Pumpspeicher und Druckluftspeicher speichern den Strom in Form von potentieller Energie

Pumpspeicher

Beim Pumpspeicher wird ein bestimmtes Volumen Wasser mit der Masse m in ein höher gelegenes Speicherbecken (Oberbecken) gepumpt. Die Energiemenge, die hierzu benötigt wird ist m · g · h , wobei g die Erdbeschleunigung ist und h die Höhendifferenz zwischen Unter- und Oberbecken. Wird Strom benötigt, dann wird Wasser aus dem Oberbecken über eine Turbine in das Unterbecken geleitet. Die Turbine treibt einen Generator an und erzeugt Strom.

Pumpspeicher können, wegen der erforderlichen Höhendifferenz, nur in bergigen Regionen angelegt werden und benötigen große Areale für die Speicherseen. Ein Zubau von Pumpspeichern ist daher begrenzt.

Druckluftspeicher

Beim Druckluftspeicher wird Luft komprimiert und in Hohlräumen gespeichert. Um genügend große Hohlräume für die Speicherung bereitzustellen, können Felskavernen gebaut oder Salzkavernen ausgesolt werden. Die Speicherung unter hohen Drücken in Salzkavernen ist eine ausgereifte Technik und wird seit mehr als 50 Jahren für die Erdgasspeicherung genutzt.

Die Energie wird, wie der Name Druckluftspeicher bereits aussagt, als Druck in der gespannten Luft gespeichert. Dies erscheint sehr einfach, wie es z. B. sehr anschaulich in einem aufgeblasenen Luftballon geschieht. 

Thermodynamische Aspekte der Druckluftspeicherung

Die Menge an gespeicherter Energie kann sowohl für den Pumpspeicher als auch für den Druckluftspeicher als Produkt aus dem Speichervolumen und dem Druck geschrieben werden.

m.g.Δh = ρ.V.g.Δh = V.Δp

(m ist die Masse des Wasservolumens, g die Erdbeschleunigung, h die Höhendifferenz, ρ bedeutet die Dichte des Wassers und p steht für den Druck) 

Beim Pumpspeicher sorgen die Schwerkraft und die Fallhöhe für die Speicherenergie. Für den Druckluftspeicher ist dies jedoch nicht der Fall. Die komprimierte Luft muss die Arbeit für die Entspannung aus sich heraus bereitstellen und dies kann sie nur, wenn sie sich abkühlt. 

Umgekehrt erwärmt sich die Luft bei der Kompression, wie es jeder vom Aufpumpen eines Fahrradreifens kennt.

Dieses oft unerwünschte Verhalten von Gasen beruht auf dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz). Dieser lautet:

ΔU=Δw + Δq

Die innere Energie U eines Gases ist die Summe von Wärme und Arbeit. Dadurch wird auch die Äquivalenz von Wärme und Arbeit beschrieben. Die innrere Energie kann nicht als absoluter Wert festgelegt werden, deshalb werden in der Thermodynamik nur Änderungen einer Größe angegeben.

Eine Zustandsgleichung für ein Gas beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Druck, dem Volumen und der Temperatur. Für ein ideales Gas lautet diese:

pV = nRT

Hierbei is p der Druck, V das Volumen, n die Stoffmenge, R die allgemeine Gaskonstante und T die Temperatur. Die linke Seite der Gleichung hat die Dimension der Energie als Arbeit, die rechte Seite als Wärme. Somit drückt auch diese Zustandsgleichung die Gleichheit von Arbeit und Wärme aus. Wenn man das Gas erwärmt, so ändert sich sein Druck und sein Volumen, andererseits ändert sich die Temperatur bei einer Druck- oder Volumenänderung.

Wenn man einem Gas bei einer Kompression oder Expansion keine Wärme zu- oder abführt, dann nennt man diese Zustandsänderung adiabatisch. Die hierbei auftretende Temperaturänderung ist nicht linear abhängig vom Druck sondern,

Hierbei ist κ = cp/cv und cp und cv sind die Wärmekapazitäten eines Gases bei konstantem Druck oder konstanter Temperatur. Für ein zweiatomiges Gas, wie Luft, ist κ = 1,4.

Soll mit einem Gas Arbeit geleistet werden, wie bei der Entspannung in einer Turbine, dann wird dem Gas keine Energie oder Wärme zugeführt, was auch nicht sinnvoll wäre, denn es soll ja Energie erzeugt werden. Für diese adiabatische (isentrope) Entspannung ergibt sich die Temperaturänderung nach der obigen Gleichung.

Die Temperaturänderungen bei der Kompression oder Entspannung von Gasen können beträchtlich sein. Bei Druckänderungen von beispielsweise 150 bar beträgt die Temperaturänderung mehr als 500° Celsius. Dies ist ein wesentlicher Nachteil der Druckluftspeicherung. Dieser soll, wie in der Abbildung ganz oben dargestellt ist, durch die Speicherung der Wärme ausgeglichen werden. Die Wärme, die bei der Kompression entsteht, soll dem Prozess bei der Entspannung wieder zugeführt werden. 

Die Gewinnung von Arbeit aus Wärme führt jedoch zu einem geringen Wirkungsgrad der Speicherung. Der Wirkungsgrad bei der Entspannung eines Gases ist das Verhältnis der gewinnbaren Nutzarbeit zur gesamten eingesetzten Energie. Bei einer adiabaten Entspannung ergibt sich der Wirkungsgrad aus dem Verhältnis der Temperatur nach der Entspannung T2 und der Anfangstemperatur T1 (absolute Temperaturen in Kelvin).

Der maximal erreichbare Wirkungsgrad eines Prozesses bei dem Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt wird ist der Carnot'sche Wirkungsgrad (2. Hauptsatz der Thermodynamik). Der Wirkungsgrad ist 

η = w / q2  = (q1 - q2)  / q2 = (T1 - T2 ) / T2

Hierbei ist w die Nutzarbeit, die der dem System entnommenen Wärme entspricht.  

Bei einer adiabatischen oder isentropen Zustandsänderung (adiabatische Entspannung oder Kompression) wird keine Wärme ausgetauscht, so dass q2  der Arbeit im Zähler hinzuzuzähen ist und der Wirkungsgrad ist

η = (w + q2)  / q2  = q1  / q2 = T1 / T2

Für eine Anfangstemperatur von 500 °C und einer Temperatur nach der Entspannung von 20 °C ergibt sich

η = (273.15+20) / (273.15+500) = 0,38

Dies ist ungefähr der Wirkungsgrad, der bei der konventionellen Druckluftspeicherung theoretisch zu erreichen wäre. Da aber keine vollständige Entspannung in den Salz- oder Felskavernen möglich ist, weil die Temperatur weit absinken würde und damit das Gebirge geschädigt würde, ist der tatsächliche Wirkungsgrad deutlich niedriger.

Diese Einschränkungen können durch die Anwendung der erneo Technologie umgangen werden.