Konstruktion einer elektrischen Zusatzheizung sowie
Messwerterfassung und Regelung eines adiabaten
Luftspeicherkraftwerks im Labormaßstab

von: Nils-Henrik Schirmeisen

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

1.1 Problemstellung 1
1.2 Zielsetzung dieser Arbeit  2

2 Prinzip des Luftspeicherkraftwerkes  3

2.1 Diabates Luftspeicherkraftwerk  4
2.2 Adiabates Luftspeicherkraftwerk 5
2.3 Wärmespeicher  7

3 Demonstrator im Labormaßstab  9

3.1 Bestandteile des Labordemonstrators  9
3.2 Funktionsweise und Betriebszustände des Labordemonstrators  10
3.3 Aufbau und Konzept des Wärmespeichers 12

4 Messwerterfassung 15

4.1 Positionierung der Messwertaufnehmer 15
4.2 Messwertverarbeitung  20

5 Skalierung der Daten auf eine Anlage im Großmaßstab 22

5.1 Programmoberfläche 22
5.2 Berechnungsgrundlagen  23

5.2.1 Verdichter  23
5.2.2 Expander  24

6 Konstruktion der elektrischen Zusatzheizung  26

6.1 Anforderungen an die Konstruktion  26
6.2 Angewendetes Lösungsprinzip 26
6.3 Regelung der elektrischen Leistung 28
6.4 Grundlagen zur Berechnung des Wärmeübertragers  29

6.4.1 Bestimmung des Temperaturgradienten 29
6.4.2 Druckabfall durch Strömungsverluste im Heizrohr  32
6.4.3 Leistung der elektrischen Heizung  32

6.5 Ergebnisse der Berechnung  33

7 Zusammenfassung und Ausblick 35

8 Literaturverzeichnis  37

Anhang

A1 Stoffdaten Luft A-2
A2 Berechnungsergebnisse Luftheizung A-4
A3 Datenblatt Turboverdichter A-6
A4 Technische Zeichnungen A-11
 

1 Einleitung

1.1 Problemstellung

„Die fast beliebige Verfügbarkeit von Wärme, technischer Arbeit und Strom ist eines der Fundamente unserer modernen Gesellschaft“ [SPA05]. Meist nimmt man den Komfort, den eine zuverlässige Stromversorgung bietet, nicht war. Erst bei einem Stromausfall wird wieder bewusst, wie wichtig und keinesfalls selbstverständlich eine konstante Energieversorgung ist.

Am 14. August 2003 bricht im gesamten Nordosten der U.S.A. und in Teilen Kanadas die Stromversorgung zusammen. Mehrere Großstädte, darunter New York, Detroit und Toronto, sind ohne Strom. Insgesamt haben 50 Millionen Kunden keine Elektrizität. Es dauert vier Tage, bis die letzten Gebiete wieder mit elektrischer Energie beliefert werden. Man schätzt den Schaden, der durch den bis dahin größten Stromausfall in der Geschichte der Vereinigten Staaten von Amerika (U.S.A.) entstanden ist, auf 4-10 Mrd. US-Dollar. Fast die gesamte Wirtschaft ruht in dieser Zeit, der Verkehr ist praktisch zum Erliegen gekommen und verderbliche Ware ist ohne Kühlung nicht mehr zu genießen gewesen [USC04]. Dieses Beispiel macht deutlich, wie wichtig eine solide Versorgung mit Elektrizität für die moderne Gesellschaft ist. Gründe für Stromausfälle sind zahlreich. Der wahrscheinlich Wichtigste ist die Tatsache, dass es kaum Möglichkeiten gibt, elektrische Energie in größerem Maße effektiv mittel- bis langfristig zu speichern. Es ist also ständig erforderlich, die in das Stromnetz eingespeiste elektrische Leistung an die Erfordernisse der Stromkunden anzupassen. Um gleichzeitig die nötige Flexibilität und Effizienz bei der Stromerzeugung zu gewährleisten, setzen die Energieversorger verschiedene Kraftwerkstypen ein. Für die Grundlast sind das hauptsächlich Atom- und Braun-/Steinkohlekraftwerke. Für den Mittellastbetrieb werden zum Teil Steinkohlekraftwerke, aber auch gasbefeuerte Kombikraftwerke genutzt. Für die Spitzenlast werden in Deutschland hauptsächlich Pumpspeicherkraftwerke oder Gasturbinen eingesetzt.

Das Problem des über den Tagesverlauf stark schwankenden Stromverbrauchs wird noch verstärkt durch den steigenden Einsatz von erneuerbaren Energien. Die regenerativen Erzeuger von Strom produzieren mit wenigen Ausnahmen nicht bedarfsgerecht, sondern abhängig von den Umweltbedingungen wie beispielsweise Windstärke oder Sonneneinstrahlung. Bei anderen Anlagen, wie beispielsweise Blockheizkraftwerken, ist die Stromproduktion vom Heizbedarf abhängig. Diese Anlagen haben also Produktionskurven ihrer elektrischen Leistung, die stark von den Verbrauchskurven abweichen. Nach Erhebungen der EU wird deshalb zwischen 1995 und 2020 die installierte Spitzenlastleistung im Stromnetz um 260% Prozent wachsen müssen [EU99].

Kraftwerke, die für eine Basislast optimiert werden, können diese Lastschwankungen im Stromnetz nicht ausgleichen. Eine Lösung die bisher verfolgt wird, ist der Ausgleich mit Gasturbinenkraftwerken. Diese Kraftwerke haben aber eine niedrige Effizienz und erhöhen die Abhängigkeiten von Erdgasimporten. Besser wäre eine mittel- bis langfristige Speicherung von elektrischer Energie. Eine gute Lösung bieten bisher die Pumpspeicherkraftwerke. Sie bieten eine hohe Effizienz (ca. 75%) und sehr hohe Kapazitäten, doch sind die Investitionskosten auch sehr hoch. Ein noch schwerwiegenderer Nachteil sind die geologischen Vorraussetzungen, die erfüllt sein müssen. Aus diesen Gründen ist eine Kapazitätssteigerung mit dieser Technologie kaum realisierbar [SPA05]. Blei-Akkumulatoren haben zu hohe Investitionskosten (>100€/kWh), um sie im großen Maßstab einzusetzen. Weiterhin ist man bestrebt den industriellen Einsatz von Blei aus Umweltschutzgründen zu unterbinden [Spa01]. Reversible Brennstoffzellen werden als Lösung näher untersucht. Doch sind hier zahlreiche Probleme bislang ungelöst. So liegt die Effizienz bislang lediglich bei 50-60% und die Investitionskosten wären sehr hoch, um eine hohe Leistung zu erzielen.

Viele andere Technologien wie Super-Kondensatoren oder Schwungräder können die elektrische Energie nur für kurze Zeit speichern. Bislang sind Luftspeicherkraftwerke (engl.: Compressed Air Energy Storage (CAES)) die einzige Technologie, die es schafft, die Vorzüge der Pumpspeicherkraftwerke mit weniger geografischen Limitierungen und weit weniger Investitionskosten zu verbinden. Die genaue Arbeitsweise eines CAES wird in Kapitel 2.1 erläutert.

1.2 Zielsetzung dieser Arbeit

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Teilaspekten eines Luftspeicherkraftwerks im Labormaßstab, die in den folgenden Kapiteln ausführlich beschrieben werden. Es wird die Auslegung, Konstruktion und Regelung einer elektrischen Luftheizung erörtert. Weiterhin wird die Messwerterfassung und rechnergestützte Bearbeitung dieser Daten behandelt.

2 Prinzip des Luftspeicherkraftwerkes

Um Strom speichern zu können, wird er meist in andere Energieformen umgewandelt, die sich besser speichern lassen als elektrische Energie. Bei Akkumulatoren wird die elektrische Energie beispielsweise über eine reversible chemische Reaktion in Bindungsenergie umgewandelt. Um große Mengen Strom speichern zu können, sind diese aber viel zu teuer. Pumpspeicherkraftwerke sind mit wenigen Ausnahmen die einzigen Anlagen, die in größeren Mengen elektrische Energie wirtschaftlich sinnvoll speichern können. Diese pumpen bei Überschuss von elektrischer Energie Wasser von einem tieferen Becken in ein höheres und wandeln somit elektrische Energie in Potentialenergie um. Bei Strombedarf wird das Wasser wieder aus dem oberen Becken abgelassen und zur Stromerzeugung einer Wasserturbine zugeführt.

Ein ähnliches Prinzip verfolgt ein Luftspeicherkraftwerk. Bei einem Luftspeicherkraftwerk wird die elektrische Energie über einen als Synchronmotor geschalteten Generator in mechanische Energie umgewandelt und über eine Welle einem Verdichter zugeführt. Dieser Verdichter komprimiert Umgebungsluft und füllt sie in ein Behältnis und wandelt so die mechanische Energie teils in potentielle Energie, teils in thermische Energie um. Die Energie wird primär als Druckerhöhung der Luft gespeichert.

Wird zu Spitzenlastzeiten elektrische Energie benötigt, wird die komprimierte Luft einer Turbine zugeführt, wo die Luft ihre innere Energie an die Turbine abgibt und so in mechanische Energie gewandelt wird. Diese Turbine treibt dann den Generator an, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Zur Speicherung der Luft werden größere unterirdische geologische Formationen benutzt. Das können Hohlräume in massivem Fels sein, z.B. ausgediente Bergwerke. Im Fall der niedersächsischen Anlage in Huntorf wird ein ausgehöhlter Salzstock benutzt, um die Druckluft zu speichern. Diese Hohlräume werden einfach und kostengünstig durch das Ausspülen des Salzes hergestellt. Um auch in Regionen, in denen es keine geologischen Vorraussetzungen wie oben beschrieben gibt, kostengünstig Druckluft zu speichern, bieten sich poröse Schichten in so genannten Aquiferen an. Diese sind häufig anzutreffen und bieten eine kostengünstige Möglichkeit Gase zu speichern. Dieses Verfahren wird bereits seit Jahren für die Speicherung von Erdgas angewendet. Im Folgenden werden die beiden unterschiedlichen Typen diabates und adiabates Luftspeicherkraftwerk näher beschrieben.

2.1 Diabates Luftspeicherkraftwerk

Das Prinzip eines diabaten Kraftwerkes veranschaulicht Bild 2-1. Darauf ist zu erkennen, dass bei Beladung des Speichers Luft von einem Niederdruckverdichter (ND) angesaugt und komprimiert wird. Dann erfolgt eine Zwischenkühlung (ZK), bevor die Luft im Hochdruckverdichter (HD) auf ihren endgültigen Druck gebracht und nach einer Nachkühlung (NK) der Kaverne zugeführt wird. Die Verdichter werden von einem Elektromotor (M) angetrieben.Bei Entladung wird die komprimierte Luft über einen Rekuperator (R) aufgewärmt und in einer Brennkammer (B) durch Verbrennung von Brennstoff erhitzt, um dann die Gasturbine (GT) und damit den Generator (G) anzutreiben. Nach Austritt der dekomprimierten Luft wird deren Restwärme im Rekuperator (R) noch genutzt, um die in die Turbine einströmende Luft zu erhitzen.

Bild 2-1: Konzept des diabaten Luftspeicherkraftwerks [Spa05] [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]

Diabate Luftspeicherkraftwerke stellen ihre Funktionsfähigkeit bereits seit längerem unter Beweis. Zwar sind bislang nur zwei Anlagen gebaut worden, aber bereits seit 1978 ist die erste Anlage in Elsfleth/Hundtorf nördlich von Bremen in Betrieb. Sie nimmt in Schwachlastzeiten die überschüssige Energie des nahe gelegenen Atomkraftwerkes Unterweser auf und gibt diese zu Spitzenlastzeiten wieder ab. Außerdem stellt sie bei einem Stromausfall die Versorgung des Atomkraftwerkes sicher [Zeit05].

Nachts oder am Wochenende, bei geringerem Stromverbrauch, wird ein Generator als Synchronmotor geschaltet, um so die Verdichtergruppe anzutreiben. Die Verdichter pumpen aus der Umgebung Luft in zwei unterirdische Kavernen mit zusammen 300.000 m³ Speichervolumen. Das Aufladen des Luftspeichers dauert ungefähr acht Stunden. Die Luft wird dabei auf bis zu 70 bar verdichtet. Die Verdichtung erfolgt mit Zwischen- und Nachkühlung, um die Antriebsleistung der Verdichter zu minimieren und das Volumen der Luft zu verringern. Zu Spitzenlastzeiten wird dann die abgekühlte gespeicherte und komprimierte Luft in einer Gasbrennkammer erhitzt und den Turbinen zugeführt. Diese können innerhalb von acht Minuten hochfahren und maximal 290 Megawatt Leistung abgeben. Zwei Stunden lang steht diese Leistung zur Verfügung, dann ist der Luftspeicher leer.

Die bisher ausgeführten Anlagen haben einige prinzipielle Nachteile: Der Betrieb einer Gasturbine führt zu einer Abhängigkeit von importiertem Erdgas und zu Emissionen von Stickoxiden und Kohlendioxid wie bei einem konventionellen Gasturbinenkraftwerk, wenn auch in geringerem Ausmaße. Weiterhin führt der Betrieb von Gastrubinen zu relativ hohen Wartungskosten. Ein weiterer Nachteil ist der geringe Wirkungsgrad der Huntorfer Anlage von 42%. Für die Erzeugung von einer Kilowattstunde Strom werden bei der Komprimierung 0,9 Kilowattstunden Strom eingesetzt und bei der Dekomprimierung 1,6 Kilowattstunden Erdgas verbrannt [Zeit05]. Der geringe Wirkungsgrad ist hauptsächlich auf den Wärmeverlust bei der Kompression zurückzuführen. Der Kompressor ist gekühlt, damit der Einsatz an Strom zur Komprimierung der Luft verringert wird. Weiterhin benötigt gekühlte Luft ein geringeres Speichervolumen. Die bei der Verdichtung der Luft entstehende Kompressionswärme wird allerdings an die Umgebung abgegeben und ist damit für eine weitere technische Verwendung verloren. [VDI06]

2.2 Adiabates Luftspeicherkraftwerk

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