Wirkungsgradbestimmung von Druckluftspeicherkraftwerken
Der Stromspeicher-Wirkungsgrad von brennstoffbetriebenen Druckluftspeicherkraftwerken (Compressed Air Energy Storage, kurz CAES) ist nicht trivial zu definieren, da der energetische Beitrag der Eingangsenergien Strom und Brennstoff an der elektrischen Austrittsenergie nicht eindeutig ist. Es gibt verschiedene Ansätze, technisch sinnvolle Stromspeicher-Wirkungsgrade für CAES zu berechnen. Bisher konnte sich jedoch keine Methode durchsetzen, da eine echte Vergleichbarkeit mit dem Wirkungsgrad von reinen Stromspeichern wie Pumpspeichern und Batterien nicht gegeben ist. In diesem Beitrag wird daher eine neue ökonomische Sichtweise vorgestellt, bei der ein ökonomisch-äquivalenter Koeffizient heees definiert wird, der direkt mit Stromspeicher-Wirkungsgraden verglichen werden kann.
Druckluftspeicherkraftwerk Huntorf. Blick vom ‧Niederdruckverdichter über den Generator zu den Brennkammern. Bild: Uniper
Um verschiedene Stromspeicher vergleichen zu können, müssen geeignete charakteristische Werte definiert werden [1 bis 4]. Typischerweise werden Leistung, Kapazität und Kosten genannt, aber auch andere Faktoren wie Schwarzstartfähigkeit, Marktreife und Ressourcenaufwand sind wichtige Kriterien. Omnipräsent in Vergleichen von Stromspeichern ist der Wirkungsgrad, der angibt, wie viel des eingespeicherten Stroms nach Durchlauf durch den Speicher noch zur Verfügung steht. Er ist definiert als Verhältnis von elektrischer Arbeit, die beim Entladen in das Netz eingespeist wird (WEntladen), zu elektrischer Arbeit, die beim Laden dem Netz entnommen wird (WLaden):
(1)
Die Wirtschaftlichkeit von Stromspeichern hängt einerseits ganz wesentlich vom Investitionsaufwand und andererseits von den Verdienstmöglichkeiten ab. Vereinfacht man die Einnahmen von Stromspeichern auf den gewinnbringenden Ein- und Verkauf von Strom zu unterschiedlichen Preisen, dann können diese mit folgender Gleichung abgeschätzt werden:
Einnahmen = S (WEntladen · pEntladen) – S (WLaden · pLaden) (2)
wobei p der Strompreis ist, der beim Laden niedriger sein soll als beim Entladen. Mit dem Wirkungsgrad wie in Gleichung (1) kann dann nach den dimensionslosen Einnahmen umgestellt werden:
(3)
Dies verdeutlicht, dass der Wirkungsgrad nicht nur eine wesentliche technische, sondern auch eine entscheidende ökonomische Größe ist, da er die minimal erforderliche Strompreisdifferenz für den wirtschaftlichen Betrieb von Speichern bestimmt.
Druckluftspeicherkraftwerke
Druckluftspeicherkraftwerke (CAES) werden zumeist zusammen mit Pumpspeicherkraftwerken als mechanische Stromspeicher genannt. Beide Technologien haben gemein, dass große Anlagen (> 100 MW) bereits seit mehreren Jahrzehnten im kommerziellen Betrieb erprobt sind; eine hohe Zyklenfestigkeit ist erwiesen; die Arbeits- und Speichermedien (Luft beziehungsweise Wasser) sind günstig und umweltfreundlich. Der wesentliche Unterschied beider Technologien ist jedoch, dass das Speichermedium Luft kompressibel ist und somit beim Einspeichern (Kompression) Wärme entsteht und beim Ausspeichern (Expansion) Wärme zugeführt werden muss. Für den Gesamtprozess ist also entweder eine effiziente Wärmespeicherung oder die Zufuhr von Wärme als zusätzliche Energiequelle erforderlich. Druckluftspeicher sind also keine rein mechanischen, sondern immer thermo-mechanische Systeme. Weiterhin, sofern eine externe Wärmezufuhr genutzt wird, liegt kein reiner Strom-zu-Strom-Speicher vor, sondern ein ambivalentes System, das auch Eigenschaften eines Erzeugungskraftwerkes aufweist. Bei den existierenden Druckluftspeicherkraftwerken wird Wärme in Form von Erdgas zugeführt – es handelt sich also um thermo-mechanische Stromspeicher und -erzeuger.
Eine andere Entwicklungslinie von CAES sind so genannte „adiabate“ Druckluftspeicher (Adiabatic Compressed Air Energy Storage, kurz: ACAES), bei denen durch die Speicherung der Kompressionswärme auf die Zufuhr von Brennstoff verzichtet werden kann. Bei diesen ACAES-Konzepten liegt dann ein reiner Strom-zu-Strom-Speicher vor. Im Fokus dieses Beitrags liegen jedoch brennstoffbetriebene CAES-Systeme.
Wirtschaftlichkeit und Wirkungsgrade von CAES
Im Falle der brennstoffbetriebenen Druckluftspeicherkraftwerke sind die Einnahmen zusätzlich mit den Aufwendungen für den Brennstoff belastet (im Gegensatz zu reinen Stromspeichern, siehe Gleichung (2)), also:
Einnahmen = S (WEntladen · pEntladen) – S (WLaden · pLaden) – S (Q · pGas) (4)
wobei Q die Brennstoffenergie und pGas der Preis des Brennstoffs ist. Weiterhin stellt sich das Problem, dass kein „Strom-zu-Strom“-Wirkungsgrad bekannt ist, da der Beitrag von Brennstoffenergie und elektrischer Energie beim Laden auf die elektrische Energie beim Entladen strittig ist und somit kein direkter Vergleich mit anderen Stromspeichern auf Basis des technisch-wirtschaftlich relevanten Wirkungsgrades möglich ist. Wendet man Gleichung (1) direkt auf die elektrischen Energiemengen von CAES an, dann erhält man Werte > 1, da der Energieeintrag des Brennstoffs (Q im Bild) ignoriert würde.
Ein- und Ausgangs-Energieströme von reinen Stromspeichern (links) im Vergleich zu Druckluftspeichern (rechts). Bild: eigene Darstellung
Der oft zitierte Anlagenwirkungsgrad (hcaes) von 42 % für Huntorf oder 54 % für McIntosh [5] kann in diesem Kontext nicht bemüht werden, da die Wärme des zugeführten Brennstoffs diesen Wert ganz wesentlich bestimmt:
(5)
Offensichtlich ist ein so definierter Anlagenwirkungsgrad (Gleichung (5) nach Crotogino [5]) nicht identisch mit dem Speicherwirkungsgrad in Gleichung (1). Der ambivalente Charakter von CAES als Erzeugungs- und Speichereinheit wird auch deutlich, wenn der Wärmebedarf (heat rate, kurz hr) betrachtet wird, der angibt, wie viel elektrische Energie in das Netz eingespeist wird pro aufgewendeter Brennstoffenergie:
(6)
Die Problematik der Bestimmung eines adäquaten Speicher-Wirkungsgrades von CAES ist bereits weithin bekannt und wird in einigen Fachpublikationen betrachtet [2; 6 bis 10]. Succar [7], Elmegaard & Brix [8], Nielsen [9] und Budt et al. [10] diskutieren die Definition eines technisch korrekten Stromspeicher-Wirkungsgrades, indem die Brennstoffenergie mittels eines Referenz-Wirkungsgrades in eine äquivalente elektrische Energiemenge umgerechnet wird, um so den unterschiedlichen Energieformen (elektrisch und chemisch) Rechnung zu tragen. Auch der umgekehrte Ansatz (also die elektrische Energie in eine äquivalente Brennstoffenergiemenge umzurechnen) wird diskutiert. Die resultierenden Wirkungsgrade solcher Berechnungen sind jedoch stets vom willkürlich gewählten Referenzwirkungsgrad abhängig, wie Budt et al. [10] detailliert darlegen. Somit ist trotz dieser soliden Argumentationen der technische Vergleich von Wirkungsgraden reiner Stromspeicher mit derart rechnerisch angepassten Wirkungsgraden nach wie vor diskutabel. Darüber hinaus ist klar, dass keiner der genannten Ansätze im ökonomischen Sinne und somit in Gleichung (2) anwendbar ist.
Ökonomisch-äquivalenter Stromspeicher-Koeffizient
Um den technisch-ökonomischen Vergleich von reinen Stromspeichertechnologien wie Pumpspeichern und Batterien mit thermo-mechanischen Speichern wie Druckluftspeicherkraftwerken zu ermöglichen, wird ein ökonomisch-äquivalenter Stromspeicher-Koeffizient (heees) aus den Gleichungen (4), (5) und (6) für Druckluftspeicherkraftwerke hergeleitet, der uneingeschränkt in Gleichung (3) als Ersatz für den Strom-zu-Strom-Wirkungsgrad (h) verwendet werden kann:
(7)
Ein so definierter ökonomisch-äquivalenter Stromspeicher-Koeffizient (economic equivalent energy storage coefficient, heees) zuerst veröffentlicht in [11]) hat zwar keinerlei technische Signifikanz (da auch ökonomische Größen enthalten sind), kann aber als Instrument zur vereinfachten ökonomischen Bewertung und dem direkten Vergleich von Stromspeichern mit CAES verwendet werden.
Anwendungsbeispiel
Beispielrechnungen für die CAES-Anlagen Huntorf und McIntosh ergeben, dass bei niedrigen Preisen (Brennstoffpreis zu unterem Strompreis = 1 : 3) ein ökonomisch-äquivalenter Stromspeicher-Koeffizient von heees = 80 % für Huntorf und heees = 95 % für McIntosh erzielt werden kann. Bei hohen Brennstoffpreisen (Brennstoffpreis zu unterer Strompreis = 1 : 1) ist jedoch nur noch ein ökonomisch-äquivalenter Stromspeicher-Koeffizient von heees = 42 % für Huntorf und heees = 54 % für McIntosh anzuwenden. Die charakteristischen Größen der CAES-Prozesse Huntorf und McIntosh sowie die Ergebnisse der Berechnung sind in der Tabelle zusammengefasst.
| hcaes | hrcaes | heees
(pGas/pLaden = 1 : 1) |
heees
(pGas / pLaden = 1 : 3) |
|
| Huntorf | 0,42 | 1,7 | 42 % | 80 % |
| McIntosh | 0,54 | 1,2 | 54 % | 95 % |
Tabelle Übersicht der Anlagencharakteristika von Huntorf und McIntosh CAES und die sich daraus –ergebenden ökonomisch-äquivalenten Koeffizienten.
Zusammenfassung und Fazit
Einen Stromspeicher-Wirkungsgrad von brennstoffbetriebenen Druckluftspeicherkraftwerken (CAES) zu definieren, ist nicht trivial, da CAES keine reine Stromspeichertechnologie ist wie beispielsweise Pumpspeicher oder Batterien, sondern ein kombinierter Kraftwerks- und Speicherprozess. In der Literatur werden technisch korrekte Stromspeicher-Wirkungsgrade für CAES kontrovers diskutiert. In diesem Beitrag wird ein neuer Ansatz präsentiert, der zwar das technische Dilemma nicht löst, dafür aber eine ökonomisch sinnvolle Möglichkeit zum direkten Vergleich verschiedener Stromspeichertechnologien mit CAES bietet. Der ökonomisch-äquivalente Stromspeicher Koeffizient ist dabei sowohl von den technischen Charakteristika des jeweiligen CAES-Konzeptes abhängig als auch von dem Verhältnis Brennstoffpreis zu Strompreis, das die wirtschaftliche Effizienz von CAES maßgeblich mitbestimmt.
Literatur:
[1] Ibrahim, H.; Ilinca, A.; Perron, J.: Energy storage systems – Characteristics and comparisons, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12 (5) (2008), pp. 1221-1250. doi: 10.1016/j.rser.2007.01.023.
[2] Multon, B.; Robin, G.; Erambert, E.; Ben Ahmed, H.: Stockage de l‘énergie dans les applications stationnaires – Colloque Energie électrique: besoins, enjeux, technologies et applications 2004: pp. 64-77 hal-00676113 (2012). URL https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00676113
[3] Kaiser, F.; Busch, W.: Der beste Stromspeicher? – Pumpspeicher und die Alternativen, in: W. Busch, F. Kaiser (Eds.), Pumpspeicher für die Energiewende – Spitzentechnologie auf Eis? Band 34 der Schriftenreihe des Energie-Forschungszentrums Niedersachsen. Göttingen: Cuvillier Verlag, 2015, S. 72-87. doi:10.13140/RG.2.1.4341.4803.
[4] Beck, H.-P. et al.: Eignung von Speichertechnologien zum Erhalt der Systemsicherheit – Arbeitsgruppe Energiespeicher. Band 13 der Schriftenreihe des Energie-Forschungszentrums Niedersachsen. Göttingen: Cuvillier Verlag, 2013. ISBN: 978-3-95404-439-9.
[5] Crotogino, F.: Druckluftspeicher-GT-Kraftwerke: Ausgleich fluktuierender Stromproduktion. etz elektrotechnik & automation, 5 (2003) S. 12–18.
[6] Inage, S.-I.: Prospects for Large-Scale Energy Storage in Decarbonised Power Grids: Working Paper of International Energy Agency, Paris (2009).
[7] Succar, S.: Compressed Air Energy Storage: Chapter, in: J. G. Levine, F. S. Barnes (Eds.), Large energy storage systems handbook, Mechanical engineering series, CRC Press, Boca Raton, 2011.
[8] Elmegaard, B.; Brix, W.: Efficiency of Compressed Air Energy Storage: Report, Technical University of Denmark, Department of Mechanical Engineering (2011)
[9] Nielsen, L.: GuD-Druckluftspeicherkraftwerk mit Wärmespeicher: Promotion an der Technischen Universität Braunschweig. Band 14 der Schriftenreihe des Energie-Forschungszentrums Niedersachsen (EFZN). Göttingen:Cuvillier Verlag, 2013.
[10] Budt, M.; Wolf, D.; Span, R.; Yan, J.: A review on compressed air energy storage: Basic principles, past milestones and recent developments. Applied Energy 170 (2016), pp. 250-268. doi:10.1016/j.apenergy.2016.02.108.
[11] Kaiser, F.: Economic equivalent energy storage energy storage efficiency (heees) for Compressed Air Energy Storage (CAES). Working Paper, Energie-Forschungszentrum Niedersachsen, Goslar, June 2016. doi: 10.13140/RG.2.1.4989.9125.
Dipl.-Ing. Friederike Kaiser, Jahrgang 1987, Studium mit den Fachrichtungen Chemieingenieurwesen und Umweltprozesstechnik an der TU Clausthal. Seit 2013 wissenschaftliche Mitarbeiterin am Energie-Forschungszentrum Niedersachsen, Goslar.
