Druckluftspeicherung - Compressed Air Energy Storage CAES

In Pumpspeicherkraftwerken wird Strom als potentielle Energie in zwei, in unterschiedlicher Höhe angeordneten, Speicherseen gespeichert. Die gespeicherte Energie ist:

E = m.g.Δh = ρ.V.g.Δh = V.Δp

Hierbei ist m die Masse des zur Speicherung verwendeten Wassers, g die Erdbeschleunigung und Δh  die Höhendifferenz der Speicherbecken. Die Masse des Wassers ist das Produkt aus der Dichte ρ und dem Volumen V und damit lässt sich die gespeicherte Energie als Produkt aus dem Volumen und der Druckdifferenz Δp ausdrücken.

Der Energieinhalt bzw. die Arbeit, die in komprimierter Luft gespeichert ist, ist w = pΔV, also physikalisch ähnlich der Energie im Pumpspeicherwerk. 

Nach dem 1. Haupsatz der Themodynamik ist die innere Energie des Gases:

E = ΔU = q + w

Dies bedeutet, dass immer wenn an einem Gas Arbeit geleistet wird oder das Gas Arbeit leistet, sich auch der Wärmeinhalt des Gases ändert.

Das Problem 

Die Erzeugung von Wärme bei der Kompression eines Gases ist das Hauptproblem bei der Druckluftspeicherung. Bei der bisherigen adiabaten Druckluftspeicherung geht man davon aus, dass man diese Wärme obertägig speichert, dann dem Prozess bei der Entspannung wieder zuführt und somit einen Wirkungsgrad von über 70 % erreicht. Die Temperaturen erreichen 500 °C. Ein Beispiel hierfür ist das öffentlich geförderte Projekt ADELE .

Allerdings ist es so, dass dieser Wirkungsgrad kaum erreicht werden kann, da die Wärme und die damit verbundene hohe Temperatur nicht nur obertägig bei der Kompression und Expansion entsteht. Auch die Speicherkaverne würde sich bei der Expansion stark abkühlen, was zu einer hohen geomechanischen Beanspruchung führt und in der konventionellen Erdgasspeichertechnik nicht zulässig ist.

Es ist weiterhin generell so, dass bei einem thermodynamischen Prozess Wärme nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden kann. Der Wirkungsgrad hängt vom Temperaturverhältnis ab und ist bei einer adiabaten Entspannung wie bei ADELE

η = T1 / T2 = 300/800 = 0,375

Die Ursache

Die Temperaturänderung bei einer adiabatischen Kompression oder Expansion hängt vom Druckverhältnis ab. 

Bei einer Druckerhöhung von 0.1 bar auf 1 bar ist also die Temperaturänderung dieselbe wie von 1 auf 10 bar. Dies ist im nachfolgenden Diagramm für ein 2-atomiges ideales Gas dargestellt und würde so auch für Luft gelten (die Ausgangstemperatur T1 ist 300 K). Bei einem Kompressionsverhältnis von 100 würde sich die Temperatur um ca. 800 °C erhöhen.

Temperaturänderungen bei einer adiabatischen Kompression in Abhängigkeit des Kompressionsverhältnisses

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Die Lösung

Da die gespeicherte Druckenergie dem Produkt aus Druck und Volumen pV entspricht, ist in einer Verdichtung von 1 auf 70 bar, wie unter den Beriebsbedingungen des Speichers ADELE,  dieselbe Energie enthalten wie bei einer Kompression von 100 auf 170 bar, allerdings beträgt der Temperaturanstieg nicht 500 °C sondern nur 50 °C.

Dies kann erreicht werden, wenn die Luft statt aus der Atmosphäre aus einem zweiten Speicherraum entnommen wird. Technisch ist dies ohne großen Aufwand umzusetzen, die Wärme kann in einem Wasserreservoir gespeichert werden und der Wirkungsgrad betrüge: 

η = T1 / T2 = 300 / 350 = 0,857

erneo Druckluftspeicherverfahren mit zwei Speicherkavernen