Druckluftspeicher in Salzstöcken

Druckluftspeicher in Salzstöcken - Potential für die Langzeitspeicherung regenerativer Energien

Es ist inzwischen hinlänglich bekannt, dass der Ausbau erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarkraft die Grundlage für das Gelingen der Energiewende ist, diese aber stark schwankend sind. Diese Volatilität mit dem ebenfalls schwankenden Strombedarf abzugleichen ist ein derzeit kontrovers diskutiertes Thema.

Das Problem der saisonalen Speicherung: Die Dunkelflaute

Die größte Herausforderung für ein vollständig auf erneuerbaren Energien basierendes System ist die Dunkelflaute. Dieser Begriff beschreibt eine wetterbedingte Phase, meist im Winterhalbjahr, in der sowohl die Sonneneinstrahlung (kurze Tage, bewölktes Wetter) als auch die Windstärken (Hochdruckwetterlagen) über mehrere Tage oder sogar Wochen hinweg gering sind.

Während Batteriespeicher (Großbatteriespeicher, BESS) ideal sind, um kurzfristige Schwankungen (Sekunden bis Stunden) auszugleichen und die Mittagsspitze des Solarstroms in den Abend zu verschieben, sind sie aufgrund ihrer begrenzten Kapazität nicht ausreichend, um den Energiebedarf während einer langanhaltenden Dunkelflaute von mehreren Wochen zu decken. Hier sind Langzeitspeicher (Long-Duration Energy Storage, LDES) mit Speicherdauern von Tagen bis Monate erforderlich. Eine der seit langem genutzten Speicher für solche Perioden sind Pumpspeicherkraftwerke. Sie können auch längerfristig durch die Lageenergie des nach oben gepumptem Wasser als „Batterie“ eingesetzt werden. Allerdings ist in Deutschland der weitere Ausbau dieser Technologie nahezu ausgeschlossen. Hier kommt die unterirdische Speicherung der volatil vorhandenen Energieüberschuß ins Spiel.

Speicherung von Gas in Kavernen: Eine etablierte Technik

Die Speicherung großer Mengen von Gasen in Kavernen ist in Deutschland eine seit Jahrzehnten gängige und erprobte Technik! Die durch Aussolung (Abbau von Steinsalz) in unterirdischen Salzstöcken geschaffene Kavernen werden massenhaft zur saisonalen Speicherung von Erdgas genutzt. Oder mit anderen Worten: Es existiert ein Business Case.

Die Speicherung von Energie mithilfe von Druckluft in unterirdischen Hohlräumen, bekannt als Compressed Air Energy Storage (CAES), ist eine darauf aufbauende Technologie, die das Potenzial für die großskalige Langzeitspeicherung bietet.

Technisches Prinzip:

Laden: Überschüssiger Strom aus Wind- oder Solaranlagen treibt einen Kompressor an, der Luft unter hohem Druck (40 bis über 100 bar) in eine unterirdische Kaverne presst.
Speichern: Die komprimierte Luft verbleibt dort, bis sie benötigt wird.
Entladen: Bei Strombedarf wird die Druckluft freigegeben und strömt durch eine Turbine, die einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.

Der Vorteile von Salzkavernen: Salzstöcke bieten aufgrund ihrer gebirgsmechanischen Stabilität und Dichtigkeit ideale geologische Voraussetzungen für die Speicherung von Gasen und Druckluft. Sie ermöglichen eine hohe Ein- und Ausspeicherleistung, was sie flexibler macht als sogenannte Porenspeicher (natürliche Lagerstätten). Die Nutzung dieser Salzkavernen – die in Nord- und Mitteldeutschland in großer Zahl vorhanden sind – bildet die infrastrukturelle Grundlage für zukünftige, großskalige Energiespeicherung in Form von Druckluft.

Entwicklung, Stand und Ausblick in Deutschland

Die Entwicklung der Druckluftspeicherung (CAES) in Deutschland lässt sich in zwei Phasen unterteilen: die konventionelle (diabatische) Technik und die zukunftsweisende (adiabatische) Technik.

1. Konventionelles CAES (Diabatisch) – Stand der Technik

Das weltweit erste kommerzielle CAES-Kraftwerk wurde 1978 in Huntorf (Niedersachsen) in Betrieb genommen und ist bis heute aktiv (Prinzip: ein elektrisch angetriebener Kompressor (ca. 60 MW Leistung) saugt Umgebungsluft an und verdichtet sie in mehreren Stufen von Normaldruck (ca. 1 bar) auf bis zu 72 bar). Der Nachteil bei diesem Verfahren: Bei diesem sogenannten diabatischen CAES geht die beim Verdichten entstehende, enorme Wärme durch die notwendige Kühlung verloren. Vor der Entspannung (Entladen des Druckspeichers) muss die Druckluft dagegen mit Erdgas vor der Gasturbine auf etwa 800°C erwärmt werden (Vereisungsschutz). Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 42–54 %, was deutlich geringer ist wie physikalisch möglich. Zusätzlich entstehen CO2 Emissionen durch den notwendigen Schritt des Erhitzens.

2. Die Zukunft: Adiabatisches CAES – die emissionsfreie Variante

Dieser Nachteil, dass man Erdgas zum Erhitzen der Luft benötigt, soll das neue Verfahren umgehen. Die Weiterentwicklung zum adiabatische CAES soll emissionsfrei arbeitet.

Dazu wird die beim Komprimieren entstehende Wärme nicht in den Wärmetauschern an die Umwelt abgeführt, sondern in einem Wärmespeicher (z.B. mit Steinen oder Keramik) zwischengespeichert und bei der Entspannung wieder genutzt, um die Druckluft zu erwärmen.

Der Vorteil dabei ist, dass durch diese Zwischenspeicherung der Wirkungsgrad auf bis zu 70% ansteigen kann – was in etwa dem Wirkungsgrad von Pumpspeicherkraftwerken entsprechen würde.

In Deutschland gibt es mehrere Projekte, die diese Speichertechnologie in großskalige Projekte vorantreiben und auf dem Weg zur Kommerzialisierung sind. Die Voraussetzungen dafür sind auch angesichts der 400 bereits vorhandenen Kavernen und der erprobten Technologie der Erdgasspeicherung in solche Kavernen hervorragend.

ADELE-Projekt (abgeschlossen): Das Adiabate Druckluftspeicher für die Elektrizitätsspeicherung-Projekt von E.ON und später Uniper hat in den 2010er-Jahren die Grundlagen für die adiabatische Technik gelegt. Obwohl die Demonstrationsanlage nicht realisiert wurde, hat die Forschung die Technologie entscheidend vorangebracht.
Aktuelle Großprojekte (z.B. Ahaus): Mehrere große, moderne CAES-Anlagen sind in der Planung oder bereits in der Genehmigungsphase in Deutschland und den Niederlanden. Ein bekanntes Beispiel ist das geplante Projekt im Münsterland (Ahaus), das eine Leistung von mehreren hundert Megawatt und eine Speicherdauer von über drei Tagen anstrebt (niederländischen Eneco-Tochter Lichtblick zusammen mit dem Projektentwickler Corre Energy). Inbetriebnahme ist für 2027 geplant.
Das israelisches Unternehmen Augwind (Airbattery) plant ebenfalls in Deutschland mit Druckluft in Salzkavernen große Mengen erneuerbarer Energie über Wochen oder sogar Monate zu speichern.

Druckluftspeicher in Kavernen sind neben Power-to-Gas-Technologien (Wasserstoff) eine der wichtigsten Optionen für die großskalige und langfristige Speicherung von regenerativer Energie. Ihre relativ kurzen Reaktionszeiten machen sie auch für Netzdienstleistungen wertvoll. Das Potenzial in Deutschland (ca. 400 Salzkavernen) für die Speicherung ist beträchtlich. Die ersten kommerziellen Großprojekte werden beweisen müssen, dass sich diese Technologie für den Betreiber rechnet und ob sie die Residuallast (die Restlast ohne Wind- und Solarstrom) während der Dunkelflaute liefern können und auf diese Weise dabei helfen, die benötigte Lastreserve von Kohle- oder Erdgaskraftwerken zu reduzieren. Die Chancen dazu stehen gut, aber noch ist kein einziges Großprojekt in Betrieb!