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Druckluft-Energiespeicheranlage: Der Speicher besteht aus einer unterirdischen Salz­kaverne als Druckluftspeicher und einer oberirdischen Druckluftanlage. Bild: Boge
Energieverteilung & -speicherung

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Stromspeicherung mit Druckluft

Text: Dr. Ulrich Dämgen, Boge
Um witterungsbedingte Engpässe in der regenerativen Stromerzeugung auszugleichen und langfristig eine zuverlässige Stromversorgung aus Erneuerbaren zu gewährleisten, fehlen noch immer die notwendigen Speichertechnologien. Einen neuen Weg zur Speicherung regenerativer Energien eröffnen Druckluft-Energiespeicheranlagen mit Niedertemperaturwärmespeicher.

Windkraft und Sonne liefern oft zu wenig Strom, wenn er gebraucht wird. Andererseits wird es bei zunehmendem Anteil an erneuerbarer Energie in den landesweiten Stromnetzen in Zukunft öfter zu viel Strom geben. Neben dem Bedarf an Reservekraftwerken besteht daher auch der Wunsch, große Mengen elektrischer Energie speichern zu können. Anfang April 2013 gab es schon den Fall, dass die Vorhersage für die Photovoltaik für den nächsten Tag um 8800 MW höher lag als der dann tatsächlich gelieferte Strom [1]. Die wegen unerwarteten Nebels fehlende Strommenge in Deutschland entsprach somit insgesamt acht Großkraftwerken. Alle Reserven waren im Einsatz, und ohne Hilfe aus dem Ausland hätte es Verbraucher-Abschaltungen gegeben. Es gibt zwar mehr als genug Kohlekraftwerke in Deutschland, aber wenn diese nicht vorab eingeplant und vorbereitet sind, können sie keinen Strom liefern.

Viele Speicher werden zurzeit entwickelt [2, 3]. Langjährig erprobte Speicherverfahren sind Pumpspeicherkraftwerke und Druckluft-Speicherkraftwerke mit Zufeuerung von Erdgas wie zum Beispiel Huntorf nahe Bremen seit 1978. Dort wird Druckluft von über 50 Bar unterirdisch in einem Salzstock gespeichert, in dem dafür eine Kaverne, ein großer Hohlraum erzeugt wurde. Vor der Expansion ist es notwendig, die Druckluft zu erwärmen, um die Abkühlung der Luft in der Expansionsturbine zu kompensieren und Störungen durch gefrierende Luftfeuchtigkeit zu verhindern. Die Kosten für Erdgas in Deutschland sprechen eher gegen weitere Druckluftspeicherkraftwerke der Bauform Huntorf.

In Norddeutschland jedoch, wo Windkraft reichlich vorhanden ist und Berge für Pumpspeicher fehlen, stehen viele Salzstöcke für Druckluftspeicher zur Verfügung, das ist Vorteilhaft für Druckluft-Energiespeicheranlagen. Während Pumpspeicher nur noch begrenzt gebaut werden können, und es gegen sie oft Protest wegen der Landschaftsveränderung gibt, ist bei Druckluftspeichern bis auf ein paar Gebäude alles unterirdisch. Wo kleinere Mengen an Strom, nur einige Dutzend Megawattstunden gespeichert werden sollen, wird eine Lösung mit kleinen Felskavernen entwickelt [4]. Diese wäre nahezu überall anwendbar.

Erfahrungen aus der Drucklufttechnik

Turbokompressoren für den größeren Druckluftbedarf, im Leistungsbereich von 400 bis 1500 kW, gehören zu einem jahrzehntelang erprobten Kompressortyp. Sie bestehen aus mehreren, in Reihe geschalteten, radialen Turboverdichterstufen, die ähnlich wie Kreiselpumpen aussehen. Zwischen den Stufen sind Kühlwasser-Luft-Wärmetauscher zur Zwischenkühlung der höchstens 120 °C heißen Luft angeordnet. Der Preis je Kilowatt ist günstig, Start-Vorgänge dauern weniger als eine halbe Minute zwischen Startbefehl und voller Leistung, Stopp-Vorgänge noch kürzer.

Bei Druckluftspeicherentwicklungen ohne Zufeuerung werden meist die adiabate oder die isotherme Kompression/Expansion zum Ziel genommen. Bei adiabater Verdichtung, wie bei „Adele“ [5], erreicht die Luft mehrere 100 °C. Bei isothermer Verdichtung gibt es sehr hohe Anforderungen an den Wärmeübergang. Beides macht die Umsetzung in eine Maschinenanlage schwierig. Ein genauerer Blick auf die Thermodynamik zeigt: Für einen guten Speicher-Wirkungsgrad muss Kompressionswärme der expandierenden Luft bei etwa der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck zugeführt werden, bei welcher sie bei der Kompression entzogen wurde.

Deutliche Preisvorteile

Mit dieser Überlegung begann die Studie zu einem neuen, auf vorhandener Kompressortechnik aufbauendem Ansatz. Das Zu- und Abführen der Wärme kann bei mehrstufigen Turbomaschinen dadurch geschehen, dass nach jeder Stufe ein Gegenstromwärmetauscher bei der Kompression die Wärme ins Wasser beziehungsweise bei der Expansion die Wärme aus dem Wasser zurück in die Luft überträgt. Bei den üblichen Stufendruckverhältnissen von rund 2:1 kann so die Verdichtungswärme mittels heißem, drucklosem Wasser gespeichert werden, was deutlich preisgünstiger ist als bei anderen Verfahren. Für eine Kilowattstunde Strom ist gut eine Kilowattstunde Wärme zu speichern. Die Erfahrung mit erprobten Heißwasserspeichern [6] ergibt Kosten von 200 Euro pro Kubikmeter Wasser. Bei einer Temperaturdifferenz des Speicherwassers zwischen 95 °C im heißen und 25 °C im kalten Zustand ergeben sich 2,5 Euro pro Kilowattstunde Wärmespeicherkapazität.

Solche Turbokompressoren mit Radial-Laufrädern könnten – so wie Pumpturbinen in neueren Pumpspeicherkraftwerken – zeitweise als Turboverdichter und zeitweise andersherum laufend als Turbine betrieben werden. Damit wird dieselbe Maschine für das Einspeichern und das Ausspeichern eingesetzt und spart Kosten. Die Fähigkeit sehr schnell zu starten, bleibt aufgrund der geringen Temperaturen erhalten.

Kolbenmaschinen mit steuerbarem Ventiltrieb

Nun sind solche Turbomaschinen aber wenig geeignet, um mit hohen und stark schwankenden Enddrücken zu arbeiten, also dem jeweiligen Druck im Druckluft-Speicher. Da bietet es sich an, das gleiche zu tun wie bei Kompressoranlagen: Die restliche Kompression im Bereich hoher Drücke übernimmt eine Kolbenmaschine. Solche Kolbenmaschinen als Kompressoren zur Höherverdichtung von Druckluft haben sich jahrzehntelang bewährt. Um auch für den Expansionsbetrieb zu taugen, müssen sie durch einen steuerbaren Ventiltrieb, ähnlich dem in Automotoren, ergänzt werden. Eine Verstellung des Ventiltriebs hilft bei der Anpassung an wechselndes Druckniveau im Speicher. Auch an der Kolbenmaschine findet eine Wärmespeicherung statt.

Um die finanzielle Hürde für die Entwicklung gering zu halten, sollten zuerst Module von etwa 2 MW elektrischer Leistung entwickelt werden, die per Lastwagen zum Aufstell­ort gebracht werden. Letztendlich ermöglicht eine Serienfertigung günstige Preise. Größere Leistungen werden dann aus mehreren 2-MW-Modulen zusammengesetzt. Für Großspeicher von mehreren hundert Megawatt könnten in einem späteren Schritt wesentlich größere Maschinenblöcke entwickelt werden. Die Druckluft-Energiespeicheranlage besteht aus einer unterirdischen Salzkaverne als Druckluftspeicher und einer oberirdischen Druckluftanlage. Diese besteht aus mehreren Speicher-Modulen mit jeweils einer elektrischen Leistung von 2 MW. Die Abbildung auf Seite 97 zeigt ein (nicht-maßstäbliches) Schaubild.

Dieses Konzept zu Druckluft-Energiespeicheranlagen mit Niedertemperaturwärmespeicher wurde zusammen mit Partnern aus Industrie und Forschung genauer untersucht. Die Untersuchungsergebnisse lauten: Die Größe der Speicherleistung (in Kilowatt) und die Größe des Speichers (in Kilowattstunden) können unabhängig voneinander gewählt werden, die Kosten je Kilowatt elektrischer Leistung werden ab der dritten gefertigten Anlage bei 500 Euro liegen (langfristig darunter), hinzu kommen die Kosten je Kilowatt Speicher von 15 Euro bei Speicherung in Salzkaverne und Heißwasserbehälter, oder von 60 Euro bei Felskaverne und Heißwasserbehälter.

1 kW Leistung plus 7 kWh Speicher in einer Felskaverne kosten 920 Euro – das sind entsprechend sieben Stunden volle Leistung bei vollem Ausspeichern, so werden Pumpspeicher in Deutschland ausgelegt. Bei Großanlagen mit einer Salzkaverne mit etwa 2000 MWh Speicherkapazität und 285 MW Leistung käme man auf 605 Euro für 1 kW Leistung plus 7 kWh Speicher. Ein neuer Pumpspeicher [Kosten nach 7, S.19] läge unter diesen Bedingungen bei etwa 1350 Euro. Ein Druckluftspeicher ist damit deutlich günstiger in der Anschaffung, wenn auch bei etwas schlechterem Speicherwirkungsgrad.

Die Berechnung der Erlöse aus dem Betrieb so eines Druckluftspeichers zeigt: Unter den Bedingungen der Jahre 2008 bis 2010 hätte ein Druckluftspeicher sich rentiert. Die Erlöse stammen zu einem geringeren Teil aus der Umwandlung von Überschussstrom in Spitzenlaststrom, der größere Teil der Erlöse stammt aus dem Anbieten von Reserveleistung. Diese wird nur abgerufen, wenn unerwarteter Stromüberschuss oder -mangel ausgeglichen werden muss. Schon das Bereithalten des Speichers für solche Ausgleichsaufgaben wird über die Netzentgelte bezahlt. Erwähnt werden muss die Unsicherheit in der Marktentwicklung – bedingt durch wirtschaftliche und vor allem politische Einflüsse. Es gibt verschiedenste Prognosen. Klar ist, dass kostengünstige Speicher schneller gefragt sein werden (vgl. Szenario A1* in [8]).

Weitere Informationen

Die Quellenangaben zu diesem Beitrag finden Sie in der Online-Version.

[1] Prognosefehler von 8800 MW: http://goo.gl/dJkwbZ [2] Energiespeicher, Zeitschrift BWK, Nr.4/2014, S.42ff. [3] Neuer Entwicklungsansatz bei Druckluftspeichern, Zeitschr. BWK, Nr.1/2, 2013, S.70 ff. [4] Timothée Couchoud, Herrenknecht AG, „Low cost underground shallow rock cavern for decentralized compressed air energy storage and economical comparison with battery at highest intermittent renewable penetration“, publication submission IRES, 2015 [5] Moser, P.: Status des Druckluftspeichers Adele, 2014: http://goo.gl/4w5AR6 [6] Forschungsbericht Solar unterstützte Nahwärme und Langzeit-Wärmespeicher, S. 54: http://goo.gl/x9htdy [7] Moser. A.: Unterstützung der Energiewende in Deutschland durch einen Pumpspeicherausbau: http://goo.gl/6IQQhO [8] Der Bedarf für Speicherung im Stromsystem der Zukunft, Höfling, Jachmann, Capota: http://goo.gl/TNFu1g [9] Thomsen, C., Liebsch-Dörner, T., Abschnitt 2.1.1 Druckluftspeicher, Ressourcen, Regionalstudie, in: Jahresbericht Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2006/07, S. 178f.: http://goo.gl/xbg6iq [10] Harby, Atle et. al.: Possibilities to increase the balancing capacity of Norwegian Waterpower, In: Tagungsunterlagen des Kongresses Energy Storage, Düsseldorf, 13. bis 14. März 2012 [11] Holmen, M.: Norway's role as a renewable battery for Europe, Tagungsunterlagen des Kongresses Energy Storage, Düsseldorf, 13. bis 14.März 2012 [12] Abschnitt Preisentwicklung (abgerufen 26. August 2014): http://goo.gl/EPHRCC

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