SPP 2403 Carnot-Batterien: Inverser Entwurf vom Markt bis zum Molekül
Coordinator
Professor Dr. Burak Atakan
Grant period
2023 -
Funding body
Deutsche Forschungsgemeinschaft
DFG
Identifier
G:(GEPRIS)500600620
Note: Die kostengünstige, ortsunabhängige und ressourcenschonende Speicherung elektrischer Energie im gesellschaftlich relevanten Maßstab von Gigawattstunden (GWh) ist ein zentrales ungelöstes Problem der Energiewende. Eine vielversprechende Option sind Carnot-Batterien (CBs), bei denen elektrische Energie mittels Hochtemperatur-Wärmepumpen in Wärme umgewandelt, in kostengünstigen Speichermedien (z. B. Wasser, Gestein, Salzschmelzen) zwischengespeichert und bei Bedarf über Kraftprozesse wieder in elektrische Energie rückverstromt wird. Obwohl das thermodynamische Grundprinzip seit Langem bekannt ist, fehlen bislang allgemein anwendbare Methoden zur Auslegung, Bewertung und marktgerechten Einordnung solcher komplexen, gekoppelten und zeitvarianten Systeme; publizierte Wirkungsgrade und Kosten sind oft nur begrenzt verifiziert und nur für spezifische Konfigurationen gültig. Das Schwerpunktprogramm setzt diesen Lücken eine umfassende inverse Top-Down-Entwurfsmethodik entgegen: Ausgehend von Zielgrößen und Qualitätskriterien aus Energiemärkten (z. B. Gesamtkosten, Wirkungsgrade, Speicherdauer, Robustheit, Materialrisiken) werden optimale CB-Konzepte, Betriebsweisen und Konfigurationen bis hin zu Komponenten und Arbeitsfluiden (inkl. Gemischen) systematisch abgeleitet. In der ersten Förderperiode wurden hierfür fluidabhängige stationäre Modelle für CBs, Maschinen und Speicher entwickelt und inverse Designansätze als Proof of Concept demonstriert. In der zweiten Förderperiode steht die Erweiterung zu zeitabhängigen, teillastfähigen und regelungsrelevanten Modellen im Mittelpunkt, inklusive experimenteller Validierung: Das inverse Design ganzer CarnotBatterien soll explizit auch dynamischen Betrieb, Fluktuationen, Start/Stopp- und Lastwechsel sowie skalierungsrelevante Effekte abbilden und damit die Lücke zwischen Komponentenentwurf und energiewirtschaftlicher Einsetzbarkeit schließen. Die Arbeiten erfolgen weiterhin in den eng gekoppelten Bereichen A (Carnot-Batterien in Energiemärkten), B (Design von Carnot-Batterien) und C (Komponenten für Carnot-Batterien). Die Koordination bündelt die Aktivitäten durch gemeinsame Qualitäts- und Bewertungsmaßstäbe, Daten- und Modellstandards, Nachwuchsaustausch sowie Workshops mit internationaler Beteiligung. Eine zentrale Rolle spielt ein gemeinsames flexibles Carnot-Batterie-Labor (CB-Lab), das zur Validierung transiente/teillastige Modellvorhersagen und zur Untersuchung der Kopplung realer Speicher-, Wärmeübertrager- und Maschinenkomponenten unter variablen Betriebsbedingungen bereitstellt. So entsteht eine belastbare, übertragbare Methodik zur techno-ökonomischen Auslegung marktkompatibler Carnot-Batterien im relevanten Temperaturbereich (<500 °C) und mit variablen Arbeitsfluiden, Komponenten und Konfigurationen.
http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.pngContribution to a conference proceedingsRomberg, H.RWTH* ; Höges, C.RWTH* ; Graessner, R. ; Vering, C.RWTH* ; Müller, D.RWTH* Towards optimal heat pump design: integrating and investigating part-load behaviour 2025[38. International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, ECOS, 2025-06-29 - 2025-07-04, Paris, France] 38. International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, ECOS, ParisParis, France, 29 Jun 2025 - 4 Jul 20252025-06-292025-07-04(2025)2025 FilesBibTeX |
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