Eine Alternative für Pumpspeicher

Eine ausgereifte Speichertechnologie, die in der Schweiz bereits seit Jahrzehnten eingesetzt wird, sind Pump­speicher. Diese wurden in der jüngeren Ver­gan­gen­heit benützt, um nachts mit Strom, der z. B. durch Kern­kraft­werke produziert wurde und wegen der niedrigen Nachfrage günstig war, Wasser aus einem unteren in ein oberes Reservoir zu pumpen. Tagsüber wurde bei hoher Nachfrage mit aus dem oberen in das untere Reservoir fliessenden Wasser vergleichs­weise teurer Strom produziert und durch die Preis­differenz ein Profit erzielt. Heute ist diese Betriebs­weise nicht mehr profitabel. Das liegt haupt­sächlich daran, dass der starke Ausbau von Sonnen- und Windenergie in Europa zu einem Zerfall der Strom­preis­differenzen geführt hat, ist aber auch darauf zurückzuführen, dass die system­dienlichen Eigenschaften von Energie­speichern wegen falscher oder fehlender Anreize nicht genügend gewürdigt werden.

In Zukunft könnten Pump­speicher tagsüber über­schüssigen Solarstrom speichern und ihn abends und nachts wieder ins Netz einspeisen. Wegen grosser Unsicher­heiten in den künftigen Strompreisen ist es nicht möglich, verlässliche Aussagen zur Profita­bilität dieser Betriebs­weise zu machen. Gekoppelt mit beträcht­lichen Kapital­kosten, Lebensdauern von rund 60 bis 80 Jahren, allfälligen Einsprachen durch Natur­schützer und möglichen Verände­rungen im Wasser­kreislauf durch den Klima­wandel resultieren hohe Investitions­risiken.

Druckluft­speicher könnten eine Alternative zu Pumpspeichern darstellen, da sie ähnliche Anlagen­effizienzen (etwa 65 bis 75% im Vergleich zu etwa 85%) erreichen und die geschätzten spezifischen Kapitalkosten unter denjenigen von Pump­speichern liegen. Zudem haben Druckluft­speicher die Vorteile, dass sie komplett unterirdisch gebaut werden können (somit sind Eingriffe in die Natur minim) und dass sie mit Luft anstelle von Wasser arbeiten, womit sie von möglichen Verände­rungen des Wasser­kreislaufs nicht betroffen sind.

Die Funktion von Druckluftspeichern

Das Funktionsprinzip von Druckluft­speichern ähnelt dem von Pump­speichern: Über­schüssiger Strom treibt über einen elektrischen Motor einen Kompressor an, der die Umgebungsluft verdichtet. Die verdichtete Luft wird in einem unter­irdischen Hohlraum gespeichert. Zu einem späteren Zeitpunkt wird die verdichtete Luft in einer Turbine expandiert, die über einen Generator Strom erzeugt. Aus der Turbine fliesst die Luft zurück in die Umgebung. Die Energie­menge, die somit gespeichert werden kann, hängt haupt­sächlich vom maxi­malen und mini­malen Luftdruck im Hohlraum und dem Hohl­raum­volumen ab.

Wenn 500 MWh an elektrischer Energie gespeichert werden sollen und der Druck im Hohlraum zwischen 70 und 100 bar variiert, wird ein Volumen von etwa 177'000 m³ benötigt. Auf den ersten Blick mag dieses Volumen gross erscheinen, aber es sollte bedacht werden, dass das Volumen der Maschinen- und Transfor­matoren­hallen des Pump­speicher­werks Linth-Limmern insgesamt rund 244'000 m³ beträgt.

Sogenannte diabatische Druckluft­speicher sind seit 1978 in Huntorf, Deutschland, und seit 1991 in McIntosh, USA, im Einsatz. Sie werden als «diabatisch» bezeichnet, weil die bei der Verdichtung entstehende Wärme an die Umgebung abgegeben wird, unter anderem weil die Salz­ablage­rungen, in denen die verdichtete Luft gespeichert wird, keine hohen Temperaturen vertragen.

Die Abgabe der Wärme bringt mehrere Nachteile mit sich. Um eine Vereisung der Turbine zu vermeiden, muss der Luft vor der Expansion wieder Wärme zugeführt werden. Wenn dies wie in den Druckluft­speichern von Huntorf und McIntosh durch die Verbrennung von Erdgas geschieht, werden Treibhaus­gase ausgestossen. (Für Huntorf wird zurzeit die Substitution von Erdgas durch Wasserstoff untersucht.) Durch die Wärme­abgabe und -zufuhr resultieren relativ niedrige Anlagen­effizienzen von 40 bis 50%.

Die oben genannten Anlagen­effizienzen von etwa 65 bis 75% können durch sogenannte adiabatische Druckluft­speicher erreicht werden. Die Bezeichnung «adiabatisch» bedeutet, dass der Luft nach der Verdichtung die Wärme entzogen, gespeichert und vor der Expansion wieder zugeführt wird. Somit entsteht ein Druckluft­speicher, der ohne die Verbrennung von Energie­trägern auskommt und keine Treib­haus­gase ausstösst.

Die Erforschung adiaba­tischer Druckluft­speicher ist seit 2014 das Ziel von mehreren Schweizer Projekten, in denen indus­trielle und akade­mische Partner zusammen­arbeiten.

Schweizer Pilotanlage

Da die Schweiz im Gegensatz zu Norddeutschland und den Südstaaten der USA über keine geeigneten Salzablagerungen verfügt, stand zuerst primär das Studium von in Fels ausgebrochenen Hohlräumen im Vordergrund. Dafür wurde in einem ehemaligen Versorgungsstollen, der bei Pollegio für den Bau des Gotthard-Basistunnels angelegt wurde, eine Pilotanlage erbaut – die weltweit erste eines adiabatischen Druckluftspeichers. Mit zwei rund 5 m dicken Betonzapfen wurde ein etwa 120 m langer Hohlraum mit einer durch­schnitt­lichen Über­lagerung von 450 m abgetrennt, der für Drücke von bis zu 33 bar ausgelegt war. Mit Ausnahme der Felsoberfläche bei den beiden Zapfen wurde der Hohlraum nicht mit Abdichtungs­folien ausgerüstet. Aus Kosten­gründen wurde auf die Installation einer Turbine und eines Generators verzichtet.

Ebenfalls von Interesse war das Studium von Wärmes­peichern bei diesen Drücken. Im Hohlraum wurden deshalb zwei Wärmespeicher untergebracht, die mit Hilfe von Kieselsteinen und einer in Stahlröhren abgefüllten Aluminium-Kupfer-Silizium-Legierung Wärme speicherten. Das Unter­bringen der Wärme­speicher im Hohlraum ist vorteilhaft, weil deren Struktur damit keinen Druck­differenzen widerstehen muss und somit einfacher und günstiger ist. Bei den Versuchen mit Temperaturen von bis zu 550°C konnte gezeigt werden, dass sich die Wärmespeicher wie von den Modellen vorher­gesagt verhielten und dass, falls die Pilotanlage mit einer Turbine ausgerüstet gewesen wäre, die Anlagen­effizienz 63 bis 74% betragen hätte. Dass diese Werte sehr nahe an den theoretischen Werten von 65 bis 75% lagen, wurde als vielversprechend erachtet und Folgeprojekte wurden lanciert.

Im ersten Folgeprojekt wurden zweistufige Druckluft­speicher, die mit beste­hen­den indus­triellen Kompres­soren und Turbinen ausgerüstet waren, durch Simulationen studiert. Das Unterteilen der Verdichtung und Expansion in je zwei Stufen, mit einem Hohlraum und einem oder mehreren Wärme­speichern pro Stufe, führt zu niedrigeren Maximal­tempe­raturen. Wenn der Druck im ersten Hohlraum (dem sogenannten Nieder­druck­hohlraum) konstant bei 10 bar liegt und der maximale Druck im zweiten Hohlraum (dem sogenannten Hoch­druck­hohlraum) 100 bar beträgt, wird eine Maximal­tempe­ratur von etwa 320°C erreicht. Würde in einer Stufe auf 100 bar verdichtet, würde die Maximal­tempe­ratur etwa 950°C betragen. Durch die niedrigeren Tempe­raturen können günstigere Materialien eingesetzt und die Anfahrzeiten verkürzt werden. Kurze Anfahrzeiten sind wichtig, damit Druckluft­speicher auch im Sekun­där­regel­markt teilnehmen und ihre Profita­bilität erhöhen können. Die Simulationen, in denen die Massenstrom- und Druck­abhän­gigkeit der Kompressoren- und Turbinen­effizienzen berücksichtigt wurden, zeigten, dass bestehende Kompressoren und Turbinen eingesetzt werden und auch unter realistischen Betriebs­bedingungen zu Anlagen­effizienzen von 65 bis 75% führen können. Die Simulationen zeigten auch, dass die Teilnahme im Sekundär­regelmarkt durchaus realistisch ist, bei kurzen Betriebs­dauern aber zu Einbussen in der Anlagen­effizienz führen kann. Weitere Unter­suchungen zum Verhalten von Druckluft­speichern im Sekundär­regel­markt sind notwendig.

Es muss abgedichtet werden

Die Versuche mit der erwähnten Pilotanlage zeigten auch, dass zwischen den Zapfen und der Felsoberfläche Luft entwich. In einem zweiten Folgeprojekt wurde deshalb untersucht, wie bestehende Abdichtungsfolien benützt werden können, um Luftverluste aus Hohlräumen von Druckluft­speichern zu vermeiden. Die Labor­unter­suchungen bei 40°C und bis zu 100 bar ergaben, dass bestehende 3 mm dicke Folien ausreichend dicht sind. Die Unter­suchungen zeigten auch, dass die Folien bei hohen Drücken durch Unebenheiten, die beim Ausbrechen der Hohlräume entstehen, durchbohrt werden können. Deshalb wurde ein mehr­schichtiges Abdichtungs­konzept entwickelt, in welchem zuerst rund 5 cm feinkörniger Spritzbeton auf den Fels aufgetragen wird, gefolgt von einer 1,4 cm dicken Gummi­schutz­matte und der Folie. Dieses Konzept sollte nun mit Hilfe eines kleinen, speziell für diesen Zweck konstruierten Hohlraums unter realistischen Betriebs­bedingungen getestet werden. Mit Unterstützung von Armasuisse Wissenschaft & Technologie wird bald die Auslegung und Konstruktion des Hohlraums untersucht.

Geeignete Standorte

Neben den Abdichtungsfolien wurden im zweiten Folgeprojekt noch zwei weitere Aspekte untersucht: Wo in der Schweiz Druckluftspeicher gebaut werden könnten und wie deren Maschinenhalle und Speicher­hohlräume aus geomecha­nischer Sicht ausgelegt werden sollten. Bezüglich des Standorts ist es sinnvoll, zunächst Gebiete zu berücksichtigen, die in der Nähe der Oberfläche Gesteine sehr guter Qualität aufweisen. Das Grimselgebiet ist von besonderem Interesse, weil wegen des Nagra-Felslabors und den Anlagen der Kraftwerke Oberhasli Daten zur Geologie des Untergrunds gesammelt wurden und ein Druckluftspeicher an das bestehende Übertragungs­netz angeschlossen werden könnte.

Mit Hilfe vom Online-Geo­informations­system des Bundes wurden vier Standorte in der Nähe des Grimselpasses untersucht. Die Standorte wurden unter anderem so gewählt, dass sich der Zugang in steilem Gelände befindet, damit die notwendige Überlagerung rasch erreicht wird und so der Zugangsstollen möglichst kurz ist.

An den Standorten wurden für einen Druckluftspeicher zur Speicherung von 500 MWh elektrischer Energie und einem maximalen Druck von 100 bar die Hohlräume, die Maschinenhalle und die Zugangs­stollen ausgelegt. Für den Hoch­druck­hohlraum wurden ein Schacht und eine Kaverne untersucht. Die geschätzten Rohbaukosten bewegen sich zwischen 70 und 81 Mio. CHF. Zusammen mit den anderen Komponenten der Anlagen betragen die geschätzten Kapitalkosten des Druckluft­speichers etwa 150 Mio. CHF.

Eine gute Alternative

Abschliessend lässt sich festhalten, dass Druckluft­speicher eine viel­verspre­chende Alternative zu Pump­speichern darstellen. Dank den Untersu­chungen mit der Pilotanlage bei Pollegio konnte gezeigt werden, dass Druckluft­speicher eine ähnlich hohe Effizienz wie Pumpspeicher aufweisen.

Aufgrund der bisherigen Arbeiten scheinen die Kapitalkosten von Druckluft­speichern deutlich unter denjenigen von Pumpspeichern zu liegen. Da Druckluft­speicher komplett unterirdisch gebaut werden können, werden sie wahrscheinlich auf geringere Widerstände stossen als der Bau oder der Ausbau von Pumpspeichern.

Der Bau des weltweit ersten adiabatischen Druckluft­speichers in der Schweiz wäre eine Pionierleistung, die dem Bau des weltweit ersten diabatischen Druckluft­speichers in Huntorf durch die damalige BBC gleichkommen würde. Die dafür notwendige Expertise, vom Ausbruch der Hohlräume über die Turbo­maschinen bis zur elektro­technischen Ausrüstung, ist allesamt in der Schweiz vorhanden.

Folgende Personen haben zu den in diesem Artikel beschriebenen Arbeiten beigetragen: Amberg Engineering: Felix Amberg, Franz Pacher; BKW: Michel Arnal, Adrian Kammer; EPFL: Selmar Binder, Sophia Haussener; ETH: Georgios Anagnostou, Viola Becattini, Alice Brauchart, Turhan Demiray, Alexander Fuchs, Jared Garrison, Pablo Gassmann, Lukas Geissbühler, Erich Pimentel, Philipp Roos; MAN Energy Solutions Schweiz AG: Emmanuel Jacquemoud, Philipp Jenny, Martin Scholtysik; PSI: Christian Bauer, Peter Burgherr, Thomas Motmans, Chris Mutel, Warren Schenler; Sika: Yves Boissonnas, Martin Londschien; SUPSI: Jonathan Roncolato, Simone Zavattoni; Swissgrid: Jonas Mühlethaler, Angelos Selviaridis.

Die Arbeiten wurden durch das Bundesamt für Energie, das Nationale Forschungsprogramm «Energiewende» (NFP 70) des Schweizerischen Nationalfonds, das Schweizer Kompetenzzentrum für Wärme- und Elektrizitätsspeicherung (SCCER HaE) der Innosuisse und industrielle Partner unterstützt.

Auf Youtube erläutert ein Film die Versuche mit der Pilotanlage. Weitere Informationen findet man auf nfp-energie.ch/de/dossiers/191.