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Energy

Halle 27, Stand L51

Hochtemperatur-Supraleiter CrossConductor – HTS CroCo

 

Supraleiter können elektrischen Strom bei tiefen Temperaturen verlustfrei übertragen – üblicherweise unterhalb von 25 Kelvin (-248 °C). Um bei vergleichsweise hohen Temperaturen arbeiten zu können, wird für den HTS CroCo ein spezielles Material verwendet. Rare-Earth Barium-Copper-Oxide, kurz REBCO, erlaubt eine verlustfreie Übertragung beispielsweise im flüssigen Stickstoff schon ab 77 K (-196 °C). HTS CroCos ermöglichen energiesparende und umweltfreundliche Lösungen bei der Erzeugung starker Magnetfelder oder dem Transport elektrischer Energie.

Mittels einer am KIT entwickelten und von der EU ausgezeichneten Methode ist es möglich, aus zahlreichen REBCO-Bändern den sogenannten Hoch-Temperatur Supraleiter (HTS) Kreuzleiter (engl. HTS CrossConductor, abgekürzt HTS CroCo) herzustellen. Am KIT wurde im Jahr 2018 ein Demonstrator mit HTS CroCos gebaut und betrieben, der einen Strom von 35 000 Ampere bei 77 Kelvin getragen hat.

Li-Ionen-Großspeicherlösung

Prototyp eines Lithium-Ionen-Großspeichers im Energy Lab 2.0  (Foto: Batterietechnikum, KIT)
Prototyp eines Lithium-Ionen-Großspeichers im Energy Lab 2.0 (Foto: Batterietechnikum, KIT)

Durch den steigenden Anteil an erneuerbaren Energien im Stromnetz werden Energiespeicher für eine stabile Stromversorgung immer wichtiger. Schon heute leisten Batteriespeicher einen bedeutenden Beitrag zur Netzstabilität, der allerdings mit hohen Kosten verbunden ist. Neben den Investitionskosten spielen dabei auch die Betriebskosten eine wesentliche Rolle.

Im Energy Lab 2.0 – einer großskaligen Energieforschungsinfrastruktur am KIT – wird nun der seriennahe Prototyp eines Lithium-Ionen-Großspeichers mit besonders niedrigen Betriebs- und Wartungskosten umgesetzt. Möglich ist das zum einen durch eine effiziente Steuerung, die das Batterietechnikum am KIT entwickelt hat. Zum anderen wurde die Kühlung des Prototypen energetisch optimiert: Neben Kühlwasser aus Erdsonden wird dabei auch die Betonhülle zur passiven Kühlung eingesetzt. Durch die richtige Kühlung erhöht sich die Lebensdauer der Batterien und somit auch die Wirtschaftlichkeit. Das neue Speichersystem liefert 1,5 Megawattstunden nutzbare Energie und kann bis zu 800 Kilowatt elektrischer Leistung erzielen. Für einen optimalen Betrieb sorgen zwei unabhängige Batterie- und Umrichtersysteme. Sie ermöglichen einen kontinuierlichen Betrieb des Speichersystems, auch wenn eine der Komponenten ausfällt. Durch ein anteiliges Versenken des Gebäudes im Boden wird der Platzbedarf des Batteriespeichers reduziert, ein ansprechendes Design erhöht zudem die Akzeptanz als Quartierspeicher in Wohngebieten.


Elektrodenbeschichtung für Batteriezellen

Beschichtungsverfahren (Foto: Institut für Thermische Verfahrenstechnik, /KIT).
Ein neuartiges intermittierendes Beschichtungsverfahren ermöglicht eine deutlich höhere Geschwindigkeit bei der Batterieproduktion. (Foto: Institut für Thermische Verfahrenstechnik /KIT)

Bei der Produktion von Batterien für Elektroautos, Smartphones oder Laptops spielen Elektrodenfolien eine entscheidende Rolle. Dabei wird das Elektrodenmaterial als dünne Paste auf eine Folie aus Kupfer oder Aluminium aufgetragen – allerdings unterbrochen von kurzen Abschnitten unbeschichteter Folie, die als Elektrodenableiter unerlässlich sind. Dabei muss der Beschichtungsprozess un-terbrochen und neu gestartet werden, um die unbeschichteten Bere-che zu realisieren. Das nimmt viel Zeit in Anspruch und treibt die Herstellungskosten nach oben.

Mit einem intermittierenden, also unterbrechenden Verfahren konnten Verfahrenstechnikerinnen und Verfahrenstechniker des KIT nun die Produktionsgeschwindigkeit deutlich erhöhen. Dabei kommt eine patentierte Düse zum Einsatz, die mit einer Membran ausgestattet ist, durch die das Auftragen der Beschichtungspaste zyklisch stoppt und wieder startet. Weil keine weiteren beweglichen Teile erforderlich sind, ist es mit dem neuen Verfahren möglich, die Durchsatzgeschwindigkeit zu steigern. Statt der bislang im industriellen Bereich üblichen 25 bis 35 Meter können die Batterieelektroden nun mit über 100 Metern pro Minute produziert werden.


Power-to-Gas: Produktion mit hohem Wirkungsgrad

Power-to-Gas-Prototyp (Foto: HELMETH, KIT).
Mit einem hocheffizienten Power-to-Gas-Verfahren erreicht der HELMETH-Prototyp Wirkungsgrade von 76 Prozent (Foto: HELMETH/KIT).

Speicherlösungen für regenerativ erzeugte Energie sind ein entscheidendes Puzzlestück der Energiewende. Die Erzeugung von Synthetic Natural Gas (SNG) aus erneuerbaren Energien ermöglicht die Stromspeicherung in der Infrastruktur des bestehenden Erdgasnetzes und die Nutzung von SNG ohne fossile CO2-Emissionen. Dafür wird in der Regel zunächst Wasserstoff mittels Niedertemperatur-Elektrolyse produziert, der anschließend in einer Methanisierungsanlage in SNG umgewandelt wird.

Das vom KIT koordinierte und von der Europäischen Union geförderte Projekt HELMETH (Integrated High-Temperature ELectrolysis and METHanation for Effective Power to Gas Conversion) hat gezeigt, dass der Wirkungsgrad bei der Produktion von SNG aus Strom gesteigert werden kann, wenn beide Prozesse energetisch miteinander verknüpft werden. Beim HELMETH-Prototyp wurden durch die konsequente Nutzung von Synergien aus Hochtemperatur-Elektrolyse und Methanisierung bereits Wirkungsgrade von 76 Prozent von Strom zu SNG erreicht. Dies ist eine deutliche Steigerung im Vergleich zu den üblichen 54 Prozent für bestehende Power-to-SNG-Anlagen. Größere Anlagen im Industriemaßstab könnten bei weiterer Optimierung Wirkungsgrade von über 80 Prozent erreichen.