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SPP 2403:  Carnot-Batterien: Inverser Entwurf vom Markt bis zum Molekül

Fachliche Zuordnung Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
Informatik, System- und Elektrotechnik
Sozial- und Verhaltenswissenschaften
Förderung Förderung seit 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500600620
 
Die kostengünstige, ortsunabhängige und ressourcenschonende Speicherung von elektrischer Energie ist das zentrale ungelöste Problem der Energiewende. Eine mögliche Lösung könnte die aufkommende Technologie der Carnot-Batterien (CBs) sein, bei der elektrische Energie durch Hochtemperatur-Wärmepumpen in Wärme umgewandelt wird, die dann in kostengünstigen Materialien wie Wasser, Steinen oder Salzschmelzen gespeichert und bei Bedarf, z.B. mittels Dampfturbinen, wieder in elektrische Energie umgewandelt wird. Das thermodynamische Prinzip ist seit langem bekannt, dennoch gibt es bisher keine allgemeinen Methoden für ihre Auslegung oder ihre Bewertung auf der Basis der Grundlagen und der Zielsetzungen. Carnot-Batterien sind komplexe gekoppelte, zeitabhängige Systeme mit einer großen Anzahl von Komponenten und Freiheitsgraden. Veröffentlichte Wirkungsgrade und Kosten sind selten verifiziert oder gelten nur für bestimmte Systeme; die Integration in zukünftige Energiemärkte ist unerforscht. Der grundlegend neue Ansatz dieses Schwerpunktprogramms (SPP) ist die umfassende inverse Top-Down-Entwurfsmethodik, die ausgehend von den Zielgrößen (Markt) Schritt für Schritt zum Kleineren hin die optimale Auslegung sowie optimale Betriebsweisen mit entsprechenden Kreisläufen, Speichern, Maschinen und Fluiden (Molekül) anstrebt und diese Komponenten wiederum optimal kombiniert. Insbesondere werden auch die eingesetzten Arbeitsfluide und deren Gemische gemeinsam mit den Prozessparametern und der Konfiguration optimiert, um so die technischen und ökonomischen Grenzen zu finden. Die Marktbedürfnisse und die Grenzen von CBs sollen von einem interdisziplinären SPP-Team untersucht werden. Durch den Aufbau einer neuen interdisziplinären Community wird ein großer methodischer und inhaltlicher Erkenntnisgewinn erwartet, der auf weitere energietechnische Fragestellungen übertragbar ist. Dies geschieht in den invers angeordneten Projektbereichen, die aufeinander aufbauen und intensiv kooperieren: A - Carnot-Batterien in Energiemärkten, B - Design von Carnot-Batterien, C - Komponenten für Carnot-Batterien. Die Arbeit des SPP wird durch ein gemeinsames Carnot-Batterielabor gebündelt und validiert, das im Rahmen des Koordinationsprojekts aufgebaut wird und von den Teilnehmern des SPP zur Validierung ihrer Modelle und zur Untersuchung der Kopplung verschiedener miteinander verbundener Teile einer CB genutzt werden kann. Die Zusammenarbeit und der Austausch zwischen den Teilnehmern wird durch die Organisation von Workshops, den Austausch von Studenten und Seminaren koordiniert und schließt die Beteiligung international renommierter Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen ein. Die Verwaltung der Forschungsdaten wird durch das Koordinationsprojekt erleichtert und verwaltet, ebenso wie die Kommunikation der Ergebnisse an die Öffentlichkeit.
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