Druckluftspeicher
In den Tausende von Metern tiefen Salzstöcken im Norden Deutschlands schlummern ungeahnte Potenziale für den Bau von Druckluftspeicher-Kraftwerken (Compressed Air Energy Storage - CAES). Im Prinzip arbeiten diese Anlagen ähnlich wie Pumpspeicher-Kraftwerke. Mit überschüssiger elektrischer Energie werden Luftmassen auf bis zu 100 bar verdichtet und in unterirdische Kavernen gepresst. Im Kraftwerksbetrieb treibt die Druckluft eine konventionelle Gasturbine an.
ältere und neuere CAES
Das Druckluftspeicher-Kraftwerk in Huntorf (in Betrieb seit 1978) erreicht einen Gesamtwirkungsgrad von gerade mal 42 Prozent. Moderne Anlagen recyceln die bei der Stromproduktion anfallende Abwärme und kommen so auf einen Wert von bis zu 55 Prozent. Das Riesenpotenzial der Drucklufttechnik zur Stromspeicherung beweist ein Projekt in Norton im US-Bundesstaat Ohio. Das dort geplante CAES-Kraftwerk soll in der Lage sein, über einen Zeitraum von acht Tagen eine Leistung von 2.700 MW zu liefern.
Neue Systeme sollen nicht nur die Druckluft in unterirdischen Salzkavernen speichern, sondern auch die Wärme, die nach dem Verdichten aus dem heissen Gas abfliesst. Bei konventionellen CAES-Kraftwerken muss die bis zu 700 Grad heisse Druckluft vor dem Verpressen in die Tiefe aufwändig gekühlt werden. Bei den neuen Anlagen soll diese Energie in flüssigen oder festen Wärmespeichern bereit gehalten und der Pressluft beim Ausströmen zur Expansionsturbine wieder zugeführt werden. Solche adiabaten Druckluftspeicher-Kraftwerke können einen Wirkungsgrad bis zu 70 Prozent erreichen.
Prozessführung
Das Verhalten von Luft wird in guter Näherung durch das Modell des idealen Gases beschrieben werden. Ein ideales Gas kann Entropie] temperaturwirksam (manifest) oder volumenmässig (latent) speichern. Wird Luft thermisch isoliert komprimiert, geht ein Teil der latent gespeicherten Entropie in manifeste über, womit die Temperatur des Gases steigt. Diese isentropie (adiabatische) Kompression wird durch das folgende Druck-Volumen-Verhalten beschrieben
- [math]p=p_0\left(\frac{V_0}{V}\right)^{1.4}[/math]
Würde die komprimierte und heisse Luft keine Entropie an die Umgebung abgeben, könnte man beim Entspannung der Luft die beim Komprimieren zugeführte Energie idealerweise wie bei einer Feder vollständig zurückgewinnen. Nun gibt die Luft aber im Laufe der Zeit solange Wärme an die Umgebung ab, bis sich ihre Temperatur der Umgebung angepasst hat. Bei diesem Abkühlvorgang sinkt neben der Temperatur auch der Druck der Luft. Folglich ist die von der Luft an die Turbine zurück gegebene Energie deutlich kleiner als die vom Kompressor aufgenommene.
Sind Speicher und Umgebung gleich warm, bilden Lade- und Entladevorgang zusammen mit der Abkühlung nach dem Komprimieren und dem Erwärmen der kalten Luft nach dem Entspannen einen vierteiligen Kreisprozess. Idealisiert man diesen Kreisprozess, erhält man die folgenden vier Zustandsänderungen
- isentrope Kompression
- iobare Abkühlung
- isentrope Expansion
- isobare Erwärmung
Die bei einer Kompression mechanisch zugeführte Energie in Form von Arbeit entspricht der Fläche unter dem p-V-Diagramm. Nimmt man an, dass bei der Kompression und bei der Expansion keine Energie in Form von Wärme ausgetauscht wird, ist die Arbeit gleich der Änderung der inneren Energie
- [math]W=\Delta U=C\Delta T=mc\Delta T[/math]
Diese Energie geht beim Abkühlen der heissen Luft in Form von Wärme an die Umgebung weg. Die kompimierte und wieder abgekühlte Luft enthält bei gleicher Temperatur gleich viel Energie wie die entspannte Luft vor der Kompression.