Compressed Air Energy Storage

Druckluftspeicherkraftwerke oder (genauer) Druckluftspeicher-Gasturbinen-Kraftwerke werden auch kurz Luftspeicher-Kraftwerke oder nach der englischen Bezeichnung Compressed Air Energy Storage, abgekürzt CAES-Kraftwerke, genannt. Weltweit werden bislang nur zwei Kraftwerke dieses Typs betrieben, in Deutschland und in den USA.

Funktionsweise

Ein Druckluftspeicherkraftwerk ist prinzipiell ein Gasturbinenkraftwerk, das Spitzenlastenergie bereitstellt. Im Unterschied zu einem für den gleichen Einsatzzweck entwickelten Pumpspeicherkraftwerk, bei dem Wasser aus einem hoch gelegenen Speichersee über Fallrohre nach unten fließt und dabei Turbinen und damit Generatoren antreibt, nutzt ein Druckluftspeicherkraftwerk die Energie, die in komprimierter Luft steckt. In Schwachlastzeiten wird mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter Druckluft in einer unterirdischen Kaverne gespeichert. In Zeiten einer hohen Energienachfrage bei Spitzenlast wird die Druckluft in eine Gasturbine geleitet, die wegen des fehlenden Verdichters ihre volle Leistung an den angekuppelten Generator abgeben kann. Da bei Expansion der Luft wieder Wärme zugeführt werden muss, um eine Vereisung der Turbinen zu vermeiden, wird immer eine Kombination aus Druckluftspeicher und Gasturbinenkraftwerk verwendet.

Spitzenlastkraftwerke sind technisch aufwändige Kraftwerke, und deshalb ist der in ihnen erzeugte Strom sehr teuer. Aus diesem Grunde werden sie nur zu bestimmten Zeiten zur Abdeckung von Spitzenlasten eingesetzt. siehe Regelenergie

Ein wesentliches Merkmal eines Druckluftspeicherkraftwerkes – wie auch von anderen Spitzenlast- und Speicherkraftwerken – ist der, dass sie sehr schnell gestartet werden können. Innerhalb von drei Minuten steht z. B. in Huntorf bei Elsfleth 50 % und nach ca. 10 Minuten 100 % der Leistung zur Verfügung.

Zudem ist die Anlage schwarzstartfähig, das heißt, die Anlage kann nach einem großflächigen Blackout zum Wiederaufbau des Netzbetriebes beitragen.

Kraftwerk Huntorf

Kraftwerk Huntorf im Modell

Kraftwerk Huntorf von innen

Das weltweit erste CAES-Kraftwerk wurde Ende der 1970er Jahre in Deutschland, in Huntorf^[1] bei Elsfleth, gebaut und 1978 in Betrieb genommen. Es hat die Aufgabe, Grundlaststrom des nahe gelegenen Kernkraftwerks Unterweser in Schwachlastzeiten aufzunehmen und in Spitzenlastzeiten ins elektrische Netz einzuspeisen. Außerdem soll das Speicherkraftwerk im Fall eines Netzzusammenbruchs die Stromversorgung des Kernkraftwerks absichern. Geführt wird das Kraftwerk von E.ON Kraftwerke GmbH.

Beim Bau der Anlage wurden in einer Tiefe zwischen 650 m und ca. 800 m zwei Kavernen im Salzgestein ausgesolt. Sie haben ein Gesamtvolumen von ca. 300.000 m³ (bei einer zylindrischen Form mit 70 m Durchmesser und 200 m Höhe). Das aufgelöste Salz (Sole) wurde von den zu solenden Kavernen in die rund 30 Kilometer entfernte Brackwasserregion der Weser geleitet. Um die Belastungen für die Fische in den Flüssen niedrig zu halten (denn schließlich wurden 300.000 Tonnen Salz herausgewaschen), dehnte man die Aussolung auf einen Zeitraum von knapp zwei Jahren aus, sodass der Salzeintrag pro Stunde für die Fische erträglich war.

Um das Kraftwerk startbereit zu machen, wird in Zeiten, zu denen ein Stromüberschuss besteht (also Schwachlastzeiten), Luft mit einem Druck von 46 bar bis 72 bar in die Kavernen gepumpt. Die in Reihe geschalteten Hoch- und Niederdruck-Kompressoren nehmen dabei eine Leistung von ca. 60 MW auf. Es dauert ca. acht Stunden, bis die Luft im Speicher auf den Enddruck von 72 bar komprimiert ist (wetterabhängig von Luftdruck und Temperatur). Dann kann man über 72.000 t Pressluft verfügen.

Wird zu Spitzenlastzeiten elektrische Energie benötigt, so strömt die komprimierte Luft aus den Kavernen – geregelt – in die Brennkammer der Gasturbine. Gleichzeitig wird über eine Gasleitung Erdgas der Turbine zugeführt. Das so geregelt entstehende Luft-Brenngas-Gemisch wird in der Brennkammer verbrannt. Die Turbine entzieht dem Brenngasstrom Exergie und transformiert sie über einen Generator in elektrische Energie. Dabei übernimmt die aus den Kavernen strömende Druckluft die Arbeit des im ordinären Betrieb vorgeschalteten Verdichters. Die Verdichterarbeit einer Gasturbine verbraucht bis zu zwei Drittel der Gesamtarbeit.

Das Druckluftspeicherkraftwerk Huntorf hat eine Leistung von 290 MW, das ist rund ein Viertel eines Kernkraftwerkes üblicher Größe von 1.300 MW. Diese Leistung kann über zwei Stunden abgegeben werden, dann ist der Druck im Speicher für einen Volllastbetrieb zu niedrig, und die Maschine geht in den Gleitdruckbetrieb über. Würde keine verdichtete Luft aus den Kavernen genommen, müsste der Verdichter also von der erzeugten Energie angetrieben werden, so könnte das Kraftwerk mit gleicher Erdgasmenge nur 40 Minuten seine volle Leistung abgeben.

Wirkungsgrad

Den Wirkungsgrad von Druckluftspeicherkraftwerken anzugeben ist schwierig, da zwei verschiedene Inputfaktoren (Gas und Strom) benötigt werden. Diese können nicht ohne weiteres gleichgesetzt werden. Es gibt zwei Auslegungsextreme:

Bei vergleichsweise hohen Gaspreisen wäre es möglich, die in der Kaverne komprimierte Luft völlig ohne zusätzliche Zuführung von Wärme aus Gas zu verstromen. Die Nutzungsgradberechnung dieses Kraftwerks wäre analog zu der eines Pumpspeicherkraftwerkes. Der Wirkungsgrad liegt aufgrund hoher Verluste, resultierend aus der ungenutzten Verdichtungswärme, deutlich unter dem einer modernen Gasturbine.

Bei sehr geringen Gaspreisen könnte man den Kavernendruck senken, um wertvolle elektrische Energie für die Verdichtung einzusparen. Durch die Verbrennung von mehr Gas kann man dieses Defizit durch höhere Turbineneintrittstemperaturen in Grenzen ausgleichen. Allerdings widerspricht das zu einem gewissen Maße dem eigentlichen Verwendungszweck eines Speicherkraftwerks, nämlich Energie zu speichern. Außerdem nähert man sich damit dem herkömmlichen Gasturbinenprozess an.

Reale Druckluftspeicherkraftwerke bewegen sich aus technischen Gründen zwischen diesen beiden Extremen. Um 1 kWh elektrischer Energie zu erzeugen, müssen 0,8 kWh el. Energie und 1,6 kWh Gas aufgebracht werden^[2]. Daraus folgt ein Wirkungsgrad von 42 %.

Die aus dem Netz aufgenommene Energie beim Speichern beträgt

$E_\text{el., aufgenommen} = P \cdot t = 60\,\text{MW} \cdot 8\,\text{h} = 480\,\text{MWh}$

Die abgegebene Energie ist merklich höher und beträgt

$E_\text{abgegeben} = P \cdot t = 321\,\text{MW} \cdot 2\,\text{h} = 642\,\text{MWh}$

Der Unterschied wird durch das zusätzliche Verbrennen von Erdgas bereitgestellt.

Ein modernes Pumpspeicherwerk hat einen Wirkungsgrad von bis zu 80 %.

Kraftwerk McIntosh

Ein weiteres Druckluftspeicherkraftwerk befindet sich in den USA im Staat Alabama. Es wurde 1991 in Betrieb genommen. Als Weiterentwicklung der CAES-Technik wurde ein Rekuperator integriert, der die heißen Abgase der Gasturbine zur Luftvorwärmung nutzt und dadurch den Brennstoffverbrauch mindert. Dieses Kraftwerk kann über 26 Stunden eine Leistung von 110 MW bereitstellen. Die Luft wird hier in einer einzelnen Kaverne mit einem Volumen von 538.000 m³ gespeichert. Die lange Laufzeit von 26 Stunden lässt erkennen, dass es sich nicht um ein reines Spitzenlastkraftwerk handelt.

Um 1 kWh elektrischer Energie zu gewinnen, müssen vorher 0,69 kWh el. Strom und 1,17 kWh Gas investiert werden^[3]. Das entspricht einem Wirkungsgrad von 54 %.

In dieser Anlage wird aus 1,8-fachem Speichervolumen (im Vergleich zu Huntdorf) die größere Energiemenge 2860 MWh herausgeholt. Das entspricht einer um den Faktor (2860/642)/1,8 = 2,5 höheren Speicherdichte.

Geplantes Kraftwerk von Norton Energy Storage

In Ohio (USA) will die Firma Norton Energy Storage das größte bisher gebaute Druckluftspeicherkraftwerk errichten. Es soll in einer 700 Meter tief liegenden 10 Mio m³ großen Kalksteinmine Luft speichern. Die erste Leistungsstufe soll zwischen 200 MW und 480 MW haben und zwischen 50 und 480 Mio. $ kosten. In vier weiteren Stufen soll die Leistung auf etwa 2.500 MW gesteigert werden.

Bedeutung

Druckluftspeicherkraftwerke könnten in Zukunft eine größere Bedeutung bekommen. Sie können wie Pumpspeicherkraftwerke zur Stromveredelung benutzt werden. Um ähnlich viel Regelenergie zur Verfügung zu stellen, brauchen Pumpspeicherkraftwerke entweder große Volumina und damit sehr viel Fläche oder große Höhenunterschiede. Sie bieten aber als einzige Energieanlagen die Möglichkeit, Elektrizität wirtschaftlich und in nennenswertem Umfang zu speichern.

Druckluftspeicher benötigen ausgehöhlte, luftdichte Salzstöcke und sind deshalb ebenso wie Pumpspeicherkraftwerke an geologisch geeignete Standorte gebunden. An der deutschen Nordseeküste gibt es viele Salzstöcke, die ausgespült werden könnten, um dadurch Kavernen für Druckluftspeicheranlagen zu schaffen. Damit könnten sie die Probleme lösen, die bei weiterem Zubau an Windkraftanlagen auftreten werden.

Darüber hinaus verspricht man sich angesichts des Ausbaus der Windenergie von ca. 18.500 MW installierter Leistung (Ende 2005) auf geplante 25-35.000 MW im kommenden Jahrzehnt vom breiten Einsatz von Speichern eine Verstetigung der schwankenden (volatilen) „dargebotsabhängigen Energieformen“ wie Wind- und Sonnenenergie. Fehlende Windenergie könnte aus den Speichern ergänzt werden, und die kurzzeitigen, aber sehr hohen Produktionsspitzen könnten in die Speicher eingespeist werden, was die Netzverträglichkeit der Windenergie erhöht. Günstig ist dabei, dass sich in der Nähe der gegenwärtigen (Küstenbereich) und künftigen (Nord- und Ostsee) Produktionsschwerpunkte der Windstromproduktion viele geologisch geeignete Stätten befinden. Die EU fördert ein europaweites Forschungsprojekt zu Druckluftspeichern (AA-CAES, s.u.).

Weiterentwicklung

Derzeit wird im Rahmen eines europäischen Forschungsprojektes von Alstom Power Switzerland an einer Weiterentwicklung der Druckluftspeichertechnik gearbeitet. Bei bisher ausgeführten Kraftwerken wird die bei der Komprimierung der Luft entstehende Wärme an die Umgebung abgeführt und ist damit nicht weiter nutzbar.

Bei dem sogenannten adiabaten Druckluftspeicherkraftwerk (engl: Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage - AA-CAES) wird der Kompressor nicht gekühlt und die Wärme der komprimierten Druckluft in einem Wärmespeicher zwischengespeichert. Dieser ist als Feststoffspeicher ausgeführt, ähnlich einem Cowper. Wird die Luft wieder entspannt, durchläuft sie vorher den Wärmespeicher und wird so wieder erhitzt. Es wird kein Erdgas zur Erwärmung der Luft gebraucht. So könnte ein deutlich höherer Nutzungsgrad erreicht werden. Voraussetzung ist aber, dass zwischen Auf- und Entladung des Speichers eine nur kurze Zeitspanne liegt.

Die deutlich höheren Nutzungsgrade von Pumpspeicherkraftwerken von etwa 80 % können aber von Druckluftspeicherkraftwerken aus physikalischen Gründen wohl nie erreicht werden. Zu denken gibt, dass nach 30 Jahren Probebetrieb in Huntorf noch nicht über den Bau eines Nachfolgekraftwerkes nachgedacht wird.

Weblinks

• Strom aus frisch gepresster Luft
• Simulation innovativer energietechnischer Prozesse - adiabate Luftspeicherkraftwerke, Forschung des Lehrstuhls Thermodynamik und Energietechnik an der Universität Paderborn, 24. Mai 2005
• Fritz Crotogino: Einsatz von CAES-Kraftwerken beim Ausgleich fluktuierender Windenergie-Produktion mit aktuellem Strombedarf - pdf-Datei
• Druckluft als Energieträger für die Spitzenlast-Stromerzeugung, in: tucontact, 11. Oktober 2002 - pdf-Datei
• Matti Juvonen:Compressed Air Energy Storage (CAES) (engl.), 7. Februar 2003
• e.on "Kraftwerk Huntdorf - Druckluft aus unterirdischen Kavernen"
• Diplomarbeit: Thermische Energiespeicherung in Druckluftspeicherkraftwerken - Theorie der Speicherung im fluiden Einphasengebiet

Einzelnachweise

1. ↑ MPI: Stromspeicher
2. ↑ Druckluftspeicher-Kraftwerke
3. ↑ Erfahrungen mit CAES-Kraftwerken