Mit neuen Druckluftspeicherungs-Methoden konkurrenzfähige Kraftwerke bauen.

Druckluftspeicherungs-Kraftwerke sind eine realistische Alternative zu Pumpspeicherkraftwerken. Die Investitions- und Betriebskosten für die bereits in Betrieb befindlichen diabatischen Anlagen sind wettbewerbsfähig.

Diabatische Verfahren.

Zwei bestehende Druckluftspeicherungs-Anlagen im kommerziellen Maßstab in Huntorf, Deutschland, und in McIntosh, Alabama, USA, sowie alle in absehbarer Zukunft vorgeschlagenen Entwürfe basieren auf dem diabatischen Verfahren. Im Prinzip handelt es sich bei diesen Anlagen um herkömmliche Gasturbinen, bei denen jedoch die Verdichtung der Verbrennungsluft vom eigentlichen Gasturbinenprozess getrennt und unabhängig ist. Daraus ergeben sich die beiden Hauptvorteile dieser Methode.

Da die Verdichtungsstufe normalerweise etwa 2/3 der Turbinenkapazität beansprucht, kann die Druckluftspeicherungs-Turbine - ungehindert von der Verdichtungsarbeit - die dreifache Leistung bei gleichem Erdgaseinsatz erzeugen. Dadurch verringert sich der spezifische Gasverbrauch und die damit verbundenen Kohlendioxid-Emissionen sinken um etwa 40 bis 60 %, je nachdem, ob die Abwärme zur Erwärmung der Luft in einem Rekuperator genutzt wird. Der Leistungswirkungsgrad liegt bei ca. 42% ohne und 55% mit Abwärmenutzung.

Anstatt die Luft mit wertvollem Gas zu verdichten, kann kostengünstige überschüssige Energie in Schwachlastzeiten oder überschüssige erneuerbare Energie, die den lokalen Energiebedarf übersteigt, genutzt werden.

Die oben genannten Anlagen verwenden beide Einwellenmaschinen, bei denen Verdichter-Motor/Generator-Gasturbine auf derselben Welle sitzen und über ein Getriebe gekoppelt sind. In anderen Druckluftspeicherungs-Anlagenkonzepten werden die Motor-Kompressor-Einheit und die Turbinen-Generator-Einheit mechanisch entkoppelt. Dies ermöglicht eine modulare Erweiterung der Anlage in Bezug auf die zulässige Eingangsleistung und die Ausgangsleistung. Die Nutzung der konventionellen Abwärme der Gasturbine zur Erwärmung der Hochdruckluft vor der Expansion in einem Air-Bottoming-Cycle ermöglicht Druckluftspeicherungs-Anlagen mit variabler Größe je nach Speichervolumen und -druck der Kaverne.

Adiabatische Methode.

Wesentlich höhere Wirkungsgrade von bis zu 70 % lassen sich erzielen, wenn die Kompressionswärme zurückgewonnen und zur Wiederaufheizung der Druckluft während des Turbinenbetriebs genutzt wird, da kein zusätzliches Erdgas mehr zur Erwärmung der dekomprimierten Luft verbrannt werden muss.

Wie funktioniert eine adiabate Kühlung?

Speicheroptionen
Unabhängig von der gewählten Methode sind wegen der geringen Speicherdichte sehr großvolumige Speicherstätten erforderlich. Bevorzugte Standorte sind künstlich angelegte Salzkavernen in tiefen Salzformationen. Salzkavernen zeichnen sich durch mehrere positive Eigenschaften aus: hohe Flexibilität, keine Druckverluste innerhalb des Speichers und keine Reaktion mit dem Sauerstoff der Luft und des Salzgesteins. Sind keine geeigneten Salzformationen vorhanden, kann auch auf natürliche Aquifere zurückgegriffen werden - allerdings muss vorher geprüft werden, ob der Sauerstoff mit dem Gestein und mit eventuellen Mikroorganismen im Aquifergestein reagiert, was zu einer Sauerstoffverarmung oder zur Verstopfung der Porenräume in der Lagerstätte führen könnte. Auch erschöpfte Erdgasfelder werden für die Druckluftspeicherung untersucht; zusätzlich zu den oben genannten Problemen der Erschöpfung und Verstopfung muss die Vermischung von Restkohlenwasserstoffen mit der Druckluft berücksichtigt werden.

Isothermische Druckluftspeicherung

Die isothermische Druckluftspeicherung ist eine neue Technologie, die versucht, einige der Beschränkungen der herkömmlichen (diabatischen oder adiabatischen) Druckluftspeicherung zu überwinden. Bei der herkömmlichen Druckluftspeicherung wird die Luft vor der Speicherung in Turbomaschinen auf etwa 70 bar verdichtet. Ohne Zwischenkühlung würde sich die Luft auf etwa 900 K erhitzen, was die Verarbeitung und Speicherung des Gases unmöglich (oder unerschwinglich) machen würde. Stattdessen durchläuft die Luft mehrere Stufen der Kompression und des Wärmeaustauschs, um eine niedrigere Endtemperatur nahe der Umgebungstemperatur zu erreichen. Bei Advanced-Adiabatic Druckluftspeicherung wird die Kompressionswärme separat gespeichert und bei der Expansion in das komprimierte Gas zurückgeführt, so dass eine Wiederaufheizung mit Erdgas nicht erforderlich ist.

So funktioniert die isotherme Druckluftspeicherung: Die Steuerung der Druck-Volumen-Kurve während der Kompression und Expansion ist der Schlüssel zu einer effizienten Druckluftspeicherung.

Anstatt die Luft in mehreren Stufen zu komprimieren, zu kühlen, zu erwärmen und zu expandieren, wird bei isothermen Druckluftspeicherung-Technologien versucht, eine echte isotherme Kompression und Expansion an Ort und Stelle zu erreichen, was zu einer verbesserten Round-Trip-Effizienz und niedrigeren Kapitalkosten führt. Im Prinzip entfällt auch die Notwendigkeit, die Kompressionswärme auf sekundärem Wege zu speichern (zum Beispiel in einem Öl-Speicher).

Herausforderungen
Isothermes Druckluftspeicherung ist eine technologische Herausforderung, da der Luft während des Kompressionszyklus kontinuierlich Wärme entzogen und während der Expansion kontinuierlich Wärme zugeführt werden muss, um einen isothermen Prozess zu gewährleisten. Die Wärmeübertragung erfolgt proportional zum Temperaturgradienten, multipliziert mit der Kontaktfläche. Um eine hohe Wärmeübertragungsrate bei minimalem Temperaturunterschied zu erreichen, ist daher eine sehr große Kontaktfläche erforderlich.

Obwohl es derzeit keine kommerziellen isothermischen Druckluftspeicherungs-Implementierungen gibt, wurden mehrere mögliche Lösungen auf der Grundlage von sich hin- und herbewegenden Maschinen vorgeschlagen. Eine Methode besteht darin, während der Kompression feine Wassertröpfchen in den Kolben zu sprühen. Die große Oberfläche der Wassertröpfchen in Verbindung mit der hohen Wärmekapazität von Wasser im Vergleich zu Luft führt dazu, dass die Temperatur im Kolben annähernd konstant bleibt - das Wasser wird entfernt und entweder entsorgt oder gespeichert, und der Zyklus wiederholt sich. Ein ähnlicher Prozess findet bei der Expansion statt.

Die Unternehmen, die Isothermal Druckluftspeicherung entwickeln, geben einen potenziellen Wirkungsgrad von 70-80 % für den Umlauf an. Die Technologie komprimiert und expandiert Gas nahezu isotherm über einen breiten Druckbereich, nämlich von Atmosphärendruck (0 psig) bis zu einem Maximum von etwa 2.500 psig. Durch diesen großen Betriebsdruckbereich und die isotherme Gasexpansion (die eine Wärmerückgewinnung ermöglicht, die bei adiabatischer Expansion nicht möglich ist) werden die Speicherkosten im Vergleich zur klassischen Druckluftspeicherung in Behältern um das Siebenfache gesenkt.