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Druckluftspeicher – Aufbruchsstimmung

Ein Beitrag von Squid 39 01.05.2014

Die Herausforderung der heutigen Zeit ist Strom sicher und effizient in großen Mengen zu speichern. Durch den weiteren Ausbau der Wind-; Wellen- und Sonnenenergie verschärft sich der Bedarf an Regelenergie zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage, die bislang von sogenannten Schattenkraftwerken (meist schnell anfahrende Gasturbinen) zur Verfügung gestellt wird. Experten rechnen damit, dass dieser Bedarf bis 2015 auf rund 3.200 MW steigen wird.
 
Alstom SA
 
 
MAN SE
 
 
Total SA
 

Prinzip der Speicherung über Druckluft

Prinzipiell gilt, dass jeder Vorgang, der Energie benötigt, auch umgekehrt dazu verwendet werden kann, um diese zu nutzen. Da Sie für die Komprimierung von Luft Energie benötigen, setzt die Dekomprimierung solche frei. Allerdings bewirkt der Druckabfall der Luft, dass diese stark abkühlt.

Beim Druckluftspeicher wird zu viel erzeugte Energie dazu verwendet, um Luft über einen mit Strom betriebenen Kompressor zu komprimieren und in unterirdischen Lagern zu speichern.

Wenn Strom benötigt wird, wird diese Druckluft mit brennbaren Gasen gemischt und in eine Brennkammer geblasen, in der das Gasgemisch Wärme erzeugt. Die dadurch erwärmte Druckluft treibt eine Turbine an, die wieder Strom erzeugt. Dieser umständliche Weg ist notwendig, weil sonst die expandierende Luft die Turbinen vereisen würde. Diese Art der Stromerzeugung wird Druckluft-Gas-Kombikraftwerk genannt.

Bei der Komprimierung entsteht Wärme, daher muss bei diesem Vorgang gekühlt werden. Es könnten sonst Temperaturen von über 1.000 °C am Kompressor entstehen. Da es uneffektiv ist, die Wärme nicht zu nutzen, bei den Druckluft-Gas-Kraftwerken wird die Umgebung aufgeheizt, wird bei den adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerken diese Wärme nicht abgeführt, sondern gespeichert. Die sich bei der Expansion abkühlende Luft wird über diese Wärmespeicher geleitet und so wieder erwärmt. Dadurch sind diese Kraftwerke effizienter, aber der Zeitraum zwischen Komprimierung und Dekomprimierung der Luft darf nicht zu lang sein, weil sich sonst die Wärmespeicher zu stark abkühlen.

 

Wie wird ein Druckluftspeicher eingesetzt

Druckluft zur Energiespeicherung gewinnt immer mehr an Bedeutung. Gerade in Zeiten der beabsichtigten Energiewende muss die Industrie neue Wege gehen. Der Druckluftspeicher ist ein Energiespeicher in einem großen Format und es gibt zurzeit zwei Einsatzmöglichkeiten.

Bei der ersten Methode kann ein Druckluftspeicher direkt an das Stromnetz angeschlossen werden. Das erfolgt durch den Netzregler und dieser entzieht dem Netz in Überhangzeiten Strom. Wird dann der Strom benötigt, dann wird dieser mit geringen Verlusten wieder dem Netz zugeführt. So kann ein Druckluftspeicher im Bedarfsfall schnell Strom liefern. Allerdings mit der Einschränkung, dass dies nur eine gewisse Zeitspanne erfolgen kann. Nur solange wie der maximale Luftdruck vorhält. Der Strom aus Druckluftspeichern ist somit spitzenlastfähig.

Eine weitere Möglichkeit ist es, den Druckluftspeicher als Teil eines Windparks einzusetzen. Die Druckluftspeicher eignen sich sehr gut dazu, das wechselnde Stromangebot von Windkraftanlagen regelbar zu machen. Das erfolgt aber auch nur über einen kurzen Zeitraum. Bei starken Winden wird oft mehr Strom erzeugt als benötigt wird. Dieser Strom fließt dann automatisch in einem Druckluftspeicher. Ist dann Windflaute, so geht die gespeicherte Energie als Strom zurück in das Netz.

Im Augenblick existieren nur zwei Druckluftspeicher weltweit. Eines davon gibt es in Deutschland. Es kann eine Leistung von 290 MW für zwei Stunden bereithalten. Danach wird die Leistung wegen des sinkenden Luftdrucks geringer. Einen weiteren großen Luftdruckspeicher gibt es in den USA. Dieser arbeitet mit einer sehr hohen Leistung von über 2000 MW.

Ein weiterer Pluspunkt von einem Druckluftspeicher ist, dass dieser Küstennah und somit in unmittelbarer Nähe zu den Offshore-Windparks stehen kann. Damit werden auch die Stromnetztrassen reduziert. Die Wirkungsgrade der heute betriebenen Druckluftspeicherkraftwerke liegen bei etwa 50 Prozent. Wird die Weiterentwicklung dieser Technologie weiter vorangetrieben, dann sind Wirkungsgrade von 70 bis zu 75 Prozent möglich.

 

 

Derzeit arbeiten mehrere Unternehmen daran, dieses Problem zu lösen:


Die Energietechnikunternehmen Alstom (Alstom SA (FR0010220475)) und MAN Diesel &Turbo SE (MAN SE (DE0005937007)) zum Beispiel wollen Großanlagen bauen, in denen riesige Tanks voller Flüssigsalz die entstehende Wärme speichern. Die Luft wird hierbei  in Kavernen gepresst, die vorher aus gewaltigen Salzstöcken heraus gespült wurden. Damit lässt sich ein Wirkungsgrad von immerhin mehr als 60 Prozent erreichen. Die Investitionskosten sind allerdings so groß, dass noch kein Stromerzeuger den Mut hatte, eine solche Anlage in Auftrag zu geben.








 

Bessere Chancen haben im Moment deshalb Unternehmen, die kleine Lösungen entwickeln – LightSail aus Berkeley in Kalifornien etwa. Deren 250-Kilowatt-Luftspeicher puffert die entstehende Wärme in Form von Wasser. Den Abtransport der Wärme haben die US-Ingenieure raffiniert geregelt. Sie sprühen einfach kontinuierlich Wasser in die Kompressionskammer. Dieses erwärmt sich und fließt in den Speicher. Die Luft wird in Stahltanks gepresst, die in einen gängigen Container passen, sodass auch mobile Einsätze möglich sind. Das glauben auch die Investoren von LightSail: Zu denen zählt seit Februar auch der französische Ölkonzern Total (Total SA (FR0000120271)). Schon länger beteiligt am Unternehmen ist der Wagniskapitalgeber Khosla Ventures und Microsoft-Gründer Bill Gates. Wenn Wind- oder Solaranlagen zu viel Strom produzieren, füllt eine Hochdruckpumpe die Tanks. Herrscht Strommangel, schießt die Luft aus den Stahltanks heraus und treibt einen Turbogenerator an. Normalerweise würde die Anlage aber innerhalb von Sekunden einfrieren. Wenn sich Druckluft entspannt, reduziert sich schlagartig ihre Temperatur auf ein Niveau unter dem Gefrierpunkt. In dem Konzept von LightSail verhindert das wiederum die gespeicherte Wärme.

LightSail-Gründerin und Chefforscherin Danielle Fong erwartet, dass der Markt für Druckluftspeicher schon bald explodieren wird. Für diesen Markt glaubt sich LightSail gut gerüstet. Die Speichertechnologie könnte künftig so kostengünstig wie Pumpwasserkraftwerke sein, glaubt der CEO des Startups Steve Crane.

 

Zur kurzzeitigen Energieversorgung bietet seit 2006 das US-Unternehmen Active Power (US00504W3088), das sich auch mit Schwungrad-Speichern beschäftigt, mit dem CoolAir System einen Thermal- und Druckluft-Speicher an, der ein Maximum von 80 kW für 15 Minuten bereitstellt. Es ist mit Druckluftflaschen und einem Thermalspeicher mit 1.300°C bestückt, der beim Betrieb die Druckluft vorheizt, bevor sie durch die stromerzeugende Expansionsturbine geleitet wird. Zur Überbrückung der Anlaufzeit von einigen Sekunden beinhaltet das System auch eine kleine Schwungscheibe.

 

Aber auch in Deutschland arbeiten Unternehmen an den Druckluftspeichern:

Das 2012  gegründete Jungunternehmen CAEstorage (CAES= Compressed Air Energy Storage, Druckluft-Energiespeicher) hat eine Lösung gefunden, bei der nicht einmal ein Wärmespeicher nötig ist.

Denn so funktioniert ein Druckluftspeicher normalerweise: Die Luft wird direkt verdichtet und in einen Speicher gepresst. Dabei entsteht sehr viel Wärmeenergie. Ähnlich reagiert die Luftpumpe, wenn man den Luftaustritt teilweise verschließt. Das Problem ist nun: Die Wärme verpufft nutzlos oder wird in einem Speicher gelagert. Alles in allem bleiben von der eingelagerten elektrischen Energie nur noch 60 Prozent übrig – wenn es hoch kommt. Die Geschäftsführer von CAEstorage wollen aber mindestens 70 Prozent erreichen.

Keine Wärme, kaum Verlust

Deshalb hat CAEstorage sich die verlustreiche Wärmeproduktion erspart. Die Pumpe in dem kleinen Druckluftspeicher presst eine Hydraulikflüssigkeit in Kolben, die die Luft mit maximal 500bar in Stahlflaschen drückt.

Das hat gleich zwei Vorteile: Es entsteht kaum Wärme, die als Verlust verbucht werden muss. Und die Technik ist millionenfach erprobt. Derartige Pumpen gibt es in jedem Auto. Sie sorgen für Druck im Hydrauliksystem, damit schon ein sanfter Tritt aufs Bremspedal genügt, um das Fahrzeug stark abzubremsen. Wenn Strom gebraucht wird, drückt die komprimierte Luft die Kolben herunter, sodass die Hydraulikflüssigkeit aus ihrem Behälter herausgepresst wird. In einem Hydraulikmotor, der mit einem Generator gekoppelt ist, entsteht dann wieder Strom. Die Umstellung vom Speicher- auf Generatorbetrieb geht sekundenschnell.

Anders als bei Batterien lässt die Leistung eines solchen Druckluftspeichers auch nach Jahrzehnten nicht nach. Und er hat eine Lebensdauer, die die von Batterien weit übersteigt. Für den kleinen Luftspeicher aus Bayern könnte es also durchaus eine Nachfrage geben.

Mitte 2014 ist der Speicher zu kaufen, so die Planung.  Er soll in verschiedenen Größen angeboten werden, von der Kellerversion fürs Ein-Familien-Haus bis zum Großspeicher, der den Strom von Windparks puffern kann – die Preise stehen noch nicht fest.

CAEstorage schätzt den Gesamtmarkt für Druckluftspeicher in Deutschland auf ein Investitionsvolumen von 15 Milliarden Euro bis 2050. Das Unternehmen will nach eigenen Aussagen daran einen Anteil von zehn Prozent ergattern.

 

Ein Thema, das sicher noch in den Kinderschuhen steckt. Aber Beachtung verdient. Auch die großen Energiekonzerne wie z.B. die  RWE-AG und General Electric haben dies erkannt und befinden sich in der Entwicklungsphase, hier unter dem Projekt „Adele ING.“, dass 2013 als Folgeprojekt von „Adele“ ins Leben gerufen wurde.

http://www.rwe.com/web/cms/de/365478/rwe/innovation/projekte-technologien/energiespeicher/projekt-adele-adele-ing/

 

Über Beiträge und Kommentare zu diesem Thema würde ich mich freuen.

 

 


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