Druckluftspeicher haben bisher ihre Eignung als Ausgleichsmedium für die Energiewende noch nicht unter Beweis gestellt. Zwei neue Konzepte drängen nun auf den Markt.
Funktionsweise des Flüssigluft-Stromspeichers.
Phelas
Das Speicherproblem der Energiewende ist nach wie vor ungelöst. Auch mechanische Speicher, die durchaus denkbar wären, haben ihre Eignung bisher nicht unter Beweis gestellt. "Für die Speicherung von Strom stehen eine Reihe von Alternativen zur Verfügung, u. a. Speicherung in mechanische Energie (wie Pumpspeicher, Druckluftspeicher, Schwung- räder), […] Bislang hat sich jedoch noch keine dieser Technologien so weit durchgesetzt, dass auf den Einsatz von fossilen Spitzenlastkraftwerken verzichtet werden kann", erläutert Springer-Gabler-Autor Klaus-Michael Ahrend in seinem Buchkapitel Beispiele nachhaltiger Geschäftsmodelle auf Seite 193 den energiewirtschaftlichen Zusammenhang.
Derzeit drängen neue Konzepte auf dem Markt, die Druckluftspeicher zum Durchbruch verhelfen wollen. Eines davon wurde vom bayerischen Startup Phelas entwickelt, das von Absolventen der TU München gegründet wurde.
Luft flüssig und unter Druck speichern
Mit dem Aurora-System hat das Unternehmen aus Gilching einen neuen Ansatz zur Energiespeicherung in flüssiger Luft (Liquid Air Energy Storage – LAES), also einen Flüssigluft-Stromspeicher, entwickelt. Es nutzt sowohl den Druck als auch die kryogenen Temperaturen und die dem Phasenübergang innewohnende Enthalpie, um Energie zu speichern. Die Verflüssigung der Luft erfolgt durch die Komprimierung und Herunterkühlen. Der Ansatz ist neu und entsprechend patentiert. Der Fokus des Systems liegt auf der Senkung der Kapitalkosten. Effizienzüberlegungen mussten sich dem unterordnen.
Das System wird für praktische Anwendungen modular aufgebaut sein, um eine unabhängige Dimensionierung der Speicherleistung und -kapazität sowie eine einfache Transportierbarkeit der Speichersysteme zu ermöglichen. Die Module werden in Form von standardisierten 40-Fuß-Schiffscontainern gebaut. Damit sind sie gut an die globale Transportinfrastruktur angepasst.
Angestrebt wird eine Leistung zwischen1,5 MW im Lade- und Entlademodus für das Leistungsmodul aus einem Container. Für ein einzelnes Speichermodul, das ebenfalls aus einem Container besteht, wird eine Speicherkapazität von 2 MWhel angestrebt. Der angestrebte Wirkungsgrad liegt bei 50 bis 60 Prozent. Die Selbstentladung soll weniger als 1 Prozent pro Tag betragen, die Lebensdauer bei 25 Jahren liegen und mehr als 15 000 Zyklen ermöglichen.
Als Vorteile des Systems werden von Phelas vor allem die gegenüber konventionellen Druckluftspeichern höhere Energiedichte gesehen, aber auch die Verwendung bewährter und zuverlässiger Komponenten von der Stange, keine Abnutzung, die bessere Kostenstruktur im Gegensatz zu bisherigen Druckluftspeichern, das zum volatilen Strommarkt passende Design und flexible Speicherkonfigurationen. Zudem sind alle Komponenten ungiftig und gut verfügbar. Dafür war Phelas einer der Gewinner der Global EnergyTech Awards 2022, die vom Beratungsunternehmen Publicis Sapient vergeben werden.
Komponenten aus der Öl-Hydraulik
Ein weiteres bayerisches Unternehmen, 2-4-Energy, arbeitet ebenfalls an einer neuen Druckluftspeicherlösung – allerdings auf konventionellem Weg. Dabei werden nur bekannte und erprobte Bauteile aus der Öl-Hydraulik verwendet. Es kommt ebenfalls komplett ohne Gefahrstoffe aus. Weitere Vorteile sind: kein Memory-Effekt, keine Überspannungen, keine Brandgefahr, kein Leistungsabfall über die Zeit, nahezu unbegrenzte Lebensdauer, keine Entsorgungsprobleme und eine mögliche Nutzung als saisonaler Speicher. Der rein elektrische Wirkungsgrad liegt bei ungefähr 40 %.
Die Anlagengröße ist konzipiert für die Aufstellung innerhalb von Wohnhäusern. Der große Vorteil, der sich dadurch ergibt, ist die Nutzbarmachung der Abwärme und der Abkälte. Überschussstrom wird im Ergebnis zu 90 % in Nutzenergie verwandelt. Elektrischer Strom wird in Druckluft und in Wärme umgewandelt, die Druckluft wird gespeichert, die Wärme wird in den Häusern verbraucht. Bei Stromknappheit wird aus der Druckluft Strom erzeugt, die anfallende Kälte wird für Kühlzwecke verwendet.
Höchste Flexibilität ergibt sich, wenn die Wohnhäuser über Fernwärme- und Fernkälteleitungen miteinander verbunden sind. Wärme und Kälte müssen auch nicht sofort verbraucht werden, man kann sie mit wenig Aufwand dezentral speichern. Durch Vernetzung dieser Schwarmspeicher für Druckluft, Wärme und Kälte eröffnen sich für die Fernwärme ganz neue Möglichkeiten. Das Fernwärmenetz in unseren Städten wird zu einem riesigen virtuellen Stromspeicher, ergänzt um die Sektorenkopplung zu Power-to-Heat und Power-to-Cool.
Auch in der Mobilität anwendbar
Die erzeugte Druckluft wäre auch für die Mobilität zu verwenden. Diese Idee ist alles andere als neu. Bereits 1875 wurden Druckluftlokomotiven für den Bau des 15 km langen Gotthardtunnels verwendet. Die Vorteile für eine heutige Verwendung liegen auf der Hand: robuste Technik, keine Abgase, zu 100 % CO2-frei und keine Verbrennung. Die Sektorenkopplung wird erweitert auf Power-to-Mobility.
Die oben genannten Vorteile der Drucklufttechnik gegenüber der Batterietechnik könnten nach Unternehmensangaben insbesondere beim ÖPNV den Ausschlag für die Drucklufttechnik geben. Busse des ÖPNV haben trotz Kurzstreckenverkehr hohe jährliche Fahrleistungen von 60.000 bis 80.000 km. Es werden also viele schnelle Auftankvorgänge benötigt. Bei der Batterietechnik geht dies schnell zu Lasten der Kapazität und der Lebensdauer. Natürlich muss dafür erst eine neue Infrastruktur errichtet werden.
Bisher gibt es einen Prototyp für das Druckluftsystem. Die Markteinführung steht unmittelbar in den Startlöchern. Bereits 2023 sollen die ersten Systeme für Einfamilienhäuser auf den Markt gebracht werden. Damit kann auf dem eigenen Dach erzeugter PV-Strom über Stunden, Tage oder Monate gespeichert werden.
Dabei ist die Druckluftnutzung auch im energiewirtschaftlich größeren Maße denkbar. Bei der Expansion muss der Luft Wärme zugeführt werden, um die Vereisung bei turbinengestützten Systemen, zu denen jedoch nicht das 2-4 Energy-System gehört, zu vermeiden. "Somit sind bestehende Anlagen derzeit eine Kombination aus Druckluftspeicher und Gasturbinenkraftwerk. Bei adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerken, die sich noch im Entwicklungsstadium befinden, soll die Wärme aus der Kompression der Luft zwischengespeichert und später bei der Entspannung genutzt werden", beschreibt eine Möglichkeit Springer-Gabler-Autor Tim Wawer in seinem Buchkapitel Verbrauch, Erzeugung und Speicherung von Elektrizität ab Seite 64.