Energie & Umwelt

CAES-Systeme (Compressed Air Energy Storage)

CAES-Systeme (Compressed Air Energy Storage)

Das Energiespeichersystem SustainX von SustainX (ICAES)

Der Druckluftspeicher (CAES) verwendet überschüssige Energie, um Luft zu komprimieren, die dann in einem unterirdischen Reservoir gespeichert wird. Die Kompression der Luft erzeugt Wärme. Die Luft kann zu einer Brennkammer in einer Gasturbine abgegeben werden, um Elektrizität zu erzeugen. Ziel ist es natürlich, zusammen mit anderen Formen der Energiespeicherung und anderen Ansätzen wie Smart Grids und Strategien zur Nachfragereduzierung ein Mittel bereitzustellen, mit dem intermittierende erneuerbare Energien wie Sonne und Wind fossile Brennstoffe ersetzen können.

Gegenwärtig wird der Energiespeicher von Batteriebänken dominiert, aber neben ihnen tauchen auch andere Formen der Energiespeicherung auf. CAES ist einer von ihnen.

Das erste derartige System war eine 290-MW-Anlage, die 1978 von E.ON-Kraftwerk in Huntorf entwickelt wurde. Ziel war es, die Netzlast zu verwalten, indem Strom nachts bei geringer Nachfrage als Druckluft gespeichert und wieder freigesetzt wurde als die Nachfrage stieg. Die Anlage ist noch in Betrieb und wird zur Notstromversorgung verwendet. Die Druckluft wird wie bei einer Reihe anderer solcher Systeme in unterirdischen Salzkavernen gelagert, deren Befüllung mit einer Geschwindigkeit von 108 Kilogramm pro Sekunde 8 Stunden dauert. Wenn wieder Strom benötigt wird, wird die Druckluft freigesetzt und durch Verbrennen von Erdgas erwärmt. Die Ausdehnung der Luft treibt eine 320 MW-Turbine 2 Stunden lang an, wonach die Kavernen nachgefüllt werden müssen. Obwohl die meisten anderen CAES-Anlagen nach dem gleichen Prinzip arbeiten, konzentrieren sie sich in der Regel zusätzlich darauf, die während des Kompressionsprozesses erzeugte Wärme zu speichern, was die Effizienz der gesamten Anlage erhöht.

Es gibt drei Möglichkeiten, mit der beim Komprimieren entstehenden Wärme umzugehen. Adiabatische Speicheranlagen speichern die Wärme und verwenden sie erneut, um die Druckluft freizusetzen, wodurch die Anlage einen Wirkungsgrad von 70 bis 90 Prozent aufweist. Diabetische Speicheranlagen leiten die Wärme über Wärmeluftkühler an die Atmosphäre ab, wobei eine andere Wärmequelle verwendet wird, um die Luft für die Turbinen bei Bedarf freizusetzen. Schließlich gibt es isotherme Speicheranlagen, in denen Wärmetauscher eingesetzt werden, um die Innen- und Außentemperaturen gleich zu halten. Die während der Kompression erzeugte Wärme wird wiederum an die Atmosphäre abgegeben und eine weitere Wärmequelle wird eingebracht, wenn die Luft freigesetzt werden muss. Von diesen drei Methoden versuchen die meisten Unternehmen nun, Wege zu finden, um die ursprünglich durch den Kompressionsprozess erzeugte Wärme zu speichern.

Erst kürzlich haben zwei nordamerikanische Energiespeicherunternehmen, General Compression und NRStor, mit Unterstützung einer Vermögensverwaltungsgruppe namens Northwater Capital Management an einem Vorschlag für die Energiespeicherung in Ontario gearbeitet. Ziel des CAES-Vorschlags ist es, durch die Verwendung von Energiespeichern zur Integration von Windenergie in das Netz einen Mehrwert für die Rechnungszahler zu schaffen und durch Lastausgleich zu ermöglichen, dass Energiespeicher nachts bei sinkender Nachfrage gespeichert werden, um sie wieder herzustellen Morgens ans Netz, wenn die Nachfrage wieder steigt. Dies würde den Bedarf an Turbinen für fossile Brennstoffe verringern.

General Compression hat ein GCAES-System (General Compression Advanced Energy Storage) mit einem Prototyp in Gaines, Texas, entwickelt. Diese wird von einer 2-MW-Windkraftanlage angetrieben und nutzt eine unterirdische Salzkaverne als Luftspeicher. Es kann maximal 150 Stunden lang 1,6 MW Energie liefern, bevor es wieder aufgeladen werden muss.

Leider führt die von CAES-Systemen erzeugte Wärme dazu, dass sich die Luft ausdehnt, was die Kompression zu einem Problem macht. Wenn die Druckluft freigesetzt wird, kühlt sie ab und dies verringert die verfügbare Energiemenge. Es kann auch ein Problem mit der Eisbildung geben. Die Verbrennung von Erdgas kann dieses Problem lösen, indem die entkomprimierte Luft erwärmt wird. Dies ist jedoch kostspielig und erzeugt Kohlendioxid. Das GCAES-System behebt diese Probleme, indem es die Wärme aufnimmt und in einem Teich speichert. Anschließend wird die während des Erzeugungszyklus freigesetzte Luft erwärmt.

Bisher durchgeführte Berechnungen haben gezeigt, dass die installierten Kosten für die Langzeitspeicherung ein Zehntel der Kosten für die Speicherung von Lithium-Ionen-Batterien betragen.

Künstlerische Darstellung des CAES-Systems, an dessen Entwicklung das texanische Unternehmen Apex CAES derzeit arbeitet [Bildquelle: Apex CAES]

In Irland plant das Unternehmen für erneuerbare Energien Gaelectric den Bau einer CAES-Anlage im Wert von 300 Mio. GBP, für die neue unterirdische Salzkavernen gebaut werden müssen. Dieser Plan hat einige Kontroversen ausgelöst, mit Behauptungen, dass das Unternehmen sie nach Abschluss des Projekts zur Abfallentsorgung verwenden könnte. Es wurden weitere Bedenken hinsichtlich des Vorschlags geäußert, Sole ins Meer zu pumpen, was sich nachteilig auf das Leben im Meer auswirken könnte. Es könnte jedoch ebenso der Fall sein, dass diese Bedenken in gewissem Maße von lokalen Aktivisten gegen erneuerbare Energien massiert wurden, die von visuellen Auswirkungen betroffen sind.

Das kalifornische Unternehmen LightSail Energy arbeitet ebenfalls an CAES. Die Mitbegründerin und Chefwissenschaftlerin Danielle Fong sagt, das Ziel ihres Unternehmens sei es, "das sauberste und wirtschaftlichste Energiespeichersystem der Welt herzustellen". LightSail Energy beabsichtigt, dies zu tun, indem die überschüssige Wärme erfasst wird, die durch den zuvor verschwendeten Kompressionsprozess erzeugt wird. Sein Ansatz umfasst ein Energiespeicherelement und Hochdruckspeichertanks für Erd- und Industriegase. Der Energiespeicher befindet sich noch in der Entwicklung, aber das Unternehmen plant, die Speichertanks an Logistikunternehmen zu verkaufen, die Erdgas verteilen und zurückgewinnen, sowie an Tankstellen für komprimiertes Erdgas. Ähnliche Tanks werden im Energiespeicherprodukt des Unternehmens verwendet, wenn es vollständig entwickelt und zur Vermarktung bereit ist. Die Einnahmen aus den Erdgasspeichertanks werden auch dazu beitragen, Gewinne und Produktionskapazitäten für die Energiespeicherlösung zu erzielen.

LiGE entwickelt ein netzunabhängiges Energiespeichersystem, das auf CAES basiert und aus maßgeschneiderten Komponenten besteht. Dazu gehören die Elektronik in der Steuerungsüberwachungs- und Berichtssoftware sowie die zusammengesetzten Druckbehälter, die auf Ermüdungsfreiheit ausgelegt und explosionsgeschützt sind. Das System misst auch Wärme, Druck, Vibration, Durchflussraten, Strom, Spannung und eine Reihe von Sicherheitsmaßnahmen. Das Speichersystem soll manipulationssicher sein, da bei jedem Manipulationsversuch das System heruntergefahren und drucklos gemacht wird. Der Container mit dem System kann dann nur von einem LiGE-Techniker wieder geöffnet werden, der aus der Zentrale gerufen wurde. Ebenso können nur LiGE-Techniker das Gerät warten und in Betrieb nehmen. Das System verwendet Strom, der hauptsächlich, aber nicht ausschließlich aus Sonnenenergie erzeugt wird. Dies treibt einen Hydraulikmotor an, der wiederum einen Kompressor antreibt. Die Druckluft wird in Lufttanks gespeichert, und der Rückwärtsbetrieb treibt eine Lichtmaschine an, die die Stromversorgung für jede Einrichtung liefert, die das Energiespeichersystem bedient, sei es eine Fabrik oder ein anderes Gebäude oder was auch immer. LiGE schätzt den Wirkungsgrad des Systems auf über 90 Prozent. Es kann nicht nur netzunabhängig eingesetzt werden, sondern auch für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung verwendet werden.

Energiespeicher in welcher Form auch immer müssen in unseren Energienetzen eine wichtige Rolle spielen, da mehr Energie aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird. Es wurde beispielsweise geschätzt, dass Großbritannien bis 2020 etwa 200 GWh Strom speichern muss. CAES sieht zunehmend so aus, als könnte es eine sehr praktikable und regelmäßig eingesetzte Methode sein, um genau dies zu erreichen.


Schau das Video: Compressed Air Energy Storage CAES - Eric Tharumalingam (Januar 2022).