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Druckluftspeicherkraftwerk

Physik

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Grundidee｜ Bauweise｜ Vorteile｜ Probleme｜ Die Kompressionswärme｜ Die Expansionskälte｜ Der Druckabfall｜ Geringer Wirkungsgrad｜ Zum Beispiel: Huntorf｜ Fußnoten


Grundidee


Ein Druckluftspeicherkraftwerk, umgangssprachlich auch als Luftbatterie [4] [5] bezeichnet kann Energie in Form von Druckluft speichern. Komprimiert man Luft in Zeiten billigen Stroms, kann die so erzeugte Druckluft in Zeiten mit einem hohen Strompreis bei ihrer Entspannung einen Generator antreiben und damit Strom erzeugen. Erste Pilotanlagen mit Erzeugungsleistungen von bis zu 600 Megawatt [1] sowie auch in Deutschland mit Leistungen von 200 (Stassfurt) bis 321 (Huntdorf) Megawatt existieren bereits. Es gibt jedoch drei größere Probleme zu lösen.

Bauweise


In der simpelsten Form bestehen Druckluftspeicherkraftwerke aus einem Verdichter, der die Luft stark komprimiert (verdichtet). Die so komprimierte Luft wird in große unterirdische Hohlräume, zum Beispiel Kavernen [2] in Salzstöcken, geleitet und dort gespeichert. Möchte man die in Form von Druck gespeicherte Energie wieder in Strom verwandeln, lässt man die Druckluft durch eine Turbine (Schaufelräder) laufen. Diese simple Bauweise bringt jedoch einige Probleme mit sich. Daher sind reale Druckluftkraftwerke technisch aufwändiger, aber auch wirkungsvoller.

Vorteile


  • Relativ einfaches technisches Prinzip
  • Schwarzstart möglich, also nach einem Stillstand kein Fremdstrom zum Anlaufen nötig
  • Je nach Geologie können große Speicherkavernen in größerem Umfang hergestellt werden

Probleme


Die Kompressionswärme


Verdichtet man Luft, so erwärmt sie sich. Den Effekt kann man selbst leicht nachvollziehen, wenn man mit einer Luftpumpe einen Fahrradschlauch schnell auf mehrere bar aufpumpt: die Pumpe wird für die Hand spürbar wärmer. Auch im Tauchsport ist das Phänomen bekannt. Werden leere Druckluftflaschen mit einem Kompressor auf zum Beispiel 200 bar aufgefüllt, sind sie anschließend spürbar wärmer.

Diese Kompressionswärme kann Richtung 1000 °C gehen und stellt damit eine Gefahr für die Behälter der Druckluft dar. Je nach Geschwindigkeit der Verdichtung der Luft und je nach verwendetem Behälter muss die Luft dann vor der Einlagerung abkühlen.

Unabhängig von möglichen Schäden am Einlagerungsgefäß fließt die Kompressionswärme über die Zeitdauer ihrer Einlagerung von der Druckluft in die Umgebung ab. Diese Energie geht also mit der Zeit für die Luft selbst verloren. Da sie aber vorher in Form von Verdichtungsarbeit aufgewendet werden musste, vermindert sie so auch den Wirkungsgrad eines Druckluftkraftwerkes.

Eine Lösung besteht darin, die erzeugte Kompressionswärme in zu speichern. Anlagen, die das können, bezeichnet man als adiabat (ohne Wärmeaustausch mit der Umwelt). Da sie technisch jedoch deutlich aufwändiger zu bauen und zu betreiben sind, steigert das auch die Kosten des Kraftwerks.

Wird die Kompressionswärme gespeichert, kann sie später bei der Erzeugung von Strom mit Druckluft auch wieder dazu genutzt werden, der Abkühlung der Luft bei ihrer Expansion entgegen zu wirken. Warum das sinnvoll ist, wird weiter unten erklärt.

Die Expansionskälte


Dehnt sich Luft (oder auch ein anderes Gas) aus, kühlt es sich dabei ab. In der Physik spricht man vom Joule-Thomson-Effekt. Lässt man Luft aus einer Druckluftflasche ins freie entströmen, kühlt sich das Auslassventil stark ab. Taucher müssen bei einer zu schnellen Entnahme von Luft sogar mit einem lebensbedrohlichen Vereisen des Auslassventils rechnen.

Bei Druckluftkraftwerken spielt der Effekt dann eine Rolle, wenn durch die Expansion (Ausdehnung) des Gases der in der Luft immer vorhandene Wasserdampf kondensiert und anschließend gefriert. Dadurch können die Turbinen in den Generatoren vereisen. Um dem entgegen zu wirken, kann man der Luft vor ihrem Eintritt in die Turbinen brennbare Gase beimischen und dise zünden. Damit aber benötigt man wieder fossile Energieträger und der Aufwand zum Bau und Betrieb der Anlagen steigt deutlich an.

Der Druckabfall


Wird einem Druckluftspeicher Luft entnommen, sinkt damit der Druck im Speichergefäß. Turbinen in den Generatoren sind aber meist auf einen engen Druckbereich hin optimiert. Das wirft die Frage auf, ob man den Druck im Speicherraum über die Zeit der Entnahme konstant halten kann. Eine Möglichkeit ist es, den Speicher mit einem überirdischen Wasserbecken zu verbinden. Wird Luft aus dem Speicher entnommen, fließt von oben Wasser unter dem Druck des Wassersäule in den Druckluftspeicher und hält damit dort den Druck mehr oder minder konstant. Man spricht von einem isobaren (immer gleicher Druck) Kraftwerk. Bei Kavernen zur Speicherung von Erdgas wird diese Technik bereits angewendet, zum Beispiel von der Firma Keyera im kanadischen Fort Saskatchewan.

Geringer Wirkungsgrad


Vor allem der Verlust der Kompressionswärme und sowie eine mögliche Beimischung brennbarer Gase bei der Entspannung führen dazu, dass man bei Druckluftkraftwerken mehr als doppelt so viel Energie in die Speicherung stecken muss, als später bei der Stromgewinnung wieder genutzt werden kann. Das Verhältnis von genutzter zu aufgewendeter Energie ist der Wirkungsgrad. Abhängig von der verwendeten Technik gibt es moderne Anlagen mit Wirkungsgraden von etwa 40 % (Kraftwerk Huntorf) bis gut 70 % (Kraftwerk Stassfurt, Kraftwerk Huai'an [1]).

Zum Beispiel: Huntorf


Das Druckluftspeicherkraftwerk Huntorf bei Oldenburg ging im Jahr 1978 in Betrieb und war damals das weltweit erste Kraftwerk dieser Art. Es speichert Druckluft in zwei ausgesolten Salzkavernen in einer Teufe von etwa 650 bis 800 m. Die Kavernen besitzen zusammen ein Volumen von rund 310 000 m³. Sie sind jeweils bis zu etwa 150 m hoch und erreichen einen maximalen Durchmesser von etwa 60 m. Die zunächst bis auf 72 bar komprimierte Luft wird mit einem Druck zwischen 46 bis 67 bar gespeichert. Nach aktuellem Bergrecht darf die Luft in den Kavernen nicht wärmer als 50 °C sein. Bei vollem Speicher befinden sich rund 72 000 t Druckluft in den Kavernen. [3]

Zum Laden des Speichers fördern in Reihe geschaltete Nieder- und Hochdruckkompressoren Luft in die Kavernen. Die elektrische Leistungsaufnahme beträgt etwa 60 MW; eine vollständige Beladung dauert rund acht Stunden und benötigt damit etwa 480 MWh elektrische Energie. Bei der annähernd adiabatischen Verdichtung steigt die Lufttemperatur stark an. Im Kraftwerk Huntorf wird diese Verdichtungswärme jedoch nicht gespeichert, sondern über Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben; konkrete Temperaturen werden in den technischen Angaben nicht genannt.

Das Kraftwerk kann in nur 15 Minuten hochefahren werden, um dann Strom ins Netz einzuspeisen. Bei der Entladung liefert das Kraftwerk bis zu 321 MW elektrische Leistung. Die gespeicherte Druckluft reicht für etwa zwei Stunden Volllastbetrieb. Da sich die expandierende Luft stark abkühlen würde, wird sie vor der Turbine durch Verbrennung von Erdgas wieder aufgeheizt. Es handelt sich daher um ein diabates Druckluftspeicherkraftwerk. Für die Erzeugung von 1 kWh elektrischer Energie werden etwa 0,8 kWh zuvor gespeicherter elektrischer Energie sowie zusätzlich etwa 1,6 kWh Erdgas benötigt. Der elektrische Speicherwirkungsgrad (Round-Trip) liegt dadurch nur bei etwa 42 %. [3] Mehr als die Hälfte des Strom geht bei der Speicherung verloren. [3]

Fußnoten


  • [1] In der Salzkaverne Huai'an in der chinesischen Provinz Jiangsu wird die verdichtete Luft in 1150 bis 1500 Metern Tiefe gespeichert. Die Kompressionswärme wird in geschmolzenem Salz und Thermalwasser gespeichert. Es werden keine Gase verbrannt. Die Leistung bei der Stromagabe liegt bei 600 Megawatt, die Kapazität bei 2400 Megawattstunden. Damit kann die Anlage Strom für eine Zeit von 4 Stunden mit 600 Megawatt speichern. Der Wirkungsgrad soll bei 71 % liegen. In: Oliver Bünte: 600-MW-Druckluftspeicheranlage nimmt Betrieb vollständig auf. Heise Online. 6. März 2026. Online: https://www.heise.de/news/600-MW-Druckluftspeicheranlage-nimmt-Betrieb-vollstaendig-auf-11201800.html
  • [2] Kavernen, sprachlich verwandt mit den englischen cave für Höhle, sind meist große unterirdische Hohlräume. Sie werden zum Beispiel in riesigen Salzlagerstätten angelegt. Das unterirdische Salz kann mit Hilfe von Wasser ausgespült werden. Sieha auch 👉 Kaverne



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