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Druckluftenergiespeicher – AA-CAES

 

Grundsätzlich muss hier zwischen herkömmlichen Druckluftspeicherkraftwerken (CAES, Compressed Air Energy Storage) und adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerken (AA – CAES, Advanced Adiabatic Compressed Air Storage) unterschieden werden. Bestehende CAES-Kraftwerke benötigen für die Expansion, also für die Entnahme, fossile Energieträger und dies würde über den Kontext dieses Berichtes hinausführen. Deshalb wird hier hauptsächlich die Variante ohne Gasfeuerung, also mit adiabaterWärmespeicherung, erläutert.

 

Funktionsprinzip eines Druckluftenergiespeichers

In einem Druckluftenergiespeicher (engl. Pumped Hydroelectric Storage), auch Umwälzwerk genannt, wird elektrische Energie, unter anderem erzeugt aus erneuerbaren Energien, in Form von hydraulischer Energie in einem Druckluftreservoir gespeichert (s. Abb. 1). Mithilfe von elektrischer Energie wird ein Kompressor angetrieben, der Luft in einen geschlossenen Raum pumpt und komprimiert.

Abbildung 1, Funktionsprinzip Druckluftenergiespeicher

Wird die Energie benötigt, so wird die komprimierte Luft in einer Turbine wieder umgewandelt und in das Stromnetz eingespeist oder zur Verwendung bereitgestellt. Ein Problem bei dieser Art der Energiespeicherung ist, dass Luft bei der Kompression Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgibt und sich an die Umgebungstemperatur anpasst. Physikalisch lässt sich zeigen, dass die ganze Energie, die man in den Speicher pumpt, in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Dieser Zusammenhang hat zwei negative Effekte. Zum Einen sinkt der Luftdruck mit fallender Temperatur und damit auch der Wirkungsgrad des Systems und zum Anderen entzieht die Luft bei der Expansion die vorher verlorene Energie aus der Umgebung, was niedrigste Temperaturen (bis hin zu flüssigem Sauerstoff) zur Folge hat. Explosionsgefahr und Beschädigungen der Anlage sind die Folgen. Der maximale Wirkungsgrad bei diesem System wird demnach erzielt, wenn beide Vorgänge, sowohl die Speicherung als auch die Entnahme, verlustfrei, d.h. adiabat, sind.

Bei dieser Art der Energiespeicherung ist es also wichtig, die Wärme, die bei der Kompression entsteht, zu speichern und bei der Expansion wieder zuzuführen.

Bestehende Druckluftspeicherkraftwerke speichern die Wärme nicht. Hier wird bei der Entnahme Wärmeenergie mit Hilfe einer Gasfeuerung zugeführt.

 

Energiedichte

Formel 1, Energieinhalt adiabater Druckluftspeicher

 

p1/2:   Druck vor/nach Kompression

V1/2:  Volumen vor/nach  Kompression

K:      Isentropenexponent, 1,4

Der Energieinhalt und auch die Energiedichte eines adiabaten Druckluftspeichers kann mit oben genannter Formel überschlägig berechnet werden. Ein vollständig verlustfrei arbeitender Druckluftenergiespeicher ist technisch nicht realisierbar. Die Energiedichte bei einem adiabaten Druckluftenergiespeicher ist deshalb vom Wirkungsgrad der Anlage und damit von vielen Faktoren abhängig.

 

Faktoren für die Energiedichte eines AA – CAES-Kraftwerks:

 

  • Dichtheit des Luftreservoirs und der Anlage
  • Verluste bei der Wärmespeicherung (Bereitstellungszeitraum)
  • Überbrückungszeitraum
  • Wirkungsgrad von Kompressor und Turbine

 

Abgeschätzt kann ein adiabates Druckluftspeicherkraftwerk eine Energiedichte von 2 kWh/m³ erzielen [nach 2].

 

Machbarkeit

Druckluftspeicherkraftwerke könnten vielerorts realisiert werden und es erfolgt kein großer Eingriff in Landschaft und Natur, wie das zum Beispiel bei Pumpspeicherkraftwerken der Fall ist. Bereits vorhandene Kavernen und Reservoirs im Erdreich können als Druckluftspeicher genutzt werden. Derartige Kavernen finden sich auch oft in Küstennähe oder in der Nähe von Standorten, wo die Potentiale für den zukünftigen Ausbau der Windenergie liegen. Druckluftenergiespeicher sind sowohl als Kleinanlagen, wie Inselnetzen, als auch in Großanlagen machbar. Die Schwierigkeit liegt allerdings darin, die Wärme (mehrere 100°C möglich) über einen längeren Zeitraum oder bzw. die Bereitstellungsdauer zu speichern. Als Materialien könnten hier z.B. poröse Keramiken bzw. Beton oder auch Steinfüllungen in Betracht kommen. Bis jetzt ist noch keine derartige Anlage in laufendem Betrieb, was die Umsetzung eines solchen Projektes erheblich erschweren würde.

 

Ökonomie und Invest

Über Ökonomie und Invest kann derzeit keine Aussage getroffen werden.

 

Marktsituation

Die Grundlagen für die Entwicklung von „annähernd“ adiabaten Druckluftenergiespeichern sind mit dem heutigen Stand der Technik gegeben und es existieren Hersteller für Einzelbauteile wie Turbinen, Kompressoren, Druckluft- und Wärmespeicher. Allerdings befindet sich die Technik für adiabate Druckluftenergiespeicher noch in der Entwicklungsphase, wodurch Materialdaten noch nicht veröffentlicht werden oder noch nicht existieren. Bis auf vereinzelte Pilotprojekte existiert kein Markt für diese Art der Energiespeicherung.

 

Ökologie

Mit dem Bau eines Druckluftspeicherkraftwerkes erfolgt ein nur geringer Eingriff in die Umwelt und die Natur, da nur die Technik oberhalb positioniert wird und die Speicherung unterhalb der Erdoberfläche geschieht. Der für die Speicherung benötigte Hohlraum im Erdinneren ist häufig schon vorhanden. In diesem Zusammenhang kann gefolgert werden, dass Druckluftspeicherkraftwerke durchaus ökologisch unbedenklich sind.

 

Anlagenbeispiele

ADELE

Das Pilotprojekt ADELE  (siehe Abb.2) ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V., der Ed. Züblin AG, der Erdgasspeicher Kalle GmbH, der GE Global Research, der Ooms-Ittnerhof GmbH und der RWE Power AG.

Ziel des Programms ist zunächst die weitere Entwicklung der notwendigen Komponenten für die adiabate Druckluftspeichertechnologie, außerdem soll das grundlegende Konzept für eine erste Anlage in einem anschließenden Demonstrationsprojekt in ADELE entwickelt werden. Der favorisierte Standort für eine erste Demonstrationsanlage liegt in Staßfurt (Sachsen-Anhalt), in einer von der Windenergienutzung geprägten Region. ADELE-Staßfurt soll über eine Speicherkapazität von 360 Megawattstunden verfügen und eine elektrische Leistung von 90 Megawatt erbringen. Damit ist ADELE-Staßfurt in der Lage, in kürzester Zeit Ersatzkapazität bereit zu stellen und für eine Dauer von vier Stunden bis zu 50 Windräder der vor Ort verbreiteten Bauart zu ersetzen. Insgesamt stellen die Projektbeteiligten 12 Millionen Euro für die Entwicklungsphase von ADELE bis 2013 bereit und werden dabei vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) aus Mitteln des COORETEC Programms gefördert [1].


Abbildung 2, ADELE - Adiabater Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung [1]

 

Verbesserungspotential

Es existiert noch kein System dieser Art. Die Systembauteile befinden sich noch in der Entwicklungsphase. Vorrangig ist im Bereich Wärmespeicherung und Materialbeständigkeit Verbesserungs- und Entwicklungsarbeit zu leisten, da dieses System nur mit einer effektiven Wärmespeicherung und Wärmebereitstellung funktionieren kann und extremen Temperaturschwankungen standhalten muss. Weitere Aussagen können erst mit der Inbetriebnahme von Pilotprojekten wie z.B. ADELE getroffen werden. 

 

Quellenangaben:

[1]          http://www.rwe.com/web/cms/de/365478/rwe/innovationen/stromerzeugung/energiespeicherung/druckluftspeicher/projekt-adele/

                (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

[2]            http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/DPG2010-AKE_Bonn/Buch/
                DPG2010_AKE4.3_Rzepka.pdf

                (abgerufen am 02.07.2012, 17:00 Uhr)

 

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