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Druckluftspeicherkraftwerke oder (korrekter) Druckluftspeicher-Gasturbinen-Kraftwerke werden auch kurz Luftspeicher-Kraftwerke oder nach der englischen Bezeichnung Compressed Air Energy Storage abgekürzt CAES-Kraftwerke genannt. Weltweit werden bislang nur zwei Elektrizitätswerke dieses Typs betrieben, in Deutschland und in den USA.
Funktionsweise
Ein Druckluftspeicherkraftwerk ist prinzipiell ein Gasturbinenkraftwerk, das Spitzenlastenergie bereit stellt. Im Unterschied zu einem für den gleichen Einsatzzweck entwickelten Pumpspeicherkraftwerk, bei dem Wasser aus einem hoch gelegenen 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 einer hohen Energienachfrage bei Spitzenlast wird die Druckluft in eine Gasturbine geleitet, die wegen des fehlenden Verdichters ihre volle Leistung an den angekuppelten Generator abgeben kann.
Spitzenlastkraftwerke sind technisch aufwändige Kraftwerke und deshalb ist der in ihnen erzeugte Strom sehr teuer. Hinzu kommt ein geringer Wirkungsgrad der Stromerzeugung durch eine mehrfache Wandlung der zur Verfügung stehenden Energie. Aus diesem Grunde werden diese "Rennwagen" der Kraftwerkstechnik nur zu bestimmten Zeiten zur Abdeckung von Spitzenlasten eingesetzt.
Ausgeführte Druckluftspeicherkraftwerke
Kraftwerk Huntorf
| Kraftwerk Huntorf Modell.jpg |
| Kraftwerk Huntorf innen.jpg |
Um das Kraftwerk startbereit zu machen, wird in Zeiten, zu denen ein Stromüberschuss besteht - Schwachlastzeiten - Luft mit einem Druck von 50-70 bar in die Kavernen gepumpt. Der Kompressor nimmt dabei eine Leistung von 60 MWauf. Es dauert ca. acht Stunden bis der Speicher voll ist.(Hängt von dem Wetter ab (Luftdruck und Temperatur)
Wird zu Spitzenlastzeiten Elektrizität benötigt, so strömt die komprimierte Luft aus den Kavernen in die Brennkammer der Gasturbine. Gleichzeitig wird über eine Gasleitung Erdgas der Turbine zugeführt und verbrannt. Die dadurch angetriebene Turbine erzeugt über einen Generator dann Elektrizität. Die Druckluft übernimmt die Arbeit des Verdichters, der in einer Gasturbine etwa zwei Drittel der Energie verbraucht.
Das Druckluftspeicherkraftwerk Huntorf hat eine Leistung von 290 MW, das ist rund ein Viertel eines Kernkraftwerkes üblicher Größe von 1.300 MW. Diese Leistung kann über zwei Stunden abgegeben werden, dann ist der Druck im Speicher zu niedrig. Würde keine verdichtete Luft aus den Kavernen genommen, d. h. der Verdichter müsste von der erzeugten Energie angetrieben werden, so könnte das Kraftwerk mit gleicher Erdgasmenge nur 40 Minuten seine volle Leistung abgeben. Für jede erzeugte Kilowattstunde (kWh) elektrischer Energie werden 1,6 kWh Gas und 0,9 kWh Strom eingesetzt.
Der Vorteil eines Druckluftspeicherkraftwerkes - wie auch bei anderen Spitzenlastkraftwerken/Pumpspeicherkraftwerken - ist der, dass sie sehr schnell gestartet werden können. Innerhalb von drei Minuten steht in Huntorf 50% der Leistung und nach ca. 10 Minuten 100% der Leistung zur Verfügung. Grundlast- und Mittellastkraftwerke (= Steinkohle-, Kernkraft- und Braunkohlekraftwerke) brauchen mehrere Stunden um auf die volle Leistung zu kommen.
Kraftwerk McIntosh
Ein weiteres Druckluftspeicherkraftwerk befindet sich in den USA im Staat Alabama. Es wurde rund 10 Jahre später Anfang der 1990er Jahre erbaut. Dieses Kraftwerk kann über 26 Stunden eine Leistung von 110 MW bereit stellen. 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.Bedeutung
Druckluftspeicherkraftwerke werden in Zukunft eine größere Bedeutung bekommen. Speicherseen von Pumpspeicherkraftwerken haben einen großen Flächenbedarf und benötigen einen ausreichenden Höhenunterschied zwischen beiden Seen, da sonst das Kraftwerk zuwenig Energie speichern kann. Kavernen im Salzgestein beeinträchtigen die Erdoberfläche weniger als ein See und das Kraftwerksgebäude selbst ist nicht groß.
Weiterhin 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 (AA-CAES, s.u.).
Ein noch weiterer Schritt in eine denkbare Zukunft ist die kommende Wasserstoffgesellschaft. Hierbei wird keine Druckluft, sondern der gasförmige Brennstoff Wasserstoff unter hohem Druck in den Kavernen gespeichert. Zuvor ist der Wasserstoff mittels der aus der Windkraft gewonnenen Elektrizität durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen worden.
Weiterentwicklung
Derzeit wird im Rahmen eines europäischen Forschungsprojektes an einer Weiterentwicklung der Druckluftspeichertechnik gearbeitet. Bei bisher ausgeführten Kraftwerken wird die bei der Komprimierung der Luft entstehende Wärme an die Umgebung abgeführt und ist damit nicht weiter nutzbar. Bei dem sogenannten adiabaten 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. 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 soll ein deutlich höherer Wirkungsgrad erreicht werden.
Weblinks
- Strom aus frisch gepresster Luft
- Forschung des Lehrstuhls Thermodynamik und Energietechnik an der Universität Paderborn
- Einsatz von CAES-Kraftwerken beim Ausgleich fluktuierender Windenergie-Produktion mit aktuellem Strombedarf - pdf-Datei
- Druckluft als Energieträger für die Spitzenlast-Stromerzeugung - pdf-Datei
- CAES-Kraftwerke - englische Informationen
"Druckluftspeicherkraftwerk"
