Wissenschaftler der Aalto-Universität in Finnland haben einen Prototyp eines ungewöhnlichen Energiespeichers entwickelt, bei dem anstelle herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus gewöhnlicher Quarzsand verwendet wird. Dieses System gehört zu den „Carnot-Batterien“, bei denen Strom in Wärme umgewandelt wird und die gespeicherte Wärme anschließend wieder zur Energieerzeugung genutzt wird. In der neuen Anlage übernimmt der Sand die Rolle des Wärmespeichers: Er wird durch elektrische Heizstäbe in einem wärmeisolierten Behälter erhitzt, danach treibt die Wärme einen Stirlingmotor an, der den Temperaturunterschied in Elektrizität umwandelt.
Für das Experiment bauten die Forscher eine Anlage mit einer Leistung von etwa 1 kW. Im Inneren eines Behälters mit einem Volumen von 0,2 Kubikmetern befand sich Quarzsand mit Korngrößen von 0,6 bis 2 Millimetern. Als Energiewandler kam ein kommerzieller Stirlingmotor Microgen zum Einsatz, und zum Erhitzen wurden gewöhnliche Sauna-Heizstäbe verwendet. Während der Tests wurde der Sand auf 300–350 °C erhitzt, danach gab er die Wärme schrittweise an den Motor ab, sodass die Anlage Strom erzeugen konnte:
- etwa 9 Stunden bei 300 °C
- bis zu 14 Stunden bei 350 °C mit einer Spitzenleistung von 690 W
Die Gesamteffizienz des Systems ist jedoch bislang vergleichsweise niedrig. In den Experimenten konnten nur 4,4–8,3 % der eingesetzten Energie wieder in Strom zurückverwandelt werden, während moderne Lithium-Ionen-Akkus üblicherweise mehr als 90 % der gespeicherten Energie zurückliefern. Der Grund lag weniger am Sand selbst als an Wärmeverlusten über die Wände der Anlage und das Kühlsystem des Motors. In einem der Zyklen erhielt das System beispielsweise 53 kWh elektrische Energie, gab aber nur 2,33 kWh zurück; weitere etwa 16,5 kWh gingen für die Motorkühlung drauf, und mehr als 34 kWh wurden einfach an die Umgebung abgegeben.
Die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Sands verursachte zusätzliche Schwierigkeiten, da sich die Wärme in ihm nur langsam ausbreitete und der Motor zeitweise unter einem Mangel an Wärmestrom litt. Um dieses Problem zu lösen, schlagen die Wissenschaftler vor, dem Sand metallische Elemente oder spezielle wärmeleitende Strukturen beizumischen. Gleichzeitig hat das Konzept der „Carnot-Sandbatterie“ seine Funktionsfähigkeit gezeigt, und Sand erwies sich als praktisches Material zur Wärmespeicherung:
- er ist günstig,
- weit verbreitet verfügbar,
- nicht toxisch,
- kann Temperaturen von über 1700 °C ohne Zerstörung standhalten,
was eine deutlich längere Lebensdauer solcher Systeme im Vergleich zu chemischen Akkus verspricht.