Eine Alternative für Pumpspeicher - Bulletin.ch
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E N E R G I E S P E I C H E R | PA N O R A M A
Speicherhohlraum in der
Pilotanlage bei Pollegio.
Eine Alternative für
Pumpspeicher
Druckluftspeicher | Das Schweizer Energiesystem ist im Wandel. Der schrittweise
Ausstieg aus der Kernenergie soll mehrheitlich durch den Ausbau von Sonnen-
energie kompensiert werden. Um den steigenden Strombedarf von Gebäuden und
der Mobilität mit der intermittierenden Sonnenenergie in Einklang zu bringen,
werden Energiespeicher benötigt. Dazu bieten sich auch Druckluftspeicher an.
A N D R E A S H A S E L B AC H E R , M AU R I Z I O B A R B ATO, G I W Z A N G A N E H
E
ine ausgereifte Speichertechno- weise nicht mehr profitabel. Das liegt verlässliche Aussagen zur Profitabilität
logie, die in der Schweiz bereits hauptsächlich daran, dass der starke dieser Betriebsweise zu machen.
seit Jahrzehnten eingesetzt Ausbau von Sonnen- und Windenergie Gekoppelt mit beträchtlichen Kapital-
wird, sind Pumpspeicher. Diese wur- in Europa zu einem Zerfall der Strom- kosten, Lebensdauern von rund 60 bis
den in der jüngeren Vergangenheit preisdifferenzen geführt hat, ist aber 80 Jahren, allfälligen Einsprachen
benützt, um nachts mit Strom, der z. B. auch darauf zurückzuführen, dass die durch Naturschützer und möglichen
durch Kernkraftwerke produziert systemdienlichen Eigenschaften von Veränderungen im Wasserkreislauf
wurde und wegen der niedrigen Nach- Energiespeichern wegen falscher oder durch den Klimawandel resultieren
frage günstig war, Wasser aus einem fehlender Anreize nicht genügend hohe Investitionsrisiken.
unteren in ein oberes Reservoir zu gewürdigt werden. Druckluftspeicher könnten eine
pumpen. Tagsüber wurde bei hoher In Zukunft könnten Pumpspeicher Alternative zu Pumpspeichern darstel-
Nachfrage mit aus dem oberen in das tagsüber überschüssigen Solarstrom len, da sie ähnliche Anlageneffizienzen
Bild: Claudio Bader
untere Reservoir fliessenden Wasser speichern und ihn abends und nachts (etwa 65 bis 75 % im Vergleich zu etwa
vergleichsweise teurer Strom produ- wieder ins Netz einspeisen. Wegen 85 %) erreichen und die geschätzten spe-
ziert und durch die Preisdifferenz ein grosser Unsicherheiten in den künfti- zifischen Kapitalkosten unter denjeni-
Profit erzielt. Heute ist diese Betriebs- gen Strompreisen ist es nicht möglich, gen von Pumpspeichern liegen. Zudem
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haben Druckluftspeicher die Vorteile, Sogenannte diabatische Druckluft- von mehreren Schweizer Projekten, in
dass sie komplett unterirdisch gebaut speicher sind seit 1978 in Huntorf, denen industrielle und akademische
werden können (somit sind Eingriffe in Deutschland, und seit 1991 in McIntosh, Partner zusammenarbeiten.
die Natur minim) und dass sie mit Luft USA, im Einsatz. Sie werden als «diaba-
anstelle von Wasser arbeiten, womit sie tisch» bezeichnet, weil die bei der Ver- Schweizer Pilotanlage
von möglichen Veränderungen des Was- dichtung entstehende Wärme an die Da die Schweiz im Gegensatz zu Nord-
serkreislaufs nicht betroffen sind. Umgebung abgegeben wird, unter ande- deutschland und den Südstaaten der
rem weil die Salzablagerungen, in denen USA über keine geeigneten Salzablage-
Die Funktion von die verdichtete Luft gespeichert wird, rungen verfügt, stand zuerst primär das
Druckluftspeichern keine hohen Temperaturen vertragen. Studium von in Fels ausgebrochenen
Das Funktionsprinzip von Druckluft- Die Abgabe der Wärme bringt meh- Hohlräumen im Vordergrund. Dafür
speichern ähnelt dem von Pumpspei- rere Nachteile mit sich. Um eine Ver wurde in einem ehemaligen Versor-
chern: Überschüssiger Strom treibt eisung der Turbine zu vermeiden, muss gungsstollen, der bei Pollegio für den
über einen elektrischen Motor einen der Luft vor der Expansion wieder Bau des Gotthard-Basistunnels angelegt
Kompressor an, der die Umgebungsluft Wärme zugeführt werden. Wenn dies wurde, eine Pilotanlage erbaut – die welt-
verdichtet. Die verdichtete Luft wird in wie in den Druckluftspeichern von Hun- weit erste eines adiabatischen Druck-
einem unterirdischen Hohlraum torf und McIntosh durch die Verbren- luftspeichers. Mit zwei rund 5 m dicken
gespeichert. Zu einem späteren Zeit- nung von Erdgas geschieht, werden Betonzapfen wurde ein etwa 120 m lan-
punkt wird die verdichtete Luft in einer Treibhausgase ausgestossen. (Für Hun- ger Hohlraum mit einer durchschnittli-
Turbine expandiert, die über einen torf wird zurzeit die Substitution von chen Überlagerung von 450 m abge-
Generator Strom erzeugt. Aus der Tur- Erdgas durch Wasserstoff untersucht.) trennt, der für Drücke von bis zu 33 bar
bine fliesst die Luft zurück in die Umge- Durch die Wärmeabgabe und -zufuhr ausgelegt war. Mit Ausnahme der Fel-
bung. Die Energiemenge, die somit resultieren relativ niedrige Anlageneffi- soberfläche bei den beiden Zapfen wurde
gespeichert werden kann, hängt haupt- zienzen von 40 bis 50 %. der Hohlraum nicht mit Abdichtungsfo-
sächlich vom maximalen und minima- Die oben genannten Anlageneffi lien ausgerüstet. Aus Kostengründen
len Luftdruck im Hohlraum und dem zienzen von etwa 65 bis 75 % können wurde auf die I nstallation einer Turbine
Hohlraumvolumen ab. durch sogenannte adiabatische Druck- und eines Generators verzichtet.
Wenn 500 MWh an elektrischer luftspeicher erreicht werden. Die Ebenfalls von Interesse war das Stu-
Energie gespeichert werden sollen und Bezeichnung «adiabatisch» bedeutet, dium von Wärmespeichern bei diesen
der Druck im Hohlraum zwischen 70 dass der Luft nach der Verdichtung die Drücken. Im Hohlraum wurden des-
und 100 bar variiert, wird ein Volumen Wärme entzogen, gespeichert und vor halb zwei Wärmespeicher unterge-
von etwa 177 000 m3 benötigt. Auf den der Expansion wieder zugeführt wird. bracht, die mit Hilfe von Kieselsteinen
ersten Blick mag dieses Volumen gross Somit entsteht ein Druckluftspeicher, und einer in Stahlröhren abgefüllten
erscheinen, aber es sollte bedacht der ohne die Verbrennung von Energie- Aluminium-Kupfer-Silizium-Legie-
werden, dass das Volumen der Maschi- trägern auskommt und keine Treibhaus- rung Wärme speicherten. Das Unter-
nen- und Transformatorenhallen des gase ausstösst. bringen der Wärmespeicher im Hohl-
Pumpspeicherwerks Linth-Limmern Die Erforschung adiabatischer raum ist vorteilhaft, weil deren Struktur
insgesamt rund 244 000 m3 beträgt. Druckluftspeicher ist seit 2014 das Ziel damit keinen Druckdifferenzen wider-
Hochspannungsnetz
Maschinenhalle Pfropfen Speicherhohlraum
Umspannwerk Kompressor Turbine
Motor/ Thermischer
Generator Speicher
Bild: SNF
Schema eines adiabatischen Druckluftspeichers. Die Pfeile zeigen die Strömungsrichtung während der Ladephase, in der die Turbine
nicht durchströmt wird. Blau bedeutet niedrige Temperaturen (ähnlich der Umgebungstemperatur), rot bedeutet hohe Temperaturen.
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erreicht. Würde in einer Stufe auf
100 bar verdichtet, würde die Maxi-
maltemperatur etwa 950 °C betragen.
Durch die niedrigeren Temperaturen
können günstigere Materialien einge-
setzt und die Anfahrzeiten verkürzt
werden. Kurze Anfahrzeiten sind wich-
tig, damit Druckluftspeicher auch im
Sekundärregelmarkt teilnehmen und
ihre Profitabilität erhöhen können. Die
Simulationen, in denen die Massen-
strom- und Druckabhängigkeit der
Kompressoren- und Turbineneffizien-
zen berücksichtigt wurden, zeigten,
dass bestehende Kompressoren und
Turbinen eingesetzt werden und auch
unter realistischen Betriebsbedingun-
Sensibel-latenter thermischer Speicher in der Pilotanlage bei Pollegio. Links ist der mit gen zu Anlageneffizienzen von 65 bis
Kieselsteinen gefüllte sensible Speicher, rechts der latente Speicher zu sehen. Der sen- 75 % führen können. Die Simulationen
sible Speicher ist 3,1 m hoch, 9,9 m lang und 4 m breit. Der latente Speicher ist etwa 1,5 m zeigten auch, dass die Teilnahme im
hoch, lang und breit. Sekundärregelmarkt durchaus realis-
tisch ist, bei kurzen Betriebsdauern
aber zu Einbussen in der Anlageneffizi-
stehen muss und somit einfacher und bestehenden industriellen Kompresso- enz führen kann. Weitere Untersu-
günstiger ist. Bei den Versuchen mit ren und Turbinen ausgerüstet waren, chungen zum Verhalten von Druckluft-
Temperaturen von bis zu 550 °C konnte durch Simulationen studiert. Das speichern im Sekundärregelmarkt sind
gezeigt werden, dass sich die Wärme- Unterteilen der Verdichtung und notwendig.
speicher wie von den Modellen vorher- Expansion in je zwei Stufen, mit einem
gesagt verhielten und dass, falls die Hohlraum und einem oder mehreren Es muss abgedichtet werden
Pilotanlage mit einer Turbine ausge- Wärmespeichern pro Stufe, führt zu Die Versuche mit der erwähnten Pilot-
rüstet gewesen wäre, die Anlageneffizi- niedrigeren Maximaltemperaturen. anlage zeigten auch, dass zwischen
enz 63 bis 74 % betragen hätte. Dass Wenn der Druck im ersten Hohlraum den Zapfen und der Felsoberfläche
diese Werte sehr nahe an den theoreti- (dem sogenannten Niederdruckhohl- Luft entwich. In einem zweiten Folge-
schen Werten von 65 bis 75 % lagen, raum) konstant bei 10 bar liegt und der projekt wurde deshalb untersucht, wie
wurde als vielversprechend erachtet maximale Druck im zweiten Hohlraum bestehende Abdichtungsfolien benützt
und Folgeprojekte wurden lanciert. (dem sogenannten Hochdruckhohl- werden können, um Luftverluste aus
Im ersten Folgeprojekt wurden zwei- raum) 100 bar beträgt, wird eine Maxi- Hohlräumen von Druckluftspeichern
stufige Druckluftspeicher, die mit maltemperatur von etwa 320 °C zu vermeiden. Die Laboruntersuchun-
RÉSUMÉ
Une alternative au stockage par pompage-turbinage
Stockage par air comprimé
Le système énergétique suisse est en pleine mutation. installations de stockage par air comprimé semblent être
L’abandon progressif de l’énergie nucléaire devra être prin- nettement inférieurs à ceux des systèmes reposant sur le
cipalement compensé par l’expansion de l’énergie photo- pompage-turbinage. Étant donné que les systèmes de stoc-
voltaïque. Afin de pouvoir répondre à la demande d’électri- kage par air comprimé peuvent être construits entièrement
cité croissante des secteurs du bâtiment et des transports au sous terre, ils sont aussi susceptibles de rencontrer moins
moyen de l’énergie solaire fournie de manière intermit- d’opposition que la construction ou l’expansion d’installa-
tente, il sera nécessaire d’avoir recours à des systèmes de tions de pompage-turbinage.
stockage d’énergie. Le stockage par air comprimé pourrait La construction en Suisse de la première installation de
aussi être utilisé à cette fin, car il s’agit d’une alternative pro- stockage par air comprimé adiabatique au monde ferait of-
metteuse au stockage par pompage-turbinage. fice de performance pionnière au même titre que la
Grâce à des études menées sur une installation pilote à construction à Huntorf, en Allemagne, de la première ins-
Bild: Viola Becattini
Pollegio, il a été possible de montrer que les systèmes de tallation de stockage par air comprimé diabatique au
stockage par air comprimé affichaient un rendement aussi monde. De plus, l’expertise nécessaire, de l’excavation des
élevé que le stockage par pompage-turbinage. Sur la base cavités aux équipements électrotechniques en passant par
des travaux réalisés à ce jour, les coûts d’investissement des les turbomachines, est disponible en Suisse. NO
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gen bei 40 °C und bis zu 100 bar erga- Mit Hilfe vom Online-Geoinforma- Der Bau des weltweit ersten adiabati-
ben, dass bestehende 3 mm dicke tionssystem des Bundes wurden vier schen Druckluftspeichers in der
Folien ausreichend dicht sind. Die Standorte in der Nähe des Grimselpas- Schweiz wäre eine Pionierleistung, die
Untersuchungen zeigten auch, dass die ses untersucht. Die Standorte wurden dem Bau des weltweit ersten diabati-
Folien bei hohen Drücken durch Un unter anderem so gewählt, dass sich schen Druckluftspeichers in Huntorf
ebenheiten, die beim Ausbrechen der der Zugang in steilem Gelände befin- durch die damalige BBC gleichkom-
Hohlräume entstehen, durchbohrt det, damit die notwendige Überlage- men würde. Die dafür notwendige
werden können. Deshalb wurde ein rung rasch erreicht wird und so der Expertise, vom Ausbruch der Hohl-
mehrschichtiges Abdichtungskonzept Zugangsstollen möglichst kurz ist. räume über die Turbomaschinen bis
entwickelt, in welchem zuerst rund An den Standorten wurden für einen zur elektrotechnischen Ausrüstung, ist
5 cm feinkörniger Spritzbeton auf den Druckluftspeicher zur Speicherung allesamt in der Schweiz vorhanden.
Fels aufgetragen wird, gefolgt von von 500 MWh elektrischer Energie
einer 1,4 cm dicken Gummischutz- und einem maximalen Druck von
matte und der Folie. Dieses Konzept 100 bar die Hohlräume, die Maschi- Autoren
sollte nun mit Hilfe eines kleinen, spe- nenhalle und die Zugangsstollen aus- Dr. Andreas Haselbacher war Senior Research Scientist an
der ETH Zürich.
ziell für diesen Zweck konstruierten gelegt. Für den Hochdruckhohlraum JJ ETH Zürich, 8092 Zürich
Hohlraums unter realistischen wurden ein Schacht und eine Kaverne JJ haselbac@ethz.ch
Betriebsbedingungen getestet werden. untersucht. Die geschätzten Rohbau- Prof. Dr. Maurizio Barbato ist Leiter des Thermo-Fluid
Mit Unterstützung von Armasuisse kosten bewegen sich zwischen 70 und dynamik Labors am SUPSI.
Wissenschaft & Technologie wird bald 81 Mio. CHF. Zusammen mit den JJ SUPSI, 6962 Lugano-Viganello
JJ maurizio.barbato@supsi.ch
die Auslegung und Konstruktion des anderen Komponenten der Anlagen
Hohlraums untersucht. betragen die geschätzten Kapitalkos- Dr. Giw Zanganeh ist Consultant bei ALACAES.
JJ ALACAES SA, 6710 Biasca
ten des Druckluftspeichers etwa JJ giw.zanganeh@alacaes.com
Geeignete Standorte 150 Mio. CHF.
Neben den Abdichtungsfolien wurden Folgende Personen haben zu den in diesem Artikel
beschriebenen Arbeiten beigetragen: Amberg Engineering:
im zweiten Folgeprojekt noch zwei Eine gute Alternative Felix Amberg, Franz Pacher; BKW: Michel Arnal, Adrian
weitere Aspekte untersucht: Wo in der Abschliessend lässt sich festhalten, Kammer; EPFL: Selmar Binder, Sophia Haussener; ETH:
Georgios Anagnostou, Viola Becattini, Alice Brauchart,
Schweiz Druckluftspeicher gebaut dass Druckluftspeicher eine vielver- Turhan Demiray, Alexander Fuchs, Jared Garrison, Pablo
werden könnten und wie deren Maschi- sprechende Alternative zu Pumpspei- Gassmann, Lukas Geissbühler, Erich Pimentel, Philipp
nenhalle und Speicherhohlräume aus chern darstellen. Dank den Untersu-
Roos; MAN Energy Solutions Schweiz AG: Emmanuel
Jacquemoud, Philipp Jenny, Martin Scholtysik; PSI:
geomechanischer Sicht ausgelegt wer- chungen mit der Pilotanlage bei Christian Bauer, Peter Burgherr, Thomas Motmans, Chris
den sollten. Bezüglich des Standorts ist Pollegio konnte gezeigt werden, dass Mutel, Warren Schenler; Sika: Yves Boissonnas, Martin
Londschien; SUPSI: Jonathan Roncolato, Simone Zavattoni;
es sinnvoll, zunächst Gebiete zu Druckluftspeicher eine ähnlich hohe Swissgrid: Jonas Mühlethaler, Angelos Selviaridis.
berücksichtigen, die in der Nähe der Effizienz wie Pumpspeicher aufweisen.
Die Arbeiten wurden durch das Bundesamt für Energie,
Oberfläche Gesteine sehr guter Quali- Aufgrund der bisherigen Arbeiten das Nationale Forschungsprogramm «Energiewende» (NFP
tät aufweisen. Das Grimselgebiet ist scheinen die Kapitalkosten von Druck- 70) des Schweizerischen Nationalfonds, das Schweizer
von besonderem Interesse, weil wegen luftspeichern deutlich unter denjeni- Kompetenzzentrum für Wärme- und Elektrizitätsspeiche-
rung (SCCER HaE) der Innosuisse und industrielle Partner
des Nagra-Felslabors und den Anlagen gen von Pumpspeichern zu liegen. Da unterstützt.
der Kraftwerke Oberhasli Daten zur Druckluftspeicher komplett unterir-
Geologie des Untergrunds gesammelt disch gebaut werden können, werden Unter youtu.be/Ld729wE-iAQ kann ein Film über die
Versuche mit der Pilotanlage angesehen werden. Weitere
wurden und ein Druckluftspeicher an sie wahrscheinlich auf geringere Informationen sind unter nfp-energie.ch/de/dossiers/191
das bestehende Übertragungsnetz Widerstände stossen als der Bau oder erhältlich.
angeschlossen werden könnte. der Ausbau von Pumpspeichern.
Wir unterstützen Sie kompetent in den Bereichen:
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