Sulla strada verso un CO ₂ -sistema energetico neutro, lo stoccaggio di grandi quantità di energia è ancora un problema irrisolto. Nel futuro, Istituto di tecnologia di Karlsruhe (KIT), il Centro aerospaziale tedesco (DLR), e l'Università di Stoccarda intendono sviluppare congiuntamente sistemi di accumulo di energia adeguati. Per questo scopo, gli istituti di ricerca hanno ora concordato la creazione di un'infrastruttura di ricerca, il National Demonstrator for Isentropic Energy Storage (NADINE). La struttura di prova per lo sviluppo di sistemi di accumulo di energia su scala di centrali elettriche sarà costruita a Karlsruhe e Stoccarda.

I sistemi di accumulo dell'energia in grado di far fronte alle fluttuazioni della produzione di energia eolica e solare sono indispensabili per il successo della transizione energetica. Finora, però, mancano ancora sistemi di storage su scala di centrale elettrica a basso costo e indipendenti dalla posizione. Per questa ragione, KIT, DLR, e l'Università di Stoccarda pianificano la costruzione congiunta della struttura di ricerca NADINE (National Demonstrator for Isentropic Energy Storage) per lo sviluppo di sistemi di accumulo di energia a basso costo e quasi senza perdite. Con l'aiuto di NADINE, si prevede di studiare l'uso di metalli liquidi per nuovi sistemi di accumulo termico. L'esatto design della struttura di ricerca è attualmente in fase di sviluppo nell'ambito di un progetto della durata di 18 mesi iniziato all'inizio di quest'anno. Il progetto di design è finanziato dal Ministero federale dell'economia e dell'energia e dal Ministero dell'economia del Baden-Württemberg. L'8 ottobre 2018 i tre istituti di ricerca hanno firmato un accordo a Stoccarda sulla creazione dell'infrastruttura di ricerca a Karlsruhe e Stoccarda.

"Grandi sfide per la società, come la transizione energetica, può essere dominato solo unendo le forze e una stretta collaborazione, "dice il professor Oliver Kraft, KIT Vicepresidente per la Ricerca. "Sono molto felice che saremo in grado di contribuire con la nostra esperienza nel settore delle tecnologie dei metalli liquidi a NADINE. Insieme ai nostri partner, spingeremo in modo decisivo lo sviluppo dei sistemi di stoccaggio dell'energia su scala delle centrali elettriche urgenti." La nuova collaborazione di ricerca è coordinata dal DLR. Professor Pascale Ehrenfreund, chi presiede il Consiglio Direttivo del DLR, afferma:"La transizione energetica è una delle sfide urgenti che deve affrontare la nostra società. Con lo sviluppo dei sistemi di accumulo, DLR sta lavorando a soluzioni per uno dei temi chiave della ricerca energetica. Sistemi di accumulo efficienti possono garantire un approvvigionamento energetico affidabile con una quota in costante aumento di fonti energetiche rinnovabili. Inoltre, i grandi sistemi di accumulo termico possono contribuire alla riduzione della CO ₂ emissioni delle centrali elettriche a carbone dopo la loro ricostruzione in centrali elettriche ad accumulo di calore in tutto il mondo".

Batterie Carnot in ex centrali elettriche a carbone

L'accumulo di energia elettrica sulla scala dei gigawattora è già possibile con le centrali di accumulo a pompa e i sistemi di accumulo a batteria. Però, è quasi impossibile costruire ulteriori centrali elettriche di accumulo a pompa in Germania. I sistemi di accumulo a batteria di questa dimensione sono troppo costosi e non hanno una durata sufficiente. Il concetto di NADINE copre lo sviluppo di sistemi di accumulo di energia flessibili e quasi senza perdite, i cosiddetti sistemi di accumulo isoentropici. Un processo isoentropico avviene in un sistema chiuso senza alcuno scambio di calore o di massa con l'ambiente. Un concetto molto promettente per un sistema di accumulo isoentropico è la batteria di Carnot. Qui, l'energia elettrica viene convertita in calore con l'ausilio di pompe di calore e, se necessario, torna in elettricità. L'implementazione di tali centrali elettriche ad accumulo di calore su larga scala è fattibile quando si utilizza l'infrastruttura esistente delle centrali a carbone dismesse. Nell'accordo di coalizione, il governo federale ha dichiarato la sua intenzione di farlo come contributo alla protezione del clima.

L'infrastruttura di ricerca NADINE sarà progettata per tre livelli di temperatura tipici nei sistemi di accumulo di energia e nei convertitori. A Stoccarda, sono previsti un laboratorio di bassa e alta temperatura per tecnologie fino a circa 700°C. Saranno utilizzati per studiare concetti innovativi di batterie di Carnot. "Grazie a una combinazione intelligente di pompe di calore, sistemi di accumulo di calore e freddo, e motori termici, non possiamo solo immagazzinare energia elettrica, ma genera benefici aggiuntivi, come il raffreddamento dei centri di calcolo, "dice il professor André Thess, coordinatore di NADINE e Direttore del DLR Institute of Engineering Thermodynamics. Il modulo per temperature oltre i 600°C sarà costruito a Karlsruhe. Sarà applicato per studiare l'uso di metalli liquidi per batterie di Carnot e dispositivi di accumulo termico. "I metalli liquidi hanno eccellenti proprietà di trasferimento del calore e possono essere utilizzati a temperature molto elevate, " afferma il professor Thomas Wetzel dell'Istituto di ingegneria dei processi termici del KIT. "La ricerca sulla tecnologia dei metalli liquidi si sta attualmente concentrando sullo sviluppo di promettenti processi innovativi per la conversione altamente efficiente del calore in energia elettrica e combustibili, che si adattano perfettamente al concetto NADINE." Nei laboratori NADINE, dissipatori di calore e fonti di calore saranno resi disponibili tramite una "piattaforma di calore". Qui, singoli componenti e sistemi energetici isoentropici completi saranno studiati in modo simile al lavoro in galleria del vento. I ricercatori testeranno come devono essere progettate le diverse unità di stoccaggio, quali materiali sono adatti, e come i singoli componenti interagiscono nel miglior modo possibile.

La ricerca sui sistemi di accumulo di energia termica su larga scala sta riscuotendo sempre più popolarità nella comunità scientifica internazionale. Il vincitore del premio Nobel per la fisica Robert Laughlin della Stanford University è stato l'ospite d'onore quando è stato firmato l'accordo sulla costituzione di NADINE. Laughlin è l'iniziatore del progetto di archiviazione MALTA di Google X. In una conferenza tenuta all'Università di Stoccarda, ha sostenuto l'accumulo di elettricità basato sul calore che ora deve essere sviluppato nell'ambito di NADINE.