Verbundprojekt "Stromspeicherung über adiabatische Luftkompression"

Der Einbezug fluktuierender erneuerbarer Energiequellen in die Energieversorgung erfordert grosse Stromspeicher, welche die Netzstabilität gewährleisten und Angebot und Nachfrage in Einklang bringen. Gemessen an der Leistung erfolgt die aktuelle Stromspeicherung weltweit zu 99 Prozent mittels Pumpspeicherkraftwerken. Die Hauptvorteile von PSW sind ein hoher Wirkungsgrad von 80-90 Prozent, eine vergleichsweise geringe Umweltbelastung bezüglich Klimaerwärmung und ein gutes Verhältnis zwischen gespeicherter und eingesetzter Energie. Hauptnachteile sind die Opposition der Umweltschutzkreise, standortabhängige Kosten für die Anlage und Unsicherheiten bezüglich der Rentabilität in Märkten mit einem hohen Anteil fluktuierender erneuerbarer Energiequellen. Eine Alternative zu PSW sind diabatische Druckluftspeicherkraftwerke (KLSKW), die sich in Huntorf, Deutschland (321 MWel, seit 1978) und McIntosh, USA (110 MWel, seit 1991) bewährt haben. Diese beiden Anlagen speichern die komprimierte Luft in Salzkavernen. Der Hauptnachteil von diabatischen KLSKW ist ein niedriger Wirkungsgrad von 45-50 Prozent, da Kompressionswärme abgeleitet wird und diese später durch die Verbrennung fossiler Energieträger wieder zugeführt werden muss. Adiabatische KLSKW speichern die Kompressionswärme in einem Wärmespeicher (thermal energy storage, TES), weshalb keine fossilen Brennstoffe notwendig sind und ein Wirkungsgrad von 65-75 Prozent erreicht wird.

Die Untersuchung adiabatischer KLSKW mit einer kombinierten Speicherung von sensibler und latenter Wärme in Felskavernen durch Simulationen und Experimente sowie Durchführung einer Nachhaltigkeitsbewertung mit Blick auf wirtschaftliche und ökologische Faktoren.

1. Die technische Machbarkeit von adiabatischen KLSKW wurde durch Experimente mit der weltweit ersten Pilotanlage nachgewiesen. In der Anlage wurde die Speicherung mit kombinierter sensibler und latenter Wärme in einer Felskaverne durchgeführt und ein Wirkungsgrad von 63-74 Prozent erreicht.
2. Die kombinierte Wärmeenergiespeicherung wurde bei Temperaturen von bis zu 566°C getestet. Durch den latenten Teil verringerte sich der Temperaturabfall während der Entladung.
3. Die Zersetzung der verkapselten Phasenwechsel-Materialien (PCM) wurde experimentell und numerisch beschrieben und es wurden Vermeidungsstrategien auf der Grundlage einer Diffusionsbarriere aus Keramik entwickelt.
4. Es wurde ein numerisches Modell entwickelt, welches das dynamische Verhalten einer vollständigen adiabatischen KLSKW-Anlage simuliert. Bestandteil des Modells sind realistische Teilmodelle für die Hauptkomponenten der Anlage.
5. 5. Adiabatische KLSKW und PSW schneiden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Klimaerwärmung und die Ökosysteme ähnlich ab. Die Wirtschaftlichkeit von adiabatischen KLSKW-Anlagen hängt stark von den zugrunde gelegten Annahmen ab.

Bedeutung für die Forschung

1. Ein adiabatisches KLSKW ist technisch machbar. Es braucht jedoch weitere Experimente zur Dichtheit der Kavernen und langfristige Temperaturzyklus-Tests für die Wärmespeicher.
2. Die Modellierung zeigt, dass Gleitdruckbetrieb den Wirkungsgrad der Anlage erhöht, aber für den Betrieb mit bestehenden Turbinen problematisch sein kann.
3. Alternative Verkapselung/PCM-Kombinationen sollten untersucht werden, um abzuklären, ob sich durch zusätzliche oder andere Ansätze die Materialzersetzung vermeiden oder reduzieren lässt.

Bedeutung für die Praxis

1. Der geringere Temperaturabfall bei der Entladung der kombinierten Wärmespeicherung vereinfacht den Turbinenbetrieb in einer adiabatischen KLSKW-Anlage.
2. Die Wirtschaftlichkeit von adiabatischen KLSKW-Anlagen muss weiter untersucht werden.
3. Die Strategien zur Vermeidung der Materialzersetzung in Verkapselung/PCM-Systemen können auf weitere Industrieprozesse angewendet werden.

High-Temperature Combined Sensible/Latent-Heat Storage Based on Novel Materials for Electricity Storage Using Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage

Zu diesem Verbund gehören folgende drei Forschungsprojekte

Design and Optimization of High-Temperature Combined Sensible/Latent-Heat Storage

• Dr. Andreas Haselbacher, Departement für Maschinenbau und Verfahrenstechnik, ETH Zürich; Dr. Peter Burgherr

Analysis of AA-CAES cycles exploiting Combined Sensible/Latent Thermal Energy Storage and Novel Materials

• Dr. Maurizio Barbato, Dipartimento Tecnologie Innovative (DTI), Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana, Manno; Dr. Peter Burgherr, Paul Scherrer Institut

Aluminium-silicon based phase change material structures for high-temperature latent heat storage

• Prof. Sophia Eva Martha Haussener, Laboratoire de la science et de l'ingénierie de l'énergie renouvelable, EPF Lausanne; Dr. Peter Burgherr, Prof. Andreas Mortensen, Dr. Ludger Weber