Druckluft soll Strom speichern und erzeugen

Der wachsende Ökostromanteil und damit stärkere Schwankungen im Stromnetz lassen die Bemühungen wachsen, Systeme zur Energiepufferung zu finden. Vielversprechend ist dabei Druckluft. Neue Ansätze koppeln diese Technik mit Auftriebskräften unter Wasser.

Energy Bag heißt eine Erfindung der kanadischen Firma Thin Red Line Aerospace aus Chiliwack. Das Konzept: Druckluftspeicherung unter Wasser. Am Meeresgrund vor der Küste Schottlands, 600 m tief, sollte dazu unter der Leitung von Professor Seamus Garvey von der Universität Nottingham ein riesiger Ballon verankert werden. Zahllose Seile aus robustem Kunststoff sollten ihn am Grund halten und einer Auftriebskraft von rund 250 t widerstehen. Der Ballon selbst hat ein Gewicht von nur 75 kg.

Das Design von Entwickler Maxim de Jong basiert auf Thin Red Lines aufpumpbarer Raumfahrtausrüstung, die derzeit für zahlreiche Nasa-Programme entwickelt wird. Ein vorstellbarer Einsatzbereich etwa ist eine Sauerstoffkuppel aus Gewebe, die auf dem Mond errichtet wird.

Unterstützt wurde das Energiespeicherprojekt, das 2012 ausgelaufen ist, vom Energieerzeuger E.on. Garvey sucht derzeit nach neuen Geldgebern, nachdem in flachem Wasser gezeigt werden konnte, dass das System grundsätzlich funktioniert. Garveys Fazit nach vier Jahren Forschung: „Sicher ist, dass es rentabel ist – aber nur in großen Tiefen.“

In einer Tiefe von 600 m freilich würde bereits ein beachtlicher Druck von 60 bar herrschen. Da zur Speicherung der Druckluft nicht etwa ein starrer Unterwassertank, sondern ein flexibler Ballon benutzt wird, potenzieren sich die Auftriebskräfte der Luft darin unter dem umgebenden Wasserdruck auf den Ballon. Für die kommerzielle Nutzung will Thin Red Line Behälter von 6000 m3 anbieten.

Die Kanadier sind in diesem Sektor gut vertreten: Das Unternehmen Hydrostor benutzt einen Kompressor, der mithilfe von überschüssigem Ökostrom Druckluft erzeugt. Diese wird in große Unterwasserballons eingeleitet, die in Gewässern in Tiefen ab 80 m verankert sind (VDI nachrichten, 13/2012, S. 17). Kooperationspartner ist der örtliche Stromversorger Toronto Hydro. Ursprünglich für 2013 geplant, soll die Erstinstallation vor Toronto im Ontariosee in diesem Monat erfolgen.

Hydrostors Prinzip: Soll die Druckluft wieder in Strom zurückgewandelt werden, öffnet sich ein Ventil und die Luft strömt durch den eigenen und den umgebenden hohen Wasserdruck über den Star-Rotor-Kompressor ins Freie zurück, wobei dieser dann als Generator wirkt.

Britische Wissenschaftler arbeiten für die Energiespeicherung im Projekt ICARES (Integrated Compressed Air Renewable Energy Systems) zusammen. Ian G. Bryden vom Lehrstuhl für erneuerbare Energien an der Universität von Edinburgh hatte bereits 2010 sein Konzept im Kraftwerk Huntorf bei Elsfleth in Niedersachsen vorgestellt. Dies ist ein kombiniertes Druckluftspeicher- und Gasturbinenkraftwerk. Das Kraftwerk war bei seiner Inbetriebnahme 1978 das erste kommerziell genutzte Druckluftspeicherkraftwerk der Welt.

Brydens Plan entspricht einem Speichervolumen von 300 000 m3 in einer natürlichen Salzkaverne. Die so gespeicherte Druckluft soll in der Lage sein, zwei Stunden lang 300 MW zu liefern. Der Nachteil: Man braucht ziemlich viel Energie, um Druckluft zu erzeugen und zu speichern, und weitere Energie, um zu verhindern, dass die komprimierte und damit heiße Luft aus dem Speicher quasi oben – dekomprimiert – nur als eisiger Hauch wieder ankommt.

Unterwassersysteme wie die kanadischen sind da vielversprechender. „Man muss die Aufgabe lösen, die Energie unter Ausnutzung hydrostatischer Drücke aus Wasservolumina in Tiefen in einem Druckbehälter zu speichern“, beschreibt Dominique Thévenin, Inhaber des Lehrstuhls für Strömungstechnik und Thermodynamik an der Universität Magdeburg, die Herausforderung.

„Sofern das gesamte System unter Wasser gehalten werden kann, können problemlos große Abmessungen erreicht werden“, sagt der promovierte Ingenieur. Ein solches System hätte einen weiteren Vorteil: Laut Thévenin könnte es in der Nähe von Offshore-Windparks deponiert werden, also genau dort, wo unterschiedlich große Energiemengen erzeugt werden.

Thévenin hält engen Kontakt zu einem Magdeburger Ingenieur und Erfinder: Karl-Heinz Wiemers, der bereits eine Kombination von Magnetschwebe- und Direktantriebstechnik für den Werkzeugmaschinenbau entwickelt hat. Er will statt eines Energy Bags zur Energiespeicherung ein System aus Rohren und Speicherbehältern unter Wasser um einen zentralen Druckluftbehälter herumbauen.

Druckluft wird in der Unterwasseranlage dazu benutzt, um Wasser, das über Fallrohre in die Anlage hineinströmte, wieder über Steigrohre aus dieser hinauszudrücken. Hier werden also zusätzliche Kräfte mobilisiert, nämlich jene, die aus den Druckunterschieden in unterschiedlichen Wassertiefen resultieren.

Zwei Mechanismen sind von zentralem Interesse: Taucht man ein oben offenes Rohr unter Wasser, dann fällt Wasser hinein, bis es voll ist. Zweitens: Wenn man ein oben mit einem Ventil versehenes luftgefülltes Rohr unter Wasser hält und das Ventil öffnet, dann strömt unten so lange Wasser hinein (oben entweicht die Luft), bis das Rohr gefüllt ist.

Schafft man es, ein Bewegungssystem zu konstruieren, das aus mehreren Fall- und Aufstiegsrohren besteht, dann entsteht ein dynamisches Speichersystem unter gleichzeitiger Energieerzeugung. Denn immer da, wo es strömt, können Generatoren Strom erzeugen, mit dem dann zum Beispiel wieder die Druckluft aufgefrischt werden kann.

Wiemers System speichert also nicht statisch Druckluft wie in Unterwasserballons, sondern es nutzt die Kombination aus den Drücken der Druckluft und den Druckunterschieden in den unterschiedlichen Wassertiefen. Es erinnert fast an einen auf Basis von Wasser und Druckluft arbeitenden Organismus. Ein Verfahren zur Patenterteilung hat Wiemers bereits eingereicht.

„Die vorgestellte Erfindung umfasst die funktionelle Verknüpfung unterschiedlicher Komponenten“, fasst Professor Thévenin zusammen. „Im Unterschied zum Energy Bag ist ein solches System zwar komplexer und mit höheren Investitionen verbunden. Dafür sollte die Erfindung viel robuster sein und mehr Parametervariationen erlauben.“

Druckluft- und Wasserströme in elektrische Energie wandeln

Teilausschnitt der Wiemers-Anlage

Prinzip: Zu speichernder Strom treibt einen Kompressor an, der einen Behälter der Anlage mit Druckluft füllt. Die Rückverstromung ins Stromnetz erfolgt über Generatoren. Dieses System ist über einen Kolben mit einem Röhren-
system gekoppelt, das hydrostatische Druckunterschiede zur Stromerzeugung ausnutzt.

Assistenzsysteme: Vor allem im Wasserteil des Gesamtsystems sollen Assistenzsysteme über Seiteneinlässe möglichst viele Möglichkeiten nutzen, um das System mit zusätzlichen Generatoren noch effektiver zu machen.

Betrieb: Das System hat eine Luftseite (rote Pfeile) und eine Wasserseite (grüne Pfeile). Zu Beginn stelle man sich vor, die Druckluft presse über den Kolben Wasser durch eine Rohrverbindung aus dem Speichertank in das Steigrohr.

Dieses Druckwasser reißt Wasser aus dem Steigrohr mit sich und durchströmt – damit Strom erzeugend – den oberen Generator des Steigrohrs.

Unter dem Einfluss hydrostatischer Druckunterschiede steigt Wasser aus der Tiefe über den unteren Generator des Steigrohrs – Strom erzeugend – bis unter die Anlagenplattform auf.

Von der Wasseroberfläche aus fällt Wasser durch das sich leerende Fallrohr und dessen Generator in den Wassertank und erzeugt dabei Strom. Ist das Fallrohr leer, wird die Verbindung zwischen Fallrohr und Wassertank geschlossen. Danach kann Wasser durch die hydrostatischen Drücke über die Seiteneinlässe ins leere Fallrohr strömen, dort aufsteigen und über den Generator wiederum Strom erzeugen.

Wenn der Wassertank sich füllt, wird die Luft hinter dem Kolben als Abluft über die Abluftleitung ausgestoßen. Diese Abluft durchströmt dabei im Abluftrohr einen Generator und erzeugt Strom.

Nicht dargestellt ist eine zentrale Einrichtung, die aus öffentlichen Netzen und aus den Generatoren der Anlage Ströme übernimmt und an den Kompressor sowie weitere Nebeneinrichtungen verteilt, so dass Nutzer der Anlage durch diese mit Strom, Heizenergie und Druckluft versorgt werden. swe
Das ist das Gegenmodell zu den lokal teils heiß diskutierten Pumpspeicherkraftwerken, in denen mit überschüssigem Strom Wasser in hoch gelegene Becken gepumpt wird, das dann bei Strombedarf wieder herabströmt und Generatoren antreibt. Wiemers hingegen hat das Druckluftsystem verfeinert: Er nutzt quasi natürlich vorhandene Antriebskräfte und bringt die Anlage in einen Takt, bei dem die Drucklufterzeugung unter Wasser mit überschüssiger Energie als Initialzündungen dient. Die Druckluft ist in Wiemers System nicht das Ziel der Energiespeicherung, sondern Mittel zum Zweck, um die Anlage am Laufen zu halten.