Untertage Pumpspeicherung (UPS) mittels Sole und Druckluft - Socon, Giesen 22. November 2012 Wolfgang Littmann Consulting Reservoir Engineering

Untertage Pumpspeicherung (UPS)
    mittels Sole und Druckluft

                Socon, Giesen
              22. November 2012

               Wolfgang Littmann
        Consulting Reservoir Engineering

• Einführung

• Wärmelehre / Thermodynamik

• Joule-Thomson

• Energiespeicherung mit komprimierten Gasen

• Pumpspeicherung

Leistung eines Windrades
    1
N      A  v3
    2
  Dichte , A  Rotorfläch e, v  Windgeschw indigkeit

                               Rotor-Radius/m             Bft.            m/s   Leistung /MW
                               50                         3                 6             0.1
                                                          5                10             0.7
                                                          7                14             1.9
                               100                        3                 6             0.6
                                                          5                10             2.7
                                                          7                14             7.5
                               theoretische Leistung mit Wirkungsgrad 1

Herausforderung Energiespeicherung

• Der Wind weht wo er will, und du hörst sein Sausen, aber du weißt
  nicht, woher er kommt und wohin er geht. (Johannes 3.8)

• Der Wind weht wann er will und wohin er will.... (Franz Josef Strauß)

Salzstöcke in Norddeutschland

                   Die zahlreichen Salzstöcke
                   in Norddeutschland und die
                   Erfahrungen mit
                   Salzkavernen legen eine
                   Energiespeicherung nahe.

Energiespeicherung

• Bei den nachfolgenden Prozessen zur groß-skaligen
  Energiespeicherung spielt die Umwandlung von Energie von einer
  Form in eine andere eine wesentliche Rolle.

• Deshalb werden zunächst einige einfache Betrachtungen zur
  Energieerhaltung und – umwandlung vorausgeschickt.

Energiespeicherung

• Energiehaltungssatz (1. Hauptsatz der Thermodynamik)

• Begriffe Wärme und Arbeit

Thermodynamik

Wat is‘n Dampfmaschin ?

Thermodynamik
Wat is‘n Dampfmaschin ?

Diese Frage wurde 1824 von Sadi
Carnot in einer Monographie
„Reflexions sur la Puissance du Feu“
analysiert.

Wärme

•   Die Erwärmung eines homogenen Körpers der Masse m um eine bestimmte
    Temperatur ΔT erfordert die Wärmemenge q.

                         q  c  m  T
    q = Wärmemenge          J
    m = Masse               kg
    c = spez. Wärme         kg/J/K
    ΔT = Temperatur         K

Energieerhaltung
                                     In einem abgeschlossenen System ist
                                     die gesamte Energie konstant.

Mechanische Energie (Arbeit), elektrische
Energie, chemische Energie und Wärme
sind äquivalent.

Energieerhaltungssatz bei Gasen

•   Bei festen und flüssigen Stoffen spielt die Kompressibilität bei der
    Wärmeübertragung eine unwesentliche Rolle und braucht meistens nicht
    berücksichtigt zu werden.

•   Anders bei Gasen. Die Wärmekapazitäten unterscheiden sich deutlich,
    wenn der Prozess bei konstantem Volumen oder bei konstantem Druck
    durchgeführt wird.

Die Wärmekapazität von Gasen

•   Wärmekapazität bei konstantem Volumen Cv

                              Wird einem Gas bei konstantem
                              Volumen Wärme zugeführt so erhöht
        V = const.            sich die Temperatur.

                                   dqv  U 
                              Cv         
                                   dT  T v

                              Gleichzeitig erhöht sich entsprechend der
                              Druck.

Die Wärmekapazität von Gasen

•   Wärmekapazität bei konstantem Druck Cp

                              Wird einem Gas bei konstantem Druck
                              Wärme zugeführt so erhöht sich nur
               P = const.     die Temperatur.

                                     dq p
                                       (U  pV ) 
                              Cp                
                                   dT     T      p

                              Der Druck bleibt konstant, das Gas leistet
                              Arbeit durch Verschieben des Kolbens.

Mechanische Arbeit

•   Arbeit = Kraft x Weg                              w  F s
•   Druck = Kraft / Fläche                            pF/A

•   Volumenarbeit = Druck x Volumen               p V  F / A V  F  s

•   Einheit ist Joule      1 J  1 Ws  1 / 3600 Wh
                           1 kWh  3.6 106 J

Fazit

•   Wird ein Gas komprimiert oder expandiert es, dann wird an dem Gas Arbeit
    verrichtet oder das Gas verrichtet Arbeit.

•   Dieser Arbeit entsprechend wird dem Gas Energie als Wärme zugeführt,
    das Gas erwärmt sich oder kühlt entsprechend ab.

•   Dieses, dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik geschuldete Verhalten, wird
    irrtümlich oft als Joule-Thomson-Effekt bezeichnet.

Joule-Thomson

•   JT haben postuliert, dass ein Gas, wenn es expandiert und keine Arbeit
    verrichtet, sich nicht abkühlen darf.

•   Sie haben ein entsprechendes Experiment durchgeführt, bei dem ein Gas in
    ein Vakuum expandiert. Hierbei kann ein Gas keine Arbeit verrichten.

•   In ihrem Experiment hat sich das Gas jedoch trotzdem abgekühlt.

•   Dies erklärt sich dadurch, dass bei der Expansion eines realen Gases Arbeit
    gegen die inneren Kräfte verrichtet wird, die das Gas zusammenhalten.

Zustandsgleichung

                       p V  z  n  R  T

•   p   Druck                 [Pa]
•   V   Volumen               [m3]
•   z   Realgasfaktor
•   n   Anzahl Mole
•   R   Gaskonstante = 9.81   [J/K/mol]
•   T   Temperatur             [K]

z-Faktor

Erdgas              Wasserstoff

Joule-Thomson

•   Im Prinzip ist der JT-Koeffizient der Unterschied in der Temperaturänderung
    bei der Expansion/Kompression zwischen einem realen und idealen Gas.

•   Der JT-Koeffizient bzw. sein Vorzeichen korreliert mit der Steigung des z-
    Faktors. Phasenverhalten und kritische Daten dürfen hierbei allerdings nicht
    ignoriert werden.

Druckluftspeicher

•   Zur Kompression eines Gases wird Energie benötigt.

•   Diese Energie kann im Gas als Kompressionsarbeit pV gespeichert werden.

•   Es ist daher naheliegend diesen Prozess zur Energiespeicherung zu
    verwenden.

•   Allerdings wird im gleichen Ausmaß Wärme erzeugt, die zu einer
    Temperaturerhöhung des Gases führt. Diese Wärme wird in den meisten
    Fällen an die Umgebung abgegeben und lässt sich schlecht speichern

Temperaturänderung

Berechnung der
Temperaturänderung von Luft:

                                                   ( 1) / 
                                        p2 z1 
                               T2  T1        
                                         p z
                                        1 2

                                 C p / Cv  1.4
                               z1  z 2  1

Beispiele

Kompression Luft:     Fön:                 Dieselmotor:
                      3000 m  500 m       1 bar  1000 bar
  1  150 bar         740 hPa  1000 hPa   T1:    20 °C
  T1: 20 °C           T1:   0 °C

  – T2:     ~630 °C     – T2:    ~18 °C      – T2:        ~1 200°C

Druckluftspeicherung in Salzkavernen

•   Möchte man hoch komprimierte Luft entsprechend dieser Beispiele in
    kurzer Zeit in Salzkavernen speichern hat man die Probleme

     – hohe Druckänderung in kurzer Zeit (~ 8 – 24 h)

     – hohe Temperaturänderungen

•   Dies ist den Bohrungen und Kavernen nicht zuträglich.

Lösungsansatz Adele

          Druckluftspeicherprojekt
          ADELE

          Die bei der Kompression entstehende
          Wärme wird oberirdisch bei hohen
          Temperaturen (~600 °C) gespeichert.

          Speicherenergie ~1 000 MWh

Kompressionswärme

•   Die Kompression eines Gases soll isotherm erfolgen, d.h. die Temperatur
    bleibt konstant. Dies wird durch Kühlung des Gases bei der Kompression
    erreicht.

•   Die bei der Kompression eines idealen Gases anfallende Wärme berechnet
    sich dann zu

                         q  nRT ln  p2 p1 

•   d.h. die bei der Kompression anfallende Wärmemenge hängt stark vom
    Kompressionsverhältnis ab.

Kompressionswärme

•   Möchte man die Erzeugung von Wärme minimieren, so muss man das
    Kompressionsverhältnis klein halten

•   Andererseits ist pV zu maximieren.

•   Um ein kleines Kompressionsverhältnis zu erreichen, aber ein großes pV
    kann man den Prozess beispielsweise zwischen 250 und 150 bar fahren.

•   Hierzu ist allerdings ein 2. Speicherraum erforderlich.

Beispiel

                       Δp = 185 – 95 bar
                       ΔT = 60 – 5 °C
                       q = 1.25 Mio. m3(Vn)/h
         Δp = 15 bar   N ~ 30 MW

                       Wirkungsgrad ~ 60 %
                       (abhängig vom Wärmefluss
                       in Kavernen und Bohrungen
                       und der Arbeitsmaschine)

pmax = 220 bar
                                                   pmin = 60 bar
Pmin = 200bar
                                                   Pmax = 80 bar
V = 500 000 m3
                                                   V    = 500 000 m3
Vn = 110 Mio. m3
                                                   Vn   = 40 Mio. m3
ΔT = 10 °C
                                                   ΔT   = 25 °C

                                 Luft/Gas

Zusammenfassung

•   Der Vorteil liegt in der „moderaten“ Beanspruchung der Kavernen und
    Bohrungen.

     – Temperaturänderung in den Kavernen ca. 10 – 20 °C.
     – Druckänderungen ca. 20 - 30 bar.

•   Es ergeben sich daher keine besonderen Einschränkungen bezüglich der
    Kavernenteufen.

•   Eine Umsetzung kann in vorhandenen Kavernen erfolgen.

•   Es ist Kissengas als Investition erforderlich.

Pumpspeicherwerke

•   In Pumpspeicherwerken lässt sich Energie mit hohem Wirkungsgrad (bis
    95%) speichern.

                                                                      Quelle efzn

Kennzahlen Pumpspeicher

Quelle: Wikipedia

Untergrund-Pump-Speicher
•   Der Platz für Pumpspeicherwerke ist begrenzt.

•   Es wurde daher vorgeschlagen, Pumpspeicherwerke in aufgelassenen
    Bergwerken zu bauen.

                                                    Quelle efz

Untergrund Pump-Speicher

Untergrund Pump-Speicher

UPS in Salzkavernen

                Sole

                Luft (p > hydrostatisch

Beispiel

Energie und Leistung

•   Der Energieinhalt ist durch das Volumen und die Höhendifferenz gegeben.

•   Die Leistung wird durch den Durchmesser der Rohre bestimmt.

•   Wenn kurzzeitige hohe Leistungen erforderlich wären, könnten diese durch
    hohe Raten im Gas erreicht werden.

Herausforderungen

•   Gesättigte Sole – Salzausfällungen

•   Lufteinlösung - Kavitation

•   Korrosion

•   Große Bohrungsdurchmesser

•   Kavernenstabilität

The End

          Google Earth
          Bohrtürme in Etzel