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Schüttgutspeicher zur Effizienzsteigerung von Druckluftspeicherkraftwerken

 
: Rundel, Paul Michael; Scholz, R.; Daschner, R.; Binder, Samir; Hornung, Andreas

Bachiesl, U. ; TU Graz, Institut für Elektrizitätswirtschaft und Energieinnovation -IEE-; Österreichischer Verband für Elektrotechnik -ÖVE-:
Innehalten und Ausblick. Effektivität und Effizienz für die Energiewende. 13. Symposium Energieinnovation 2014. Programm. CD-ROM : 12.-14. Februar 2014, TU Graz, Österreich; EnInnov2014
Graz: Verlag der TU Graz, 2014
ISBN: 978-3-85125-311-5
10 S.
Symposium Energieinnovation (EnInnov) <13, 2014, Graz>
Deutsch
Konferenzbeitrag
Fraunhofer UMSICHT Sulzbach-Rosenberg ()
Energieeffizienz; Kraftwerkstechnik; thermische Energie

Abstract
Die Energiewende macht den Einsatz neuer Technologien unabdingbar, da Erneuerbare Energien nicht zu jeder Tages- und Nachtzeit zur Verfügung stehen. Zur Lösung dieser Problematik rückt der Einsatz von neuen Druckluftspeicherkraftwerken »Compressed Air Energy Storage« (CAES) immer mehr in den Fokus der Öffentlichkeit. Diese gleichen die fluktuierende Energie der Windkraft aus, indem Druckluft per Überschussstrom verdichtet und in Salzkavernen gespeichert wird. Zu Spitzenlastzeiten wird die Druckluft über Turbinen und Generatoren wieder in elektrische Energie umgewandelt und in das Stromnetz eingespeist. Die thermische Energie des Verdichtungsprozesses wird derzeit allerdings ungenutzt an die Umgebung abgeführt, da aus Gründen der Bergsicherheit die Kavernentemperatur 50 °C nicht übersteigen darf. Beim Entladen der Druckluftspeicher muss durch die Zufuhr von thermischer Energie aus Verbrennungsprozessen die Druckluft auf den Eintrittszustand in die Turbine erwärmt werden. Das dazu benötigte Erdgas ist ein zusätzlicher Kostenfaktor. Aus ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten sind eine Zwischenspeicherung der thermischen Energie des Verdichtungsprozesses und ein bedarfsgerechtes Abrufen sinnvoll.
Die Verdichtungsenergie kann alternativ auf geeignete Speichermaterialien übertragen und bei Bedarf wieder in den Kraftwerksprozess zurückgeführt werden. Dieses Konzept wird als »Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage« (AA-CAES) bezeichnet. Für die Speicherung der Abwärme bietet sich mineralisches Schüttgut an, welche in Zusammenarbeit mit den Energieversorgern E.ON Storage GmbH, EnBW Energie Baden-Württemberg AG und Électricité de France (EDF) bei Fraunhofer UMSICHT in einer Versuchsanlage analysiert wurden. Für die Simulation des Jahresbetriebes wurde eine Versuchsanlage ausgelegt, in der Schüttgüter auf ihre Eignung als Speichermaterial und Langzeitstabilität getestet wurden. Da der Druck keinen Einfluss auf die thermische Speicherfähigkeit der Schüttgüter sondern nur auf die Durchströmungsbedingungen des Schüttguts ausübt, wurde die Technikumsanlage für Umgebungsdruck von etwa 1 bar ausgelegt. Die Anlage wurde so konzipiert, dass mit möglichst geringem Versuchsaufwand ein Jahreszyklus der Großanlage zu simulieren war. Unter der Annahme von zukünftig täglich zwei Lade- und Entladevorgängen ergeben sich jährlich ca. 700 Zyklen. Projektziel war die Identifizierung geeigneter Schüttgutmaterialien, die sich bei gegebenen Belastungsanforderungen hinsichtlich thermischer und mechanischer Langzeitstabilität und Materialkosten eignen. Aufgrund bestehender vertraglicher Vereinbarungen zwischen den Projektpartnern wird nachfolgend auf eine konkrete Bezeichnung der analysierten Mineralien zur Speicherung thermischer Energie verzichtet.
Die ersten beiden Versuchsreihen wurden jeweils mit einem quarzhaltigen und einem keramischen Schüttgut über jeweils 700 Be- und Entladezyklen durchgeführt. Thermisches Laden und Entladen von jeweils 700 Zyklen entsprach einem Jahreszyklus des thermischen Speichers für ein Druckluftspeicherkraftwerk unter der Voraussetzung eines zukünftig hohen Anteils an Erneuerbaren Energien bei der Energieversorgung. Nach Beendigung der Versuche wurde die Bruch- und Staubmenge im quarzhaltigen Schüttgut zu 1 % und bei keramischen Schüttgut zu 0,08 % des eingefüllten Schüttgutes bestimmt. Während der Testphasen konnte für beide Schüttgüter kein Anstieg des Druckverlustes, was auf eine erhebliche Zerstörung der Schüttguter hinweisen würde, festgestellt werden. Obwohl keramische Schüttgüter sich durch ihre guten thermischen Speichereigenschaften auszeichnen, sind vor allem die hohen Materialkosten für die Umsetzung und Anwendung in einer Pilotanlage ein Ausschlusskriterium.
Bei dem quarzhaltigen Schüttgut führt die Phasenumwandlung des Quarzanteils von α- in β-Quarz bei 575 °C zu einer Volumenzunahme von ca. 6 %. Statt eines quarzhaltigen metamorphen Minerals sollte ein Schüttgut eingesetzt werden, das keine Mineralanteile enthält, die im angewendeten Temperaturbereich eine Phasenumwandlung aufweisen und sich zusätzlich durch eine hohe Wärmekapazität sowie niedrige Materialkosten auszeichnet.
Aus diesem Grund wurde in einer weiteren Versuchsreihe ein Langzeitversuch mit einem quarzfreien Mineral mit insgesamt 7000 Be- und Entladezyklen durchgeführt. Hiermit wurde ein Betrieb des thermischen Speichers für einen Zeitraum von zehn Jahren simuliert. Im Vergleich zu den Versuchen mit quarzhaltigen und keramischen Schüttgüt stieg über den Langzeitversuch der Bruchanteil nicht an und der relative Bruch hatte einen niedrigeren Wert von ca. 0,5% der Gesamtmasse. Die Versuche haben gezeigt, dass die thermische Langzeitstabilität bei quarfreien Mineralien gegeben ist und diese sich auch aus ökonomischen Gründen für den Einsatz in einer Pilotanlage eignen.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-374617.html