Wärmekopplungssystem für stationäre elektrische Speicher

Batterien als Zwischenspeicher sind unerlässlich bei der volatilen erneuerbaren Energieproduktion. Sie speichern Überschussenergie und decken so Versorgungslücken ab. Aufgrund hoher Leistungsfähigkeit und Effizienz (85 - 95 Prozent) werden dafür meist Lithium-Ionen-Batterien (LIB) eingesetzt. Hohe Brennbarkeit und begrenzte Lebensdauer von LIB stehen dem entgegen.

Stand der Technik

Im Unterschied dazu sind Vanadium-Flow-Batterien (VFB) nicht brennbar, versprechen eine höhere Lebensdauer und einen guten Skaleneffekt, so dass sie trotz höherer Investitionskosten und geringerer Effizienz (65 - 75 Prozent) populär werden. Da LIB bisher mit Effizienz-Spitzenwerten überzeugten, wurde hier die Wärmerückgewinnung kaum betrachtet. Die Nutzung der Abwärme besitzt bei VFB viel mehr Potenzial.

Technologie

Am Batterietechnikum des KIT wurde ein neuartiges Wärmetransportsystem entwickelt, das für VFB den Nachteil der geringen Energieeffizienz und Energiedichte minimiert und somit die Profitabilität steigert. Dieses sogenannte thermische Koppelmodul (TKM) nutzt Abwärme, die bisher ungenutzt mittels Kühlgeräten in die Umwelt gelangt, für die Wärmerückgewinnung. Die Abwärme entsteht im Elektrolyten der VFB und sammelt sich in den beiden Tanks. Je ein Wärmetauscher ist in den Elektrolyten eingelassen, um die Wärme dort einfach und effizient abzugreifen. Die Wärmeenergie wird im geschlossenen System der Gebäudetechnik dann zum Beheizen des Gebäudes oder die Warmwasseraufbereitung genutzt. Es ist zu erwarten, dass dadurch die Gesamteffizienz auf rund 85 Prozent steigt. Neben der ursprünglichen Nutzung der VFB als elektrischer Speicher fungiert sie durch das TKM zusätzlich als Wärmespeicher. Dazu wird Wärme mittels Heizelement in den Speicher eingebracht. Dieser Zusatznutzen erhöht die Eigenverbrauchsquote des Gebäudes, was zu einer Kostenersparnis führt.

Vorteile

Das Koppelmodul besteht aus Standardkomponenten der Gebäudetechnik. Somit kann es perspektivisch sehr günstig installiert werden. Aus den Heizkosteneinsparungen ergeben sich langfristige Kostenvorteile. Die erweiterte Nutzung als Wärmespeicher erhöht die Speicherfähigkeit enorm.

Optionen für Unternehmen

Ein Demonstrator ist seit Herbst 2023 in vollem Betrieb. Er besitzt eine elektrische Speicherfähigkeit von 120 kWh, die Wärmespeicherung erhöht die Speicherfähigkeit um weitere 240 kWh _thermisch. Nachdem die technische Machbarkeit unter Beweis gestellt wurde, sucht das KIT nun nach Partnern aus den Bereichen Gebäudetechnik oder Energiespeicherung, um die Technologie bis hin zur Marktreife zu begleiten.