geschaffen, erstmals in sogenannten Schneckenwärmeübertragern mit Temperaturen von bis zu 550 Grad Celsius und hohem Druck zu arbeiten. Ein weiteres Anwendungsfeld solcher Lösungen sind industrielle Prozessdampfanlagen, die ebenfalls Speicher für Temperaturen ab 180 Grad Celsius benötigen.
Industrie bei Neuentwicklungen unterstützen
Außerdem wird das Fraunhofer ISE die Wärmepumpenforschung intensivieren. Dafür steht am neuen Standort zehn Mal mehr Fläche als bisher zur Verfügung. Außerdem haben die Freiburger ein komplettes Prüf- und Entwicklungszentrum für Wärmepumpen und Kältemaschinen installiert. „So können wir die Industrie bei der Entwicklung neuer Geräte besonders schnell und umfassend unterstützen, von der Komponentenentwicklung bis zur Systembewertung“, freuen sich die Forscher. Um die Entwicklung neuer Kältemittel mit geringem Risiko für die Umwelt voranzutreiben, unterliegen alle Messeinrichtungen am neuen Forschungsstandort strengen Sicherheitsauflagen. So können die Wissenschaftler problemlos auch mit brennbaren Kältemitteln wie Propan umgehen. Zudem liefert die Vernetzung mit der hauseigenen Forschung zum Beispiel bei Sorptions- oder Speichermaterialien oder für das Smart Grid immer wieder innovative Ansätze und Produktideen. (su)
