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Wer über das Thema der Energiewende und die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien spricht, kommt früher oder später an einen Punkt, an dem er sich eine wesentliche Frage stellen muss. Was geschieht, wenn die Windkraftwerke stillstehen und die Sonne nicht scheint? Die Lösung dafür sind Speichersysteme, welche bei einer Überproduktion die Energie speichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgeben. Der Druckluftspeicher ist eine Technologie, welche langfristig einen Beitrag zu einer sicheren Stromversorgung liefern könnte.
Energie lässt sich auf verschiedenste Art und Weise speichern. Unterschieden wird zwischen thermischen, elektrochemischen, chemischen, elektrischen sowie mechanischen Speichern. In die letztere Sparte der mechanischen Speicher fällt der Schwungradspei-cher, ein Pumpspeicherkraftwerk oder eben auch ein Druckluftspeicherkraftwerk. [1]
Die Funktion eines Druckluftspeicherkraftwerkes ist einfach. Falls überschüssiger Strom im Netz vorhanden ist, kann dieser dazu verwendet werden, einen Verdichter anzutreiben, welcher Umgebungsluft komprimiert und in einem Speichergefäss lagert. Falls der Bedarf an Strom steigt, wird die Luft aus dem Speicher abgelassen, um somit einen Generator anzutreiben, der Strom erzeugt. In den 70er Jahren wurde im niedersächsischen Huntorf das weltweit erste Druckluftspeicherkraftwerk (260 MW) in Betrieb genommen. Ein weiteres folgte 1991 in McIntosh (110 MW) in den Vereinigten Staaten. In beiden Kraftwerken wird die Druckluft in unterirdischen Salzkavernen bei einem Druck von über 70 bar gelagert. [2]
So simpel die Funktion eines Druckluftspeicherkraftwerkes auch klingt, die Physik lässt sich nicht einfach umgehen. Wer Luft verdichtet, erzeugt zeitgleich auch Wärme. Die Energie die aufgewendet wird um den Verdichter anzutreiben, wird nicht nur in der Druckluft gespeichert, sondern auch in Wärme umgewandelt und das zu einem Anteil von 60%. Um das System vor den hohen Temperaturen die bis zu 550°C betragen zu schützen, wird im Kraftwerk Huntorf sowie McIntosh die anfallende Wärme über Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben. [3]
Der zweite physikalische Effekt, welcher auch als Joule-Thomson Effekt bekannt ist besagt, dass ein komprimiertes Gas, welches schlagartig entspannt wird, stark abkühlt. Als Beispiel kann das entweichende Gas aus einem Sprühdeodorant herangezogen werden. Um somit das Vereisen der Generatoren beim Entleeren des Speichers zu verhindern, wird in den Druckluftspeicherkraftwerken Huntorf und McIntosh die ausströmende Luft mit Erdgas erwärmt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Systemwirkungsgrad über 70% auf 40% fällt und eine nicht zu vernachlässigbare Menge an CO2 emittiert wird. [3]
Ein völlig neuer Ansatz verfolgt die Firma ALCAES SA mit Sitz in Biasca. Seit einigen Jahren führt das Unternehmen in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich Versuche in einem verlassenen NEAT-Stollen durch. Der Stollen, welcher sich tief in das Innere des Gotthardmassives erstreckt, wurde angelegt um Geröll und Schutt beim Bau des Basistunnels wegzuschaffen. Ein 120 m langer Abschnitt des Stollens wurde mit massiven und bis zu 5m dicken Betonwänden verschlossen. Um einen Zugang zu der Druckluftkammer zu erhalten, sind auf beiden Seiten zwei 7t schwere Stahltüren eingelassen worden. Erste Messungen, welche die ALCAES SA in Zusammenarbeit mit den Forschern durchgeführt haben zeigen, dass die Wände und das Gestein einem Druck von 7 bar standhalten und die Druckluftkammer somit für weitere Tests geeignet ist. [3]
Um das Vereisen des Generators zu verhindern, haben die Forscher einen thermischen Speicher entwickelt, welcher die Wärme der Druckluft aufnimmt. Dabei handelt es sich um eine Betonwanne, welche mit 44 m3 herkömmlichen Steinen gefüllt ist. Während des Ladevorganges des Druckluftspeichers, der bis zu 60 Stunden dauert, strömt die stark erwärmte Luft durch die Betonwanne und gibt die Wärme an die Steine ab. Würde die Wärme vorgängig nicht abgegriffen, könnten die hohen Temperaturen einen negativen Einfluss auf das teils Poröse und von Wasseradern durchzogene Gestein haben. Die Druckluft im Inneren des Speichers hat nach dem Ladevorgang eine Temperatur zwischen 20°C und 25°C. [3] Beim Ablassen der Druckluft nimmt diese die zuvor abgegebene Wärme wieder auf und verhindert so das Vereisen des Generators.
Der längliche Stollen eignet sich nicht optimal für das Speichern von Druckluft. Eine kugelförmige Felskaverne ist aus physikalischer Sicht besser geeignet um grösseren Drücken standzuhalten. Berechnungen zeigen, dass mit einem kugelförmigen Drucklufttank mit einem Durchmesser von 46 m eine Strommenge von 500 MWh gespeichert werden könnte. Diese Strommenge würde ausreichen, um den Strombedarf einer Stadt von rund 60‘000 Einwohnern während 12 Stunden zu decken. [3] Nichtsdestotrotz konnten durch das Pilotprojekt im Tessin wichtige Erfahrungen gesammelt und Er-kenntnisse für zukünftige Projekte dazugewonnen werden. Die Chancen stehen gut, dass Druckluftspeicherkraftwerke früher oder später einen wichtigen Beitrag im aufrechterhalten der Stromversorgung leisten werden.
Vorteile
- Im Gegensatz zu Pumpspeicherkraftwerken ist beim Bau eines Druckluftspeicherkraftwerkes der Eingriff in die Natur erheblich kleiner.
- Die Kosten sind im Vergleich zu einem Pumpspeicherkraftwerk wesentlich geringer.
Nachteile
- Druckluftspeicher wie dieser in Biasca befinden sich noch im Entwicklungsstadium.
- Der Wirkungsgrad von Druckluftspeichern (η=70%) ist gegenüber dem von Pumpspeicherkraftwerken (η=75-80%) geringer.
[1] Bundesverband Energiespeicher, «Faktenpapier Energiespeicher», 2017.
[2] F. Meyer, «BINE Informationsdienst, Druckluftspeicherkraftwerke», 2007.
[3] B. Vogel, «Bundesamt füt Energie BFE, Druckluftspeicher: Der Gotthard hält dicht», 2017.