Eine vom Umweltministerium in Auftrag gegebene Studie belegt, dass Österreich bis 2050 energieautark sein könnte. Eine stabile Energieversorgung ist hierbei eine Grundvoraussetzung. Da die Einspeisung von erneuerbaren Energien stark von meteorologischen Schwankungen abhängt und nicht immer die benötigte Leistung zur Verfügung steht, wächst der Bedarf an Energiespeichern. In Österreich wird die überschüssige Energie hauptsächlich in Pumpspeicherkraftwerken gespeichert. Da aber der Bau solcher Kraftwerke einen markanten Eingriff in die Natur darstellt, sind Experten der Meinung, dass der Neubau nicht weiter verfolgt wird, sondern die bestehenden Anlagen modernisiert werden sollten.
Ein anderer Ansatz um Energie zu speichern sind Druckluftspeicher-Kraftwerke (Compressed Air Energy Storage – CAES). Basierend auf einem Gasturbinenprozess, können z.B. leergeförderte Erdgasfelder oder stillgelegte Salzbergwerke wieder von Nutzen sein, um Energie in Form von Druckluft zu speichern.
Ziel der Arbeit war es, anhand eines Berechnungsmodells und entsprechender Software die theoretischen Randbedingungen und Prozessabläufe für österreichische Bedürfnisse zu erarbeiten, und mit den beiden bestehenden CAES-Anlagen (Huntdorf und McIntosh) zu vergleichen.
Als erster Schritt wurde eine Literaturrecherche durchgeführt um einen Überblick über die Komplexität solcher Anlagen zu erhalten. Da nur sehr wenige Prozessdaten der beiden bestehenden Anlagen veröffentlicht wurden, musste ein Berechnungsmodell erarbeitet werden, welches sämtliche Zustandsänderungen erfasst.
Als weiterer Schritt wurde eine Analyse der veröffentlichten Daten der Austrian Power Grid (APG) durchgeführt, um die Lastbereiche abstecken zu können. Aus diesen Daten konnten zwei Lastspitzen definiert werden. Diese beiden Lastspitzen wurden in weiterer Folge als Berechnungsgrundlage herangezogen um die Speichergröße sowie den Entlade- und Beladevorgang zu errechnen.
Der Entladevorgang wurde einerseits mit variablem Druckniveau und zum anderen, nach dem Stand der Technik, mit konstantem Druckniveau durchgerechnet.
Der Beladevorgang wurde durch einen 3–stufigen Verdichter realisiert, da eine Verdichtung von Umgebungsdruck auf Speicherdruck mit nur einer Stufe energetisch nicht sinnvoll ist.
Abschließend wurde eine Analyse des Wirkungsgrades durchgeführt. Im Zuge dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine CAES-Anlage energetisch durchaus sinnvoll ist.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Zielsetzung
2 Energiespeicherung
2.1 Mechanische Speicher
2.1.1 Pumpspeicherkraftwerke
2.1.2 Schwungrad
2.1.3 Stationäre Speicher für fossile Energieträger
3 Druckluftspeicher
3.1 Beschreibung des Technologiefeldes
3.2 Kaverne im Salzgebirge
3.2.1 Geologische Voraussetzungen
3.2.2 Solung und Komplettierung
3.3 Kaverne zur Druckluftspeicherung
3.4 Konzept der Druckluftspeicherung
4 Stand der Technik
5 Energetische Analyse Druckluftspeicher
5.1 Auslegungsparameter
5.1.1 Randbedingungen
5.2 Speichergröße
5.3 Speicherentladung mit variablem Druckniveau
5.3.1 Allgemeines Anlagenschema
5.3.2 Berechnungsmodell
5.3.3 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse
5.4 Speicherentladung mit konstanten Druckniveau
5.4.1 Allgemeines Anlagenschema
5.4.2 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse
5.5 Zusammenfassung der Betriebsarten mit und ohne Drossel
5.6 Speicherladevorgang
5.6.1 Allgemeines Anlagenschema
5.6.2 Betrieb mittels Windenergie
5.6.3 Berechnungsmodell
5.6.4 Randbedingungen
5.6.5 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse
5.7 Wirkungsgrad
5.7.1 Wirkungsgradanalyse mit 1-stufigem Verdichter
5.7.2 Wirkungsgradanalyse mit 3-stufigem Verdichter
6 Ergebnisse und Schlussfolgerungen
6.1 Randbedingungen
6.2 Speichergröße
6.3 Speicherentladung mit variablem Druckniveau
6.4 Speicherentladung mit konstanten Druckniveau
6.5 Speicherladung
6.6 Wirkungsgradanalyse
6.6.1 Wirkungsgradanalyse mit 1-stufigem Verdichter
6.6.2 Wirkungsgradanalyse mit 3-stufigem Verdichter
7 Zusammenfassung und Ausblick
8 Verzeichnisse
8.1 Literaturverzeichnis
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung theoretischer Randbedingungen und Prozessabläufe für den Einsatz von Druckluftspeicher-Kraftwerken (CAES) unter Berücksichtigung der spezifischen österreichischen Energiebedürfnisse. Dabei wird ein Berechnungsmodell entwickelt, um die Speicherbeladung und -entladung zu simulieren und mit existierenden Anlagen zu vergleichen.
- Mechanische Energiespeichermethoden
- Kavernentechnologie in Salzgebirgen
- Energetische Analyse und Auslegungsparameter von CAES-Anlagen
- Vergleich von Entladungs-Betriebsarten (mit und ohne Drosselung)
- Effizienzsteigerung durch mehrstufige Verdichtungsprozesse
Auszug aus dem Buch
3.3 Kaverne zur Druckluftspeicherung
Seit mehreren Jahrzehnten stellt die Untertagespeicherung von Erdgas eine bewährte Technologie dar. Jedoch kann nicht dieselbe Ausrüstung einer Kaverne für z.B. Erdgasspeicherung und Druckluftspeicherung verwendet werden. Da Druckluft eine vielfach höhere Feuchtigkeit besitzt als Erdgas, muss die Speicherausrüstung gegen Korrosion geschützt werden. Auch hat ein Druckluftspeicher eine viel höhere Zyklen Anzahl als ein Erdgasspeicher.
Das Grundkonzept eines Druckluftspeicherkraftwerks, besteht in der Trennung einer herkömmlichen Industriegasturbine von der Expansionsturbine. Somit werden fossile Brennstoffe nur zum Erhitzen der komprimierten Luft während des Ausströmens aus dem Speicher benötigt, was den Einsatz dieser Brennstoffe deutlich reduziert.
Da durch die Verdichtung der Luft von Umgebungsdruck auf Kavernendruck Wärme entsteht, der weder die Bohrung noch die Kaverne selbst standhalten würde, muss diese Wärme abgeführt werden. Bei der Entspannung über die Turbine muss Wärme in Form von fossilen Brennstoffen wieder zugeführt werden, da aufgrund der hohen Ausströmgeschwindigkeit die Turbine vereisen würde (Gillhaus et al, 2006).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung motiviert die Thematik durch die Herausforderungen an das europäische Stromnetz und definiert das Ziel der Arbeit, einen theoretischen Ansatz für CAES-Anlagen zu liefern.
2 Energiespeicherung: Dieses Kapitel gibt einen Überblick über verschiedene mechanische Speichermöglichkeiten wie Pumpspeicherkraftwerke, Schwungräder und saisonale Speicher für fossile Energieträger.
3 Druckluftspeicher: Es werden die Grundlagen der Kavernentechnologie sowie ein allgemeines Konzept für den Aufbau eines Druckluftspeicherkraftwerks dargestellt.
4 Stand der Technik: Hier werden bestehende Anlagen wie Huntdorf und McIntosh hinsichtlich ihrer Betriebsparameter und Wirkungsgrade analysiert.
5 Energetische Analyse Druckluftspeicher: Dieses zentrale Kapitel beschreibt das Berechnungsmodell und führt eine detaillierte energetische Analyse für Entlade- und Ladevorgänge sowie den Wirkungsgrad durch.
6 Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Eine zusammenfassende Darstellung aller aus dem Berechnungsmodell abgeleiteten Ergebnisse und technologischen Erkenntnisse.
7 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die erreichten Ergebnisse zusammen und skizziert Möglichkeiten zur weiteren Steigerung des Anlagenwirkungsgrades durch Wärmespeicherung.
8 Verzeichnisse: Enthält das Literaturverzeichnis der verwendeten Quellen.
Schlüsselwörter
Druckluftspeicher, CAES, Energiespeicherung, Pumpspeicherkraftwerk, Kaverne, Salzgebirge, Energetische Analyse, Thermodynamik, Wirkungsgrad, Lastspitzen, Windenergie, Verdichter, Gasturbine, Speichergröße, Ausgleichsenergie
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht die theoretische Eignung von Druckluftspeicher-Kraftwerken (CAES) als Lösung für die Energiespeicherung im österreichischen Stromnetz.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Schwerpunkte liegen auf der mechanischen Energiespeicherung, den geologischen Anforderungen für Kavernen, der Anlagenauslegung und der energetischen Effizienzanalyse.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist die Erarbeitung von theoretischen Randbedingungen und einem Berechnungsmodell, das die Prozessabläufe bei der Speicherbe- und entladung erfasst.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Analyse verwendet?
Es wird ein Berechnungsmodell erstellt, das mit spezieller Software programmiert wurde, um Zustandsänderungen thermodynamisch zu erfassen und zu simulieren.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte energetische Analyse, Vergleiche zwischen verschiedenen Betriebsweisen (mit/ohne Drossel) und eine Wirkungsgradanalyse verschiedener Verdichterkonfigurationen.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Druckluftspeicher, CAES, energetische Analyse, Wirkungsgrad und die Lastkurven von Stromnetzen.
Warum ist die Unterscheidung zwischen dem Betrieb mit und ohne Drossel wichtig?
Die Drosselung ist notwendig, um einen konstanten Druck am Turbineneintritt zu gewährleisten, was dem heutigen Stand der Technik bei Gasturbinen entspricht.
Welchen Einfluss hat die Anzahl der Verdichterstufen auf das Ergebnis?
Der Einsatz einer mehrstufigen Verdichtung mit Zwischenkühlung ermöglicht eine energetisch effizientere Befüllung des Speichers und reduziert die thermische Belastung.
- Quote paper
- Mario Kleinschuster (Author), 2011, Energiespeicherung am Beispiel eines Druckluftspeichers, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/181637
