Welches Potential haben Druckluftspeicherkraftwerke in Norddeutschland?


Bachelorarbeit, 2012
35 Seiten, Note: 1,7

Leseprobe

INHALTSVERZEICHNIS

1. Einleitung

2. Druckluftspeicherkraftwerke und ihre Funktionsweise
2.1 Das Kraftwerk Huntorf
2.2 Das geplante Kraftwerk Staßfurt (ADELE)

3. Die Rolle der Energiespeicherung

4. Der Zechstein als die wichtigste Gesteinseinheit und Epoche der Salzentstehung in Norddeutschland und seine chronostratigraphische Einordnung

5. Salzlagerstätten
5.1 Bedingungen für die Entstehung von Salzlagerstätten
5.1.1 Geotektonische Bedingungen
5.1.2 klimatische Bedingungen
5.1.3 physikochemische Bedingungen
5.2 Entstehungsweise von Salzlagerstätten
5.3 Salinartektonik und Halokinese

6. Die räumliche Verteilung der Salzvorkommen sowie der Untertagespeicher in Deutschland

7. Potentiale und Risiken der Energiespeicherung mittels Druckluftspeicherkraftwerken
7.1 Vor- und Nachteile der Funktionsweise von Druckluftspeicherkraftwerken
7.2 Vor- und Nachteile der Salzkavernen als Speicherstätten
7.3 Vor- und Nachteile von Druckluftspeicherkraftwerken im Vergleich zu Pumpspeicherkraftwerken

8. Fazit und Ausblick

9. Literaturverzeichnis

1. Einleitung

In dieser Arbeit soll sich der Frage genähert werden, inwieweit man die Speicherung von elektrischer Energie in Druckluftspeicherkraftwerken als eine gute Alternative zu anderen Energiespeichermethoden in Norddeutschland ansehen kann. Viele Aspekte –zum Beispiel die Tatsache, dass es in Norddeutschland viele Salzstöcke gibt– suggerieren, dass diese Art der Speicherkraftwerke eine sehr gute Alternative darstellt und dies gilt es für mich zu analysieren, sodass ich letztlich zu einer eigenen Bewertung dieser Thematik kommen kann. Es soll dabei möglichst zu einer Integration sowohl von physisch- als auch anthropogeographischen Aspekten kommen, denn beide Zweige der Geographie sind bei diesem Thema von essentieller Bedeutung. Während bei der Frage des Baus von Druckluftspeicherkraftwerken die physischen Gegebenheiten wie zum Beispiel die Gesteinsschichten etc. von Relevanz sind, muss man die Frage der Energieversorgung im Zuge der Energiewende in Deutschland natürlich auch aus anthropologischer Sicht betrachten.

Diese Arbeit ist wie folgt aufgebaut: In den folgenden Kapiteln soll zunächst die Technologie der Druckluftspeicherkraftwerke näher vorgestellt werden, indem die generelle Funktionsweise vorgestellt wird, ohne zu sehr die technischen Details zu vertiefen. Ziel hierbei ist lediglich das allgemeine Verständnis dieser Energiespeichermethode zu gewährleisten. Anschließend wird erklärt, welche Rolle die Energiespeicherung heute und in Zukunft einnehmen wird. Dann wird die chronostratigraphische Gliederung in Norddeutschland kurz beschrieben und in besonderer Weise die Salzlagerstätten in den Fokus genommen. Da dem Steinsalz bei dieser Technologie eine sehr bedeutende Rolle zukommt, werden auch die Bedingungen für die Entstehung, die Entstehungsweise und die Tektonik von Salzlagerstätten beschrieben. Dabei soll auch die deutschlandweite Verteilung der Salzvorkommen aufgezeigt werden. Diese entsprechenden Kapitel dienen dazu, die nötigen Hintergrundinformationen über den Rohstoff Salz zu liefern, sodass das Gesamtverständnis gewährleistet werden kann. Nach diesem physisch geprägten Teil folgt eine Diskussion, die sowohl die Potentiale als auch die möglichen Risiken dieser Technologie benennt und in Bezug zueinander setzt. Dabei sollen auch die Meinungen wichtiger Akteure der Energiebranche und des Umweltschutzes einbezogen werden, sodass am Ende meine persönliche Einschätzung sowie ein Ausblick folgen können.

2. Druckluftspeicherkraftwerke und ihre Funktionsweise

Die Speicherung elektrischer Energie in Form von Druckluft ist eine Methode, mit der man Energie mittelfristig (d.h. über einen Zeitraum von mehreren Stunden oder wenigen Tagen) speichern kann. Diese könnte beispielsweise dafür genutzt werden, um bei Spitzenlast die Energie abzurufen, die man über die Nacht gespeichert hat. Das Kraftwerk in Huntorf wird „primär als Minutenreserve und für Peakzeiten abends genutzt, wenn die Pumpspeicherkraftwerke bereits geleert sind.“ (KRUCK 2008, S. 22) Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft, wie die Nutzung eines Druckluftspeicherkraftwerks im 24-Stunden-Verlauf aussehen könnte. Sie zeigt, zu welchen Uhrzeiten die Luft in die Kavernen gepumpt wird (blau) und wann diese Druckluft wieder zur Energieerzeugung genutzt wird (rot). Diese Technologie ist als eine noch nicht sehr weit verbreitete Ergänzung zu der bereits bewährten Energiespeichertechnologie der Pumpspeicherkraftwerke anzusehen. Es gibt weltweit lediglich 2 Kraftwerke dieser Art. Eines davon befindet sich in den USA (McIntosh), das andere in Deutschland (Huntorf). Beide Kraftwerke sind heute noch in Betrieb. Der Kraftwerksbetreiber des deutschen Kraftwerkes ist der Energiekonzern E.On AG. Nun wurde diese Technologie zur Effizienzsteigerung weiterentwickelt und ein weiteres Kraftwerk soll in Staßfurt (ein bekannter Standort großer Salzvorkommen) ans Netz gehen. Hier ist die RWE AG der Betreiber. Im Folgenden soll die Funktionsweise der beiden Kraftwerkstypen kurz erläutern werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Beispiel: Energiespeicherung und Energieproduktion im Tagesverlauf(CROTOGINO 2003 , S. 3)

2.1 Das Kraftwerk Huntorf

Dieses Druckluftspeicherkraftwerk war weltweit das erste dieser Art und ist schon seit 1978 in Betrieb. Wie der Name ‚Druckluftspeicherkraftwerk’ bereits suggeriert, wird bei derartigen Kraftwerken die elektrische Energie in Form von Druckluft gespeichert. (Solche Kraftwerke werden auch CAES (Compressed Air Energy Storage)-Kraftwerke genannt.) Diese Druckluft wird in große unterirdische Kavernen gepumpt. Dabei handelt es sich bei den heute existierenden Kraftwerken um Kavernen im Salzstock, die man durch tiefe Bohrungen und Aussolung erzeugt hat. Es wurde also mit Wasser ein Teil des Salzes im Salzstock aufgelöst und übertage befördert. Beim Kraftwerk Huntorf befinden sich die beiden Kavernen in einer Tiefe von 600-800 Metern und haben ein Volumen von je 150.000 m³. (vgl. MEYER 2007) Diese Kavernen müssen selbstverständlich Luftdicht sein und dem Druck, mit dem die komprimierte Luft gespeichert wird (43-70 bar) standhalten können. (vgl. KRUCK 2008) Wenn sich nun überschüssige (Wind-) Energie im Stromnetz befindet, kann diese im CAES- Kraftwerk an einen Elektromotor geleitet werden, der einen Luftkompressor antreibt. Diese Luft wird dann in die Kavernen geleitet und dort unter hohem Druck gespeichert (1. Phase). Wenn diese Energie wieder abgerufen werden soll, leitet man die Druckluft wieder aus den Kavernen hinaus um damit eine Turbine anzutreiben. Zuvor muss diese Druckluft jedoch mit Hilfe eines Erdgasbrenners erwärmt werden, damit die Turbine nicht einfriert (dies würde sonst zwangsläufig geschehen). Die Turbine (in der die Druckluft nun expandiert) ist wiederum an einen Generator gekoppelt, der elektrische Energie erzeugt und wieder in das Stromnetz einspeist (2. Phase). (vgl. KRUCK 2008) Folgende Abbildung verdeutlicht schematisch noch einmal dieses Prinzip, wobei links die Energieaufnahme aus dem Stromnetz und rechts die Energieabgabe zurück an das Stromnetz erfolgen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bbildung 2 Funktionsweise von Druckluftspeicherkraftwerken (Schema) (KRUCK 2008, S. 21 zitiert nach CR OTOGINO 2003)

Die Verbrennung von Erdgas führt letztlich dazu, dass der Wirkungsgrad dieses CAES- Kraftwerks relativ niedrig ist.

Der Gesamtwirkungsgrad eines CAES-Kraftwerks berechnet sich aus der eingesetzten Energie (Input) und der resultierenden Energie nach der Speicherung (Output). Beim Kraftwerk Huntorf wird für die Umwandlung von 1 kWh Strom (Output) insgesamt 0,83 kWh Strom sowie 1,56 kWh fossile Energie eingesetzt. Somit beträgt bei diesem CAES-Kraftwerk der Gesamtwirkungsgrad ca. 42%. (vgl. KRUCK 2008)

2.2 Das geplante Kraftwerk Staßfurt (ADELE)

Beim Kraftwerk in Staßfurt handelt es sich um eine weiterentwickelte und effizientere Technologie als die des CAES-Kraftwerks in Huntorf, die zudem auch noch emissionsfrei ist. Prinzipiell ist die Funktionsweise ähnlich, da auch hier die elektrische Energie in Form von Druckluft in unterirdischen Salzkavernen gespeichert wird. Die Innovation besteht darin, dass die bei der Kompression der Luft entstehenden Wärme nicht an die Umwelt abgegeben wird und verpufft, sondern ebenfalls gespeichert wird. Daher wird dieser Kraftwerkstyp auch AA- CAES-Kraftwerk genannt (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage). Die Speicherung dieser Wärme erfolgt in einem großen Wärmespeicher, wo die heiße Druckluft durchgeleitet wird und ihre Wärme an keramisches Gestein abgibt. Es wird dabei eine Temperatur von bis zu 600° C erreicht, welche ohne nennenswerten Verlust gespeichert wird. Der Speicherbehälter muss zudem den Zyklen der Zu- und Abnahme der Temperatur sowie des Druckes standhalten können. Die Wärmespeicherung macht den Einsatz von Erdgas überflüssig, da die gespeicherte Wärme wieder für das Erwärmen der Druckluft verwendet wird, bevor diese in die Turbine gelangt. Dies spielt eine zentrale Rolle für die Effizienz der gesamten Anlage. (vgl. RWE POWER 2010) Der geringe Wärmeverlust ist nicht zuletzt auch der Tatsache zu verdanken, dass die heiße Druckluft durch verzweigte Rohrleitungen im keramischen Gestein fließt und dabei die Wärme an sie abgibt. Es besteht also eine besonders große Oberfläche für die Übertragung der Wärme. (vgl. ZUNFT et al. 2006)

Bei diesen AA-CAES-Kraftwerken werden für die Zukunft „Strom-Strom-Wirkungsgrade von rund 70% angestrebt, entsprechend einem Energieeinsatz von rund 1,42 kWh Strom (Input) als Antriebsenergie für den Kompressor pro 1 kWh Strom (Output)“. (KRUCK 2008)

Das folgende Schema verdeutlicht die Funktionsweise eines solchen AA-CAES-Kraftwerks. Auch hier erfolgt links die Energieaufnahme aus dem Stromnetz und recht die Energieabgabe zurück an das Stromnetz.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Funktionsweise von adiabaten Druckluftspeicherkraftwerken (Schema) (Z UNFT e t al. 2006, S. 2)

3. Die Rolle der Energiespeicherung

Die Idee der Speicherung von elektrischer Energie gibt es schon sehr lange. Das CAES- Kraftwerk Huntorf wurde schon im Jahre 1978 in Betrieb genommen. Allerdings gewinnt heutzutage dieses Thema im Zuge der Energiewende immer mehr an Bedeutung und gilt als ein wichtiges Zukunftsthema. Es wird sich mittelfristig eine erhöhte Nachfrage nach solchen Technologien ergeben. Es wird viel Geld in die Erforschung von neuen Energiespeichertechnologien investiert, wo Deutschland in der EU sogar die Vorreiterrolle eingenommen hat. Nur die USA und Japan haben einen fortgeschritteneren Forschungsstand als Deutschland bei den Energiespeichertechnologien. (vgl. RADGEN 2007, S. 1) Wenn Deutschland weiterhin ein wichtiger Exporteur von Maschinen und ähnlichen Gütern bleiben möchte, dann sollte auch in die Weiterentwicklung von Energiespeichertechnologien investiert werden, da in diesem Bereich in den kommenden Jahren bzw. Jahrzehnten ein Aufschwung zu erwarten ist.

Die Bedeutungszunahme der Energiespeicherung ist jedoch kein Selbstzweck, sondern ergibt sich als Folge des starken Ausbaus der erneuerbaren Energien. Die Leistungsabgabe von z.B. Solarkraftwerken oder Windrädern ist Tageszeiten- und Wetterlagenabhängig und daher unsicher. Der Energiekonsum muss hingegen immer gewährleistet sein. Daraus ergibt sich mit steigendem Anteil der erneuerbaren Energien an der Gesamtenergieproduktion eine immer weniger planbare Energieversorgung, welche durch Stromspeicher etwas planbarer gemacht werden kann. Die Bedeutung der Energiespeichertechnologien steigt also mit dem Anteil der erneuerbaren Energien an der Gesamtenergieproduktion. (vgl. RADGEN 2007, S. 20) Insofern gilt die Energiespeicherung als ein neues ‚Regulierungsinstrument‘ der Energieversorgung in einer Zeit, in der man zunehmend versucht, auf fossile Brennstoffe zu verzichten.

Im Jahre 2010 lag der Benutzungsgrad bei Windenergieanlagen in Deutschland bei lediglich 20%; d.h., dass nicht mehr als ein Fünftel der insgesamt produzierten Windenergie tatsächlich genutzt werden konnte. Wenn der Benutzungsgrad nicht durch Energiespeicheranlagen erhöht wird, kann selbst bei einem starken Ausbau der Windenergieanlagen höchstens ca. ein Fünftel der Versorgungsaufgabe geleistet werden, auch wenn alle Erzeugungsspitzen dem inländischen Verbrauch zugeführt werden sollten. (vgl. POPP 2010, S.67) Dies verdeutlicht welche Bedeutung die Speicherung von Energie in Zukunft haben könnte.

Dennoch ist angesichts dieses Beispiels nicht zu vernachlässigen, dass die Priorität selbstverständlich darin liegen sollte, die produzierte Energie zunächst einmal zu nutzen anstatt sie zu speichern. Erst wenn überschüssige, ungenutzte Energie vorhanden ist (z.B. nachts produzierte Windenergie), sollte gemäß der Speicherpriorität vorgegangen werden. Es sollten also zunächst die regionalen Speichermöglichkeiten ausgenutzt bzw. aufgeladen werden, bevor dann ein Export von Energie in Frage kommt. Eine Umkehrung dieser Prioritäten kann dann stattfinden, wenn z.B. die Speichermöglichkeiten mit einem zu hohen Energieverlust verbunden sind. Dann würde sich der Export von elektrischer Energie eher lohnen als die Speicherung. Dies wäre etwa dann der Fall, wenn die Speicherung einen Wirkungsgrad von nur 40% hat, denn dann müsste man 2,5 Mal so viel Strom für die Aufladung der Speicherkraftwerke einsetzen, um die gleiche Menge an Strom zurück zu gewinnen. (vgl. POPP 2010, S. 58ff)

Die Speicherung von Energie wurde zwar schon als ein Zukunftsthema und als wichtige Ergänzung zum ausbau der erneuerbaren Energien erkannt, doch sie ist letztlich ‚nur‘ ein Instrument, um die Nutzung erneuerbarer Energien planbarer und effizienter zu machen.

4. Der Zechstein als die wichtigste Gesteinseinheit und Epoche der Salzentstehung in Norddeutschland und seine chronostratigraphische Einordnung

Der Zechstein wird in der Literatur (je nach Quelle) meist als eine Gesteinseinheit, manchmal jedoch auch als ein Zeitintervall beschrieben, in dem bestimmte Gesteinsschichten entstanden sind. Da die Entstehung von Gesteinen (und in diesem Fall die Ablagerung von Sedimenten) immer zeitlich gebunden ist, haben aus meiner Sicht beide Definitionen prinzipiell ihre Berechtigung; zumal die Chronostratigraphie sowohl auf Keramikfunde, also dem Aspekt der Schichtung der Gesteinskörper, als auch auf die zeitliche Einordnung durch relative oder absolute Altersbestimmung basiert (z.B. 14C-Datierung von organischem Material). (vgl. GEBHARDT et al. 2011, S. 1184)

Der Zechstein begann vor ca. 258 Mio. Jahren und dauerte etwa 9 Mio. Jahre an. Er ist der Periode des Perms zuzuordnen, welche insgesamt ca. 47 Mio. Jahre andauerte und aus den Epochen Rotliegend und Zechstein besteht. Der Zechstein ist die jüngere der beiden und somit die jüngste Formation des Perms und der gesamten Ära des Paläozoikums. Man spricht beim Perm auch von Dyas, sodass die Aufteilung auch in untere und obere Dyas (statt in Rotliegend und Zechstein) erfolgen kann. Die über dem Zechstein liegende (und somit die nächstjüngere) Gesteinsformation ist der Buntsandstein, welche eine ähnliche Mächtigkeit wie der Zechstein hat und der Ära des Mesozoikums und der Periode des Trias angehört. (vgl. DEUTSCHE STRATIGRAPHISCHE KOMMISSION 2002) Die Epoche des Zechstein erstreckt sich zwar über einen für den Menschen unvorstellbar langen Zeitraum, doch sie ist erdgeschichtlich betrachtet nur ein relativ kurzer Zeitintervall, wenn man bedenkt, dass sich die geologische Erdgeschichte auf bis zu ca. 4600 Mio. Jahre vor heute zurückverfolgen lässt. Zur Zeit des Zechsteins gab es noch den Großkontinenten Pangäa. (vgl. GEBHARDT et al. 2011, S. 365)

Die Salzlagerstätten, die zur Zechsteinformation gehören, sind in einer Zeit entstanden, in der weite Teile des heutigen Nord- und Mitteleuropa, darunter auch große Gebiete Deutschlands, Polens, der Niederlanden, Englands und Dänemarks etc. vom Meer überflutet waren. Dies geschah dadurch, dass hier zwei Kontinentalränder konvergierten und sich die Erdplatte senkte. Heute wird die Nahtlinie dieser Konvergenz durch das Uralgebirge gekennzeichnet. An der Westflanke des Urals senkte sich eine Vortiefe ein und dadurch entstand das sogenannte Zechsteinmeer bzw. Zechsteinbecken. (vgl. STANLEY 1994, S. 422) Die umliegende Abbildung zeigt, wie die Ausdehnung des Zechsteinmeeres gewesen sein muss (hellblau). Im Hintergrund ist die heutige Land-Meer-Verteilung im Vergleich zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 Das Zechsteinmeer (Fohlert et al.2012 ) http://www.elektroplanung-wutha- farnroda.de/altenstein/html/geologie.html; 11. 0 7. 1 2 )

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Ende der Leseprobe aus 35 Seiten

Details

Titel
Welches Potential haben Druckluftspeicherkraftwerke in Norddeutschland?
Hochschule
Universität Hamburg
Note
1,7
Autor
Jahr
2012
Seiten
35
Katalognummer
V476766
ISBN (eBook)
9783668953727
Sprache
Deutsch
Schlagworte
welches, potential, druckluftspeicherkraftwerke, norddeutschland
Arbeit zitieren
Maurizio Arcoria (Autor), 2012, Welches Potential haben Druckluftspeicherkraftwerke in Norddeutschland?, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/476766

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