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Thermischer Speicher
BMWi
Emissionsfreier Großspeicher 18.10.2016

Im ADELE-Projekt untersuchen Wissenschaftler seit Ende 2009 die Machbarkeit der „Adiabaten Druckluftspeicher-Technologie“ mit Fokus auf die Kernkomponenten Turbomaschinen, Wärmespeicher und Kaverne.
© DLR

Druckluft- statt Pumpspeicher

Seit 2009 untersuchen Wissenschaftler im ADELE-Verbundprojekt adiabate

Druckluftspeicher mit Fokus auf Turbomaschine, Wärmespeicher und

Kaverne. Im Anschlussvorhaben ADELE-ING vergleichen Forscher nun

Verfahrensvarianten miteinander. Zusätzlich werden neue teiladiabate

Prozessvarianten und herunterskalierte Anlagenkonfigurationen

entwickelt, die einen früheren Markteintritt ermöglichen

Projektstatus Letzte Phase
Typische Anlagengröße - Energie 10-1.000 MWh
Typische Anlagengröße - Leistung 10-260 MW
Wirkungsgrad AC/AC Circa 70
Speicherverlust [1/d] < 3 %
Zyklenfestigkeit (80 Prozent Entladetiefe) 100 %
Brauchbarkeitsdauer der Anlage (1 Zyklus/Tag) 40 a
Typische Entladezeit 4 Stunden
Ansprechzeit bei der Breitstellung der Energie < 15 Minuten
Anwendungsfelder – Beispiele Ausgleich von Tagesschwankungen, täglicher Ein- und Ausspeichervorgang, Wholesalemarkt, Regelenergie- und Kapazitätsmärkte, Verteilnetzanwendungen, Industrieanwendungen
Speichereffekt – Temperaturänderung Unterirdische Kaverne, Sensibler Speicher, Druckänderungen
Speichermedium Natursteine und Keramiken
Speicherkonstruktion Vorgespannter Betonbehälter
Projektlaufzeit Januar 2013 bis Juni 2017

Pumpspeicher stellen weltweit die fast ausschließlich zum Einsatz kommende Technik zur Speicherung großer elektrischer Energiemengen dar. Allerdings lassen sie sich aus verschiedenen Gründen nicht überall errichten.

Adiabate Druckluftspeicher können hier eine Alternative darstellen. Sie besitzen ein besonders hohes Potenzial, zukünftig notwendige Speicherkapazitäten für elektrische Energie im großtechnischen Maßstab von mehreren hundert MW/MWh bis zu einigen GW/GWh pro Standort und Anlage zu Kosten bereitzustellen, die in der Größenordnung derer von herkömmlichen Pumpspeichern liegen. Das seit 2009 laufende, mit Mitteln des Bundes geförderte FuE-Verbundvorhaben
„Adiabate Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung“ (ADELE) widmet sich der grundlegenden Entwicklung der hierfür notwendigen, aber noch nicht verfügbaren Komponenten sowie der grundlegenden Auslegung des Gesamtverfahrens.

  • Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen flukturiert - Speicher können bei der Integration ins Stromversorgungssystem helfen. &copy; RWE Power AG
  • Der Axialverdichter einer Gasturbine bildet die erste Verdichtungsstufe. &copy; General Electric
  • Ein bis zwei Radialkompressoren verdichten die Druckluft auf den Enddruck. &copy; General Electric
  • Niederdruck-Regeneratorwärmespeicher: Betonwärmespeicher mit Rohrregister und Isolierung für den Hochdruckbereich. &copy; Ed. Züblin AG
  • Niederdruck-Regeneratorwärmespeicher: Prototyp in Carboneras, Spanien. &copy; Ed. Züblin AG
  • Potenzial zur Kostensenkung: Vergleich des Querschnitts der Wärmespeicherdruckbehälter für eine Hochdruck- (links) und eine Niederdruckvariante (rechts) bei gleichem Innendurchmesser. &copy; Ed. Züblin AG
  • Großversuch der Ed. Züblin AG:  Untersuchung der technischen Machbarkeit einer Behältervorspannung mit 55-litzigen Spanngliedern an einer „Speicherscheibe“ im 1:1 Maßstab. &copy; Ed. Züblin AG
  • Großversuch der Ed. Züblin AG:  Untersuchung der technischen Machbarkeit einer Behältervorspannung mit 55-litzigen Spanngliedern an einer „Speicherscheibe“ im 1:1 Maßstab. &copy; Ed. Züblin AG
  • Im HotReg-Teststand des DLR können bis zu 5 Tonnen Wärmespeichermaterial unter Realbedingungen thermisch zykliert werden. &copy; DLR
  • Wissenschaftler des DLR bereiten einen  Versuch am HotReg-Teststand vor. &copy; DLR
  • Mitarbeiter der ESK GmbH (RWE Group) planen Errichtung und Betrieb der unterirdischen Kavernen unter Berücksichtigung der lokalen Geomechanik. &copy; ESK GmbH (RWE Group)
  • Simulationsergebnis zur Kontur einer Kaverne nach der Aussolung. &copy; ESK GmbH (RWE Group)
  • Der Betrieb von Kavernen zur Speicherung von Erdgas oder Erdöl ist über Jahrzehnte erprobte Praxis. &copy; ESK GmbH (RWE Group)
  • Geologie für Kavernen am Beispiel Staßfurt: Schnitt durch den Staßfurter Salzsatten. &copy; ESK GmbH (RWE Group)

Ganzheitlicher Ansatz

Im vorlaufenden ADELE-Vorhaben untersuchen Wissenschaftler seit Ende 2009 die Machbarkeit der „Adiabaten Druckluftspeicher-Technologie“, allerdings noch mit Fokus auf die Kernkomponenten Turbomaschinen, Wärmespeicher und Kaverne. Das im Rahmen der Energiespeicherinitiative geförderte Projekt ADELE-ING  baut auf diesen Ergebnissen auf. ADELE-ING verfolgt in einem ganzheitlichen Ansatz zunächst die Identifikation bzw. Bestätigung des endgültigen ADELE-ING-Designs zur adiabaten Druckluftspeichertechnologie. Dies wird durch einen technisch-wirtschaftlichen Vergleich des ADELE-ING-Konzeptes mit alternativen Anlagenkonfigurationen erreicht. Diese Arbeiten sind inzwischen weit fortgeschritten: Es wurde die technische Machbarkeit von Wirkungsgraden von etwa 70 Prozent bestätigt und die Absenkung der Investitionskosten auf das Niveau von Pumpwasserkraftwerken erreicht. Trotz der erreichten Erfolge stellt sich der wirtschaftliche Betrieb von Stromspeichern immer noch schwierig dar. Um die Chancen für den Markteintritt der Technologie weiter zu verbessern, werden zur Absenkung der Investitionshürden teiladiabate Anlagenkonfigurationen und herunterskalierte Anlagenlösungen für Verteilnetzanwendungen entwickelt.

Parallel wird die Netz- und Marktintegration der ADELE-Technologie für das zukünftige deutsche Stromversorgungssystem untersucht. Dabei werden auch Zielgrößen zur Technologieentwicklung erarbeitet.

Komponenten und Gesamtanlage weiterentwickeln

Adiabate Druckluftspeicher nutzen die bei der Kompression der Luft entstehende Wärme – im Gegensatz zu den konventionellen, sogenannten diabaten, Druckluftspeichern. Deshalb können sie während des Turbinenbetriebs die Zufeuerung von Erdgas, und die damit verbundene CO2-Emissionen, vermeiden und den Wirkungsgrad auf 70 Prozent steigern. Allerdings erfordert dieses Konzept neue, bisher nicht verfügbare Komponenten. Zum einen müssen neue Hochtemperaturverdichter und -expander entwickelt werden. Zum anderen müssen große Wärmemengen auf hohem Temperaturniveau ein- und ausgespeichert werden. Die Entwicklung dieser Komponenten, des Gesamtanlagenkonzeptes einschließlich aller Neben- und Hilfsaggregate, sind ebenso Inhalt dieses Projektes wie die Erarbeitung von Betriebsführungskonzepten, Untersuchung zur der Dynamik und des Teillast-/ Lastwechselverhaltens sowie die Erarbeitung eines Genehmigungsverfahrens für diese bisher nicht realisierte Technologie.

Wirtschaftlichkeit und Dauerhaftigkeit

Großspeichertechnologien stellen eine Dienstleistung für das Stromversorgungssystem bereit. Sie müssen sich wirtschaftlich dadurch tragen, dass die Bereitstellung von Elektrizität bei der Entladung des Speichers mehr Einnahmen generiert, als Kosten für Strom zur Befüllung des Speichers anfallen. Darüber hinaus müssen durch den Betrieb die Kapitalkosten für die Investition sowie weitere variable Kosten erwirtschaftet werden. An den klassischen Märkten, wie Wholesale-Markt und Regelenergiemärkte, ist es jedoch entgegen vieler Prognosen gerade durch den Ausbau der Erneuerbaren Energien sowohl zu einem Preisverfall gekommen, als auch zu einem Sinken der sog. Spreizung zwischen hohen Strompreisen bei hoher Nachfrage (Peak) und niedrigen Strompreisen bei niedriger Nachfrage (Off-Peak). Gerade diese Peak-Off-Peak-Spreizung ist es jedoch, mit der Speicher ihre notwendigen Einnahmen generieren.

Markt der Zukunft

Neben den technischen Entwicklungsrisiken besteht die Herausforderung darin, zum gegenwärtigen Zeitpunkt eine Technologie zu entwickeln, die in der Lage ist, die Anforderungen eines zukünftigen Strommarktes zu bedienen und sich gegenüber anderen Stromspeichertechnologien zu behaupten. Die zukünftigen vom Regulator vorgegebenen Rahmenbedingungen sind naturgemäß schwer bis nicht prognostizierbar. Lohnt es sich zum Beispiel kostenintensive Techniken anzuwenden, um den Wirkungsgrad der Anlage zu erhöhen, oder werden sich ggf. Konzepte mit geringeren Investitionskosten aber schlechterem Wirkungsgrad betriebswirtschaftlich besser im Markt der Zukunft behaupten? Auf Grund der Unschärfe der Antworten auf derartige Fragen, gilt es, ein auch unter den möglichen zukünftigen Veränderungen der Rahmenbedingungen technisch flexibles und wirtschaftlich robustes Verfahrenskonzept zu entwickeln.

Zu diesem Zweck wird zum Teil auch vom Prinzip der vollständig adiabaten Prozessführung abgewichen. Die Motivation dieses Vorgehens ist dabei, durch eine teiladiabate Verfahrensführung (d. h. durch die Zuheizung des Wärmespeichers mit Überschussstrom oder Erdgas) eine verbesserte Robustheit bei der Anpassung der Technik an die sich entwickelnden Strommarktbedingungen zu erreichen. Damit werden zunächst betriebswirtschaftlich attraktivere Varianten für einen früheren Markteintritt geschaffen und gleichzeitig der künftige Übergang zu vollständig adiabater Technik mit erhöhtem Speicherwirkungsgrad offen gehalten. Als zusätzliches Entwicklungsziel werden in den niedrigen zweistelligen MW-Bereich herunterskalierte ADELE-Technologien betrachtet, die z. B. für Industriekunden oder kleinere Stadtwerke für die Portfolio-Optimierung attraktiv sind.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

25. September 2017
EU PVSEC 2017

26. September 2017
Batterien für Bordnetze, Hybrid- und Elektrofahrzeuge

5. Oktober 2017
Batterieinnovation - Forschung, Einsatz, Wirtschaftlichkeit

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Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung. Sie finden Informationen zum Projekt hier und hier.