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Druckluftspeicherkraftwerk

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Akronym: CAES

Definition: ein Speicherkraftwerk basierend auf einem Speicher für Druckluft

Englisch: compressed air energy storage

Kategorien: elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 25.11.2012; letzte Änderung: 03.08.2015

Ein Druckluftspeicherkraftwerk ist ein Speicherkraftwerk, welches als Energiespeicher einen mit Druckluft gefüllten Hohlraum verwendet. Beim Einspeichern (Aufladen) wird mit Hilfe elektrischer Energie ein Kompressor (Verdichter) betrieben, mit dem Luft aus der Atmosphäre in den Speicher gepumpt wird. Beim Ausspeichern (Entladen) wird diese Druckluft verwendet, um z. B. mit einer Turbine und einem davon angetriebenen Generator wieder elektrische Energie zu erzeugen. Es handelt sich effektiv also um eine Art von Speicher für elektrische Energie, auch wenn die Energie nicht in Form elektrischer Energie gespeichert wird.

Eine kleinere Speicheranlage lässt sich auch mit einem Gasexpansionsmotor anstelle einer Druckluftturbine ausführen.

Physikalische Aspekte

Die Kompression und Expansion kann unter verschiedenen Bedingungen stattfinden, die entscheidenden Einfluss auf die erzielbare Energieeffizienz haben:

Adiabatisches System

Theoretisch wäre eine hohe Effizienz mit einem adiabatischen System möglich, bei dem die bei der Kompression auftretende Erwärmung der Luft im Speicher voll erhalten bleibt, und zwar bis zur Expansion. Es würde der Luft also idealerweise keinerlei Wärme entzogen. Hierfür müsste natürlich der Druckluftspeicher über eine entsprechende Wärmedämmung verfügen.

Bei einer adiabatischen Kompression von NormalDruck (ca. 1 bar) auf z. B. 50 bar würde die Luft extrem heiß – mit Temperaturen von rund 600 °C. Es ist leider kaum praktikabel, einen großen Druckluftspeicher so zu dämmen, dass er eine solche Temperatur über längere Zeit behalten könnte.

Eine gewisse Annäherung an diese Betriebsart ist möglich mit einem separaten Wärmespeicher (siehe unten).

Isothermes System

Auch bei isothermem Betrieb, d. h. mit konstanter Temperatur der Luft, wäre im Prinzip eine hohe Effizienz möglich. Dies würde erfordern, dass bereits während der Kompression die entstehende Wärme vollständig abgeführt wird, so dass sich die Luft nicht (oder nur wenig) erwärmt. (Alternativ könnte eine Kompression in mehreren Stufen mit dazwischen liegender Kühlung durchgeführt werden.) Bei der Expansion müsste entsprechend die Abkühlung durch Aufnahme von Wärme aus der Umgebung verhindert werden.

Gerade wenn große Leistungen umgesetzt werden sollen, ist dieser isotherme Betrieb besonders bei der Expansion ebenfalls kaum realisierbar. In der Praxis wäre kaum zu vermeiden, dass die Temperatur während der Kompression erheblich höher läge als bei der Expansion. Dies würde die Effizienz entsprechend reduzieren, da mehr Energie für die Kompression nötig wäre und weniger Energie bei der Expansion gewonnen würde.

Isobares System

Eine weitere Möglichkeit wäre ein annähernd isobarer Betrieb, d. h. das Vermeiden einer nennenswerten Druckerhöhung. Bei einem reinen Druckluftspeicher würde dies aber bedeuten, dass für ein gegebenes Speichervolumen nur eine sehr kleine gespeicherte Energiemenge realisierbar wäre. Anders wäre es, wenn die Druckluft unter einer Wassersäule gelagert wäre, so dass beim Laden des Speichers Wasser nach oben gedrängt wird. Dann wäre der Druck im Wesentlichen der konstante hydrostatische Druck. Ein solcher isobarer Speicher wäre denkbar als eine submarine Einrichtung z. B. mit einer großen Druckluftblase am Meeresboden. Auch an Land wäre dies möglich, z. B. wenn eine Gaskaverne eine Verbindung mit dem Wasser eines Sees hat.

System mit zusätzlicher Wärmezufuhr

Da die oben beschriebenen Ansätze alle nicht leicht realisierbar sind, wurde bisher nur der folgende Ansatz verwirklicht:

  • Die Kompression erfolgt annähend isotherm: mit mehreren Kompressorstufen und dazwischen liegenden Kühlern. Die dabei abgeführte Wärme wird nicht genutzt.
  • Bei der Expansion wird der Luft Erdgas zugesetzt und verbrannt, um die sonst starke Abkühlung zu verhindern, die sonst zu einer Vereisung der Expansionsturbine führen würde.

Dieses Verfahren ist energetisch gesehen natürlich deutlich weniger effizient: Es wird beim Entladen zusätzliche Energie aus Erdgas, also einem fossilem Energieträger benötigt.

Druckluft-Gas-Kombikraftwerke

Bisher (Stand 2012) wurden erst zwei Druckluftspeicherkraftwerke realisiert, und zwar als Druckluft-Gas-Kombikraftwerke. Diese basieren auf dem zuletzt beschriebenen Prinzip: annähernd isotherme Kompression und Expansion unter zusätzlicher Beheizung.

Als Druckluftspeicher können große unterirdische Kavernen benutzt werden. Diese können durch Aussolen (Ausspülen) von Salzstöcken geschaffen werden, oder es können bereits vorhandene Hohlräume in Form von Felskavernen und aufgelassenen Bergwerken genutzt werden.

Die bei einem Kombikraftwerk verwendete Expansionsturbine kann mit einer gewöhnlichen Gasturbine verglichen werden. Bei der letzteren würde die Verbrennungsluft zunächst komprimiert, dann mit Erdgas versehen, welches verbrannt wird, und das heiße Gas würde schließlich unter Energieabgabe in einer Turbine expandiert. Rund zwei Drittel der dabei erhaltenen Energie müssten für den Betrieb des Kompressors aufgewendet werden. Genau dieser Energieanteil (die Verdichterarbeit) wird eingespart, wenn Druckluft eingesetzt wird. Der Gasverbrauch bei der Entladung ist also rund dreimal geringer als bei einem reinen Gasturbinenkraftwerk. (Der Unterschied zu einem Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk ist erheblich geringer.)

Beispiel: Kraftwerk Huntorf

Als Beispiel betrachte man das deutsche Kraftwerk Huntorf (bei Bremen), welches in 1978 als erstes Druckluftspeicherkraftwerk weltweit in Betrieb genommen wurde. Eine maximale Leistung von 321 MW (ursprünglich 290 MW) kann gut zwei Stunden lang abgegeben werden. Für die Erzeugung von einer Kilowattstunde elektrischer Energie müssen 0,83 kWh elektrischer Energie für die vorherige Kompression und 1,56 kWh Erdgas (bzgl. Heizwert) eingesetzt werden. Die Angabe eines Wirkungsgrads ist hier schwierig:

  • Einfach die insgesamt eingesetzte Energie zu berücksichtigen, würde zu einem Wert von 1 / (0,83 + 1,56) = 42 % führen. Dies ist aber wenig sinnvoll, da hier zwei Energien von sehr unterschiedlicher Wertigkeit addiert werden, so dass diese Wertigkeiten nicht berücksichtigt sind.
  • Wenn die eingespeicherte Energie nur sonst nicht nutzbare überschüssige Energie wäre, könnte man diese als wertlos betrachten, in der Rechnung also ignorieren, und käme auf 1 / 1,56 = 64 %.
  • Wenn die eingespeicherte elektrische Energie aus einem Gaskraftwerk mit 50 % stammen würde, könnte man den Wirkungsgrad auf die insgesamt eingesetzte Primärenergie beziehen und käme auf 1 / (0,83 / 0,50 + 1,56) = 31 %. Freilich ist es kaum realistisch, dass man ein Gaskraftwerk betreiben würde, um einen solchen Speicher zu laden.
  • Man könnte die eingesetzte Gasmenge auch dadurch berücksichtigen, dass man damit sonst in einem Gaskraftwerk hätte Strom erzeugen können. Die Gasmenge, multipliziert mit dem Wirkungsgrad des Gaskraftwerks (z. B. 50 %), wird also vom Energieertrag abgezogen. So kommt man auf (1 kWh - 0,5 · 1,56 kWh) / 0,83 kWh = 26,5 %.

Man sieht also, dass je nach Betrachtungsweise völlig unterschiedliche Wirkungsgrade resultieren. Welche Betrachtungsweise sinnvoller ist, kann von den jeweiligen Umständen abhängen – etwa ob die gespeicherte Energie aus sonst nicht nutzbaren Überschüssen stammt oder aus Grundlaststrom, welchen Wirkungsgrad ein Gaskraftwerk hätte, usw.

Adiabatische Druckluftspeicherkraftwerke

Wesentlich effizienter könnten annähernd adiabatische Druckluftspeicherkraftwerke sein, die einen Wärmespeicher verwenden – beispielsweise bestehend aus Stein, Beton, heißem Öl oder geschmolzenem Salz. Dieser Speicher nimmt die bei der Kompression der Luft entstehende Wärme auf und dient später für das Verhindern einer übermäßigen Abkühlung bei der Expansion (beim Entladen des Speichers). Es wird also kein Erdgas mehr benötigt. Praktisch realisierbare Wirkungsgrade dürften bei ca. 70 bis 75 % liegen.

Einen Schritt in diese Richtung bewegte man sich mit dem zweiten Druckluftspeicherkraftwerk, dem Kraftwerk McIntosh in Alabama (USA). Hier wird ein Rekuperator verwendet, der wenigstens einen Teil der Lufterwärmung bei der Expansion leisten kann. Es wird immer noch Erdgas benötigt, aber in reduziertem Umfang: Für die Erzeugung von 1 kWh elektrischer Energie werden 0,69 kWh elektrischer Energie für die vorherige Kompression und 1,17 kWh Erdgas benötigt.

Kraftwerke, die gar kein Erdgas mehr benötigen, befinden sich derzeit in Planung. Ab 2013 soll das Druckluftspeicherkraftwerk Staßfurt in Sachsen-Anhalt als Pilot- und Testanlage gebaut werden. Die maximale Entnahmeleistung soll 90 MW sein. Später sollen Kraftwerke solcher Art mit hunderten von MW gebaut werden. In Ohio (USA) gibt es bereits konkrete Pläne für ein sogar noch größeres Kraftwerk.

Submarine isobare Druckluftspeicherkraftwerke

Konzepte für submarine isobare Druckluftspeicherkraftwerke befinden sich noch in einer frühen Entwicklungsphase. Eine interessante Idee ist, einen großen Luftbehälter mit flexibler Hülle (“energy bag”) am Meeresgrund in z. B. 500 oder 1000 m Tiefe zu befestigen. Der Behälter würde keiner wesentlichen Druckbelastung ausgesetzt, da der Innendruck vom etwa gleichen Wasserdruck außen kompensiert würde. Eine andere Möglichkeit wären große starre Behälter, etwa ausgediente Öltanker, die unten geöffnet würden, damit dort das verdrängte Wasser austreten kann.

Vergleich mit Pumpspeicherkraftwerken

Im Vergleich mit Pumpspeicherkraftwerken bieten Druckluftspeicherkraftwerke physikalisch bedingt meist eine deutlich geringere Energieeffizienz – wobei der Unterschied bei noch zu entwickelnden neuen Anlagen deutlich kleiner als bisher ausfallen dürfte. Der entscheidende Nachteil von Pumpspeichern ist dagegen, dass ihre Realisierung im flachen Land schwierig ist, während dort Kavernen für Druckluftspeicher oft eher realisierbar sind. Deswegen ist es möglich, dass beispielsweise in Norddeutschland in einigen Jahren vorwiegend neue Druckluftspeicherkraftwerke eingesetzt werden, um die starken Schwankungen der dortigen Erzeugung insbesondere von Windenergie besser ausgleichen zu können.

Vergleich mit Gasspeichern

Nicht nur Luft, sondern auch brennbare Gase können unterirdisch in großen Mengen unter Druck gespeichert werden – beispielsweise Erdgas und Wasserstoff. Auch sie können als Energiespeicher dienen, wobei die nutzbare Energie dann allerdings als chemische Energie gespeichert ist, der Druck beim Entladen jedoch häufig nicht genutzt wird.

Im Vergleich zu Druckluftspeichern weisen solche Speicher eine wesentlich höhere Energiedichte auf. Von daher könnten durch Kombination mit der Technologie Power to Gas (Erzeugung von EE-Gas mit überschüssiger elektrischer Energie und spätere Verstromung) wesentlich höhere Speicherkapazitäten erzielt werden. Allerdings sind dabei auch die Energieverluste viel höher.

Siehe auch: Speicherkraftwerk, Speicher für elektrische Energie, Energiespeicher, Pumpspeicherkraftwerk, chemische Energiespeicherung, Gasexpansionsmotor
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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