DE102012005571A1

DE102012005571A1 - Verfahren zur Speicherung von Energie in unterirdischen Hohlräumen mittels komprimierten Gases

Info

Publication number: DE102012005571A1
Application number: DE201210005571
Authority: DE
Inventors: Norbert Böhm; Wolfgang Littmann
Original assignee: NASSER BERG EN GmbH; NASSER BERG ENERGIE GmbH
Current assignee: Erneo Energiespeichersysteme GmbH
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2013-09-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur großtechnischen Speicherung von Energie vorzugsweise in unterirdischen Hohlräumen in sog. Kavernen. Das erfunden Verfahren ermöglicht die technische, ökonomische, ökologische und gesellschaftlich akzeptable Lösung zur Speicherung von Energie in einem Kavernenspeicher. Anders als bei den bisher vorgeschlagenen Verfahren wird das zu Beginn komprimierte Gas bei den darauf folgenden Prozessen nicht vollständig entspannt sondern nur um einen prozessverträglichen Betrag von ca. 20 bar. Das entspannte Gas wird in einer weiteren Kaverne gespeichert, von wo aus es für eine effektive Kompression in die erste Kaverne genutzt werden kann. Der Prozess kann vorzugsweise für die Bereitstellung von Regelenergie bei der Stromversorgung herangezogen werden und hat einen deutlich höheren Wirkungsgrad als die bisher vorgeschlagenen Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Speicherung von Energie in unterirdischen Hohlräumen.
Stand der Technik
Durch die steigende Verwendung regenerativer Energie wie Windkraft und Solarstrom, deren Einsatzmöglichkeit wetterbedingt sehr unregelmäßig ist, gewinnt die Notwendigkeit zur Speicherung von Energie immer größere Bedeutung.
Der mit regenerativen Methoden erzeugte Strom lässt sich elektrochemisch z. B. Batterien, Wasserstoffbrennzellen, chemisch durch die Umwandlung z. B. von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff in Zustände überführen, in denen Energie gespeichert werden kann. Eine weitere Möglichkeit ist die Speicherung als mechanische Energie. Hierzu kann z. B. Wasser in großen Mengen in eine höhere Lage gepumpt werden (sog. konventionelle Pumpspeicherwasserkraftwerke), ein Gas kann komprimiert werden (sog. Druckluftspeicherkraftwerke) oder die Energie kann in der Bewegung eines Kreisels oder als Federspannung gespeichert werden. Konventionelle Pumpspeicherwasserkraftwerke sind hierbei bisher an die geologischen obertägigen Bedingungen lokal gebunden und Neuprojekte stoßen aufgrund des sichtbaren Eingriffes in die Natur auf gesellschaftliche Akzeptanzprobleme. Neuartige innovative Pumpspeicherkraftwerke im Untergrund sind in der Entwicklungsphase. Druckluftspeicherkraftwerke sind wegen ihrer Untertageinstallation der Hohlräume gesellschaftlich akzeptabel, jedoch weisen solche Systeme bisher sehr niedrige Wirkungsgrade und somit eine geringe Energieeffizienz aus. Der technische Einsatz von Federspann- oder Schwungrädern ist auf eine sehr geringe zeitliche Nutzung eingeschränkt. Untertageenergiespeicher in Form von Pumpspeicherkraftwerken, die auf das bekannte Pumpsystem zurückgreifen, sind aufgrund ihrer hohen technischen Anforderungen – das gesamte Speicherkraftwerk unterirdisch nicht nur zu bauen, sondern auch zu betreiben und zu warten – mit geologischen Risiken und hohen finanziellen Bau- und Betriebskosten verbunden.
Für die Energiespeicherung in Kavernen wurde bereits die Komprimierung von Luft vorgeschlagen. Hierbei wird Luft in eine Kaverne gepresst und wenn erforderlich diese Luft über eine Entspannungsturbine geleitet. Die Entspannungsenergie wird dabei in Strom umgewandelt. Diese Technik hat geringe Wirkungsgrade, da sich die entspannte Luft sowohl in der Kaverne als auch in der Turbine abkühlt. Hierdurch wird die Fahrweise in der Kaverne begrenzt und die Luft muss vor der Entspannung in der Turbine mit Energie aufgeheizt werden. Während des Speichervorgangs wiederum muss die Luft gekühlt werden. Um den Wirkungsgrad solcher Anlagen zu erhöhen wurde eine Zwischenspeicherung der Wärme vorgeschlagen.
Eine Möglichkeit zur Verbesserung des Wirkungsgrades solcher Speicher ist nur durch eine optimalere Fahrweise möglich.
Aufgabenstellung
Die hier beschriebene Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Speicherung von komprimierter Luft in 2 Kavernen.
Bei der Kompression eines Gases entsteht Wärme, wenn das Gas keine Arbeit leistet, umgekehrt muss bei der Entspannung Energie in Form von Wärme zugeführt werden. In den bisher vorgeschlagenen Prozessen zur Speicherung von Energie wird Luft aus der Atmosphäre komprimiert und in einem Hohlraum gespeichert. Dieser Hohlraum ist im großtechnischen Maßstab z. B. eine Salzkaverne. Die Drücke in solch einer Kaverne betragen je nach der Tiefe ca. 150 bis 250 bar.
Wenn ein Gas von Atmosphärendruck (~1 bar) auf 150 bar komprimiert wird, dann erfährt es eine Temperaturerhöhung Von ca. 530 Kelvin. Wenn dieses komprimierte Gas in einem Volumen von 1 m³ gespeichert wird, dann fallen bei diesem Prozess ca. 25 kWh an Wärme an. Die in der Spannung des Gases enthaltene Energie (p·V) beträgt hingegen nur ca. 4,2 kWh. Bei der vollständigen Entspannung muss wiederum die gleiche Wärmemenge zugeführt werden. Kann die bei der Kompression anfallende Wärme nicht gespeichert werden und dem Prozess bei der Entspannung wieder zugeführt werden, dann hat der Prozess einen sehr geringen Wirkungsgrad von ca. 14%, wobei sich der Wirkungsgrad aus dem Verhältnis der mechanischen Arbeit w und der gesamt aufgewendeten Energie (Wärme q plus Arbeit w) ergibt (4,2/(25 + 4,2).
Die Kompression eines Gases von Atmosphärendruck erfolgt wegen der starken Erwärmung stufenweise, wobei das Gas zwischendurch abgekühlt werden muss. Dies lässt sich am Beispiel der isothermen Kompression veranschaulichen. Die bei der isothermen Kompression anfallende Wärmemenge berechnet sich zu: q = nRT·ln(p₁/p₂ q ist die Wärmemenge, n die Gasmenge in mol, R die allgemeine Gaskonstante, T die Temperatur, p₁ der Eingangsdruck, p₂ der Ausgangsdruck.
Dies bedeutet, dass für die Kompression des Gases von 1 bar auf 10 bar genauso viel Wärme anfällt, wie von 10 bar auf 100 bar, wobei hingegen die im Gas enthaltene Kompressionsenergie p·V (p ist der Druck, V das Volumen) in der ersten Stufe um den Faktor 10 niedriger ist als in der zweiten.
Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, dass es sinnvoll wäre, zur Speicherung von Energie von einem höheren Druckniveau auszugehen.
Dies kann erreicht werden, wenn der Prozess nicht zwischen z. B. 1 bar und 150 bar sondern beispielsweise zwischen 130 bar und 150 bar stattfindet. Das bei der Entspannung anfallende Gas muss dann in einem weiteren Hohlraum gespeichert werden, wo es dann für die Kompression wieder zur Verfügung stünde. Bei diesem Prozess wäre die anfallende Wärmemenge bezogen auf 1 m3 Hohlraumvolumen 0,7 kWh und die Kompressionsenergie betrüge ca. 0,6 kWh. Der Wirkungsgrad wäre in diesem Fall 46%.
Ausführungsbeispiel
Zur Bereitstellung von Regelenergie, d. h. hohe Leistungen in kurzer Zeit für kurze Zeiträume dient das folgende Beispiel:
In einer Kaverne mit einem Hohlraumvolumen von 500 000 m3 befindet sich komprimierte Luft mit einem Druck von 150 bar. Dieses Volumen soll in kurzer Zeit auf 130 bar entspannt werden. Die Kompressionsarbeit beträgt ~278 MWh. Hiermit könnte eine Entspannungsturbine mit einer Leistung von 200 MW ca. eine Stunde betrieben werden. Die Druckänderung in der Kaverne von 20 bar läge hierbei im Rahmen dessen, was auch bei der konventionellen Erdgasspeicherung zulässig ist, ebenso die Temperaturänderung von ca. 10 Kelvin. Das entspannte Gas wird dann mit dem Druck von 130 bar in einer anderen Kaverne gespeichert, von wo aus es wieder mit relativ geringem Energieaufwand in die erste Kaverne komprimiert werden kann.

Claims

Verfahren zur Energiespeicherung in Hohlräumen, z. B. Salzkavernen, wobei zur Energiespeicherung komprimierte Luft verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Hohlraum enthaltene komprimierte Luft nicht vollständig entspannt wird, sondern nur um einen für den Prozess sinnvollen Betrag von beispielsweise 20 bar und die um diesen Betrag entspannte Luft in einer weiteren Kaverne gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Entspannungsprozess zur Erzeugung von Strom mittels einer Turbine und einem Generator genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der zweiten Kaverne gespeicherte Luft anschließend weitaus effektiver wieder auf das vorherige Druckniveau komprimiert werden kann, als dies ausgehend vom Atmosphärendruck möglich wäre.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass anstatt Luft auch andere Gase verwendet werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für bestehende Druckluftspeicher und für neue Speicherprojekte anwendbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Hohlräume variieren kann