Druckluftspeicherkraftwerk

Druckluftspeicherkraftwerke oder (genauer) Druckluftspeicher-Gasturbinen-Kraftwerke oder (richtig) Druckluftspeicher-Gasturbinen-Energiewerke werden auch kurz Luftspeicher-Kraftwerke oder nach der englischen Bezeichnung Compressed Air Energy Storage, abgekürzt CAES-Kraftwerke, genannt. Ein Druckluftspeicherwerk ist ein Typ von Speicherkraftwerk, in welchem Druckluft als Energiespeicher verwendet wird. Es dient zur Netzregelung wie beispielsweise der Bereitstellung von Regelleistung.

Weltweit werden bislang nur zwei Speicherkraftwerke dieses Typs betrieben: Das Kraftwerk Huntorf in Deutschland und das Kraftwerk McIntosh in den USA.

Prinzipieller Aufbau eines Druckluftspeicherkraftwerks

Funktionsweise

Druckluftspeicherkraftwerke wurden bisher als Hybrid in Kombination mit einem Gasturbinenkraftwerk zur Bereitstellung von Strom zu Zeiten der Spitzenlast ausgeführt. Im Unterschied zu einem für den gleichen Einsatzzweck entwickelten Pumpspeicherkraftwerk, bei dem Wasser aus einem hochgelegenen 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 hoher Stromnachfrage bei Spitzenlast wird die Druckluft in eine Gasturbine geleitet, die ihre Leistung an einen angekuppelten Generator abgibt. Da bei Expansion der Luft wieder Wärme zugeführt werden muss, um die Vereisung der Turbinen zu vermeiden, wird eine Kombination aus Druckluftspeicher und Gasturbinenkraftwerk verwendet.

Spitzenlastkraftwerke sind technisch aufwendige 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 es, dass sie sehr schnell gestartet werden können. Innerhalb von drei Minuten steht z. B. in Huntorf bei Elsfleth 50 % und nach ca. zehn 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.

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.^[1]

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 %.

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.

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 den Energiespeicherbedarf decken, der bei weiterem Zubau an Windkraftanlagen auftreten wird.

Dabei 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.

Systematisierung

Im strengen Wortsinn besteht ein Druckluftspeicherkraftwerk lediglich aus einem strombetriebenen Kompressor, dem Druckluftspeicher als großvolumigem, luftdicht verschlossenem Behälter, einer Turbine und einem Generator. Der Kompressor verdichtet Luft und presst sie in den Behälter. Die später ausströmende Druckluft treibt die Turbine an. Der daran angeschlossene Generator erzeugt Strom. Diese elementare Ausführung würde in der Praxis zu erheblichen Problemen und einem ineffizienten Betrieb führen. Sie wird daher stets um zusätzliche Komponenten erweitert.

Druckluft-Gas-Kombikraftwerk

Die Kompression der Luft führt automatisch zu einer Erhöhung ihrer Temperatur, siehe: Adiabatische Zustandsänderung. Je nach Druck können weit über 1.000 °C erreicht werden. Um die Anlage davor zu schützen, wird ihre Wärmeenergie über Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben und geht somit für die weitere Nutzung verloren. Eine weitere Abkühlung findet durch den unvermeidlichen Temperaturausgleich mit der Wandung des Druckluftspeichers (Kaverne) in der Zeit bis zur Wiederentnahme statt. Aus beiden Prozessen resultieren erhebliche Effizienzverluste.

Umgekehrt kühlt die (bereits abgekühlte Luft) bei Expansion in der Turbine stark ab. Die in der Luft befindliche Restfeuchte gefriert und vereist die Turbine. Um dies zu vermeiden, wird die Druckluft beim Eintritt in die Turbine mit einem brennbaren Gas gemischt und das Gemisch gezündet. Die entstehenden heißen Abgase treiben die Turbine an.

Somit handelt es sich um ein Gasturbinenkraftwerk, bei dem die Arbeit des zur Turbine gehörigen Verdichters von der gespeicherten Druckluft übernommen wird. Das Kraftwerk Huntorf gehört in diese Kategorie.

Adiabatisches Druckluftspeicherkraftwerk

Bei dem sogenannten adiabat(isch)en 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 die Zeitspanne zwischen Auf- und Entladung des Speichers nur kurz ist. Während der Expansion in der Turbine kühlt die Luft auf Umgebungstemperatur ab.

Bei bisher ausgeführten Kraftwerken wird die bei der Komprimierung der Luft entstehende Wärme an die Umgebung abgeführt und ist damit nicht weiternutzbar. Somit arbeitet ein Adiabatisches Druckluftspeicherkraftwerk näher an einer Adiabatischen Zustandsänderung, der Wirkungsgrad ist höher.^[2]

Entwicklungsprojekte

Die deutlich höheren Nutzungsgrade von Pumpspeicherkraftwerken von etwa 80 % können aber von Druckluftspeicherkraftwerken aus physikalischen Gründen wohl nie erreicht werden. Dennoch gibt es derzeit Bestrebungen in Deutschland und auch in den USA zum Neubau jeweils mehrerer neuer Druckluftspeicherkraftwerke in Salzstockkavernen oder in den Hohlräumen stillgelegter Bergwerke.

In den Jahren 2003 - 2005 wurde im Rahmen eines europäischen Forschungsprojektes von Alstom Power Switzerland an einer Weiterentwicklung der Druckluftspeichertechnik gearbeitet.

Das Druckluftspeicherkraftwerk Staßfurt (RWE, DLR) soll 2013 in Betrieb gehen. Es soll 90 MW haben und 360 Megawattstunden speichern können.^[3]

Isobarer Druckluftspeicher

Während der Entnahme der Druckluft aus dem Druckluftspeicher verringert sich der Druck im Speicher und somit der Eingangsdruck der Turbine. Konventionelle Turbinen sind aber für weitgehend konstanten Druck ausgelegt. Um den Druck im Druckluftspeicher während der Entnahme konstant zu halten, kann man ihn unterhalb einer Wassersäule positionieren. Das kann dadurch erreicht werden, dass die (unterirdische) Kaverne mit einem See verbunden wird. Während des Einblasens der Luft in die Kaverne verdrängt sie das Wasser von dort in den See, während der Entnahme der Druckluft strömt das Wasser wieder in die Kaverne. Die Druckveränderung reduziert sich auf die Schwankung der Oberfläche des Sees. Beim Submarinen Druckluftspeicher reduzieren sich die Druckveränderungen aufgrund der Positionierung auf dem Meeresboden automatisch auf ein Minimum.

Submariner Druckluftspeicher

Submariner Druckluftspeicher mit Wärmespeicher

Positioniert man den Druckluftspeicher auf dem Meeresboden, verwendet man als Speicher anstelle der Kaverne einen Behälter mit einer festen oder flexiblen Hülle. Auf die Hülle wirken nur sehr geringe Kräfte. Der Druck der komprimierten Luft an der Innenseite des Behälters und der Wasserdruck auf seiner Außenseite sind gleich groß, es treten nur geringe Kräfte auf. Trotzdem kann man mit großen Drücken arbeiten. So herrscht z. B. in 1.000 Meter Tiefe ein Druck von ca. 100 bar.

Als submariner Druckluftspeicher mit fester Hülle können ausgediente Öltanker verwendet werden. Submarine Druckluftspeicher mit flexibler Hülle werden als „Energy Bag“ bezeichnet und von der Universität Nottingham entwickelt.^[4][5] Siehe auch: Weiterentwicklung. Beide Varianten müssen aufgrund des auftretenden Auftriebs beschwert oder am Meeresgrund verankert werden.

Prof. Seamus Garvey, University of Nottingham^[6], arbeitet an Druckluftspeichern in Form von gigantischen Unterwasser-Ballons. In Kombination mit neuartigen Wind- und Wellenkonvertern sollen die Speicher mit bis zu 60 Atmosphären Druck und einer Temperatur bis 630 C in bis zu 600 m unter der Meeresoberfläche arbeiten.^[7] Erste Prototypen sind im Bau und werden von einem namhaften E-Konzern gefördert (Power & Energy Solutions.Europe Edition. Issue 13, 2010)

Projekte

Ausgeführte Anlagen

Kraftwerk Huntorf

→ Hauptartikel: Kraftwerk Huntorf

Kraftwerk Huntorf im Modell

Das Kraftwerk Huntorf – weltweit das erste CAES-Kraftwerk – wurde Ende der 1970er Jahre in Deutschland, in Huntorf^[8] bei Elsfleth, gebaut und 1978 in Betrieb genommen. Das Kraftwerk hatte ursprünglich eine Leistung von 290 MW; diese wurde durch ein Retrofit im Jahre 2006 auf 321 MW erhöht.

Das Kraftwerk ist ein kombiniertes Druckluftspeicher- und Gasturbinenkraftwerk, das heißt, die Gasturbine ist keine reine Gasexpansionsturbine, sondern eine Verbrennungskraftmaschine, in der zusätzlich zur Energie aus Druckluft auch Energie durch die Verbrennung von Erdgas umgewandelt wird.

Kraftwerk McIntosh

→ Hauptartikel: 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.^[9]

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.

Geplante Anlagen

Druckluftspeicher Staßfurt (ADELE)

→ Hauptartikel: Druckluftspeicherkraftwerk Staßfurt

Ab 2013 soll in Staßfurt im Salzlandkreis in Sachsen-Anhalt eine Pilot- und Testanlage nach dem ADELE-Prinzip (Adiabate Speicherung) errichtet werden. Das Konzept wird von RWE, General Electric, Züblin und dem DLR entwickelt. Das Kraftwerk soll nach Fertigstellung über eine Leistung von ca. 90 MWel und eine Speicherkapazität von etwa 360 MWh verfügen und von RWE betrieben werden.

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 zehn Millionen Kubikmeter 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.

Iowa Stored Energy Park

In Iowa (USA) soll bis 2015 ein Druckluftspeicherkraftwerk mit etwa 270 MWel Leistung errichtet werden. Im Gegensatz zu anderen Anlagen soll hier die Druckluft nicht in einer Kaverne, sondern in einem Aquifer gespeichert werden. Durch den hydrostatischen Druck des Grundwassers hofft man, in abgeschwächter Form die oben erläuterten Vorteile des isobaren Speichers nutzen zu können. Die Fertigstellung ist für 2015 geplant.^[10]

Weblinks

• 70 Prozent Wirkungsgrad
• 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 (850 kB)
• Druckluft als Energieträger für die Spitzenlast-Stromerzeugung, in: tucontact, 11. Oktober 2002 – PDF-Datei (95 kB)
• Matti Juvonen:Compressed Air Energy Storage (CAES) (engl.), 7. Februar 2003
• Projekt ADELE
• Mit Druckluft Strom speichern; BMWi Projekt-Cluster / 22. Juli 2010. Abgerufen am 5. Juni 2011.

Einzelnachweise

1. ↑ Druckluftspeicher-Kraftwerke
2. ↑ dlr.de
3. ↑ Damit kann er zum Beispiel vier Stunden lang die Leistung 50 großer Windräder ersetzen.
4. ↑ Energy Bag 1
5. ↑ Energy Bag 2
6. ↑ www.nottingham.ac.uk
7. ↑ BBC 5. Februar 2010
8. ↑ MPI: Stromspeicher
9. ↑ Erfahrungen mit CAES-Kraftwerken
10. ↑ Iowa's Innovative Energy Solution. Iowa Stored Energy Park, abgerufen am 8. März 2011 (englisch).