Hohe Effizienz 03.08.2016, 10:24 Uhr

Wie die Schweizer Druckluft in Tunnel am Gotthard als Energiespeicher nutzen

Da ist der neue Gotthardbasistunnel gerade eingeweiht, da nutzt die Schweiz einen der alten Versorgungstunnel als Energiespeicher. 100 m des Tunnels sind jetzt testweise ein Druckluftspeicher, um Energiespitzen auszugleichen. Dabei wollen die Schweizer erstaunliche Wirkungsgrade erreichen.

Die Ingenieure Giw Zanganeh (l.) und Andreas Haselbacher, beide von der ETH Zürich, im Druckluftspeicherkraftwerk im Gotthard.

Die Ingenieure Giw Zanganeh (l.) und Andreas Haselbacher, beide von der ETH Zürich, im Druckluftspeicherkraftwerk im Gotthard.

Foto: Bundesamt für Energie

Über den Stollen wurde bis vor einigen Jahren der Aushub aus dem Gotthardbasistunnel nach draußen geschafft, der gerade erst, am 1. Juni, eingeweiht wurde. Die Tunnelbohrer der deutschen Firma Herrenknecht hatten 2003 begonnen, sich durch das massive Gestein des Gotthard zu bohren. Der Durchbruch gelang am 15. Oktober 2010.

Und nun wird der Tunnel, über den das gebrochene Gestein nach draußen geschafft wurde, dafür genutzt, ein Druckluftspeicherkraftwerk zu erproben. Die Federführung haben Ingenieure der ETH Zürich. 100 m des Stollens wurden hermetisch abgeriegelt und mit Hochleistungspumpen ausgestattet, die überschüssigen Strom nutzen, um die Luft im Stollen zu verdichten.

100 m Stollen sind nun ein Druckluftspeicher

„Mit der überflüssigen Energie wird ein Generator betrieben, der Luft in einen Stollen presst“, schildert Ingenieur Giw Zanganeh, Leiter des vom Schweizer Bundesamt für Energie geförderten Projektes mit dem Namen Alacaes im Gespräch mit der Schweizer Nachrichtenagentur. „Wenn Strombedarf herrscht, wird der Fluss umgekehrt, das heißt die Druckluft wird abgelassen und erzeugt mittels einer Turbine elektrische Energie.“ Vier Millionen Franken gibt die Schweiz für den Testbetrieb aus.

Für ihren Druckluftspeicher nutzen Ingenieure der ETH Zürich einen alten Versorgungstunnel, durch den der Abraum des Gotthardbasistunnels ins Freie geschafft wurde.

Für ihren Druckluftspeicher nutzen Ingenieure der ETH Zürich einen alten Versorgungstunnel, durch den der Abraum des Gotthardbasistunnels ins Freie geschafft wurde.

Foto: Bundesamt für Energie

In der 100 m langen Druckkammer mitten im Stollen, die mit Stahltüren abgeriegelt ist, wird die Luft auf bis zu 33 bar verdichtet. Im gerade angelaufenen Testbetrieb wird untersucht, wie der Berg mit dem hohen Druck umgeht, ob er beispielsweise Vibrationen oder Erschütterungen auslöst.

Schweizer wollen Wirkungsgrad von 72 % erreichen

Die Besonderheit des Schweizer Druckluftspeichers ist aber weniger der Stollen und der Druck, sondern die hohe Effizienz, die die Ingenieure erreichen wollen. Sie planen einen Wirkungsgrad von mehr als 70 %. Die beiden einzigen derzeit in Betrieb befindlichen kommerziellen Druckluftspeicherkraftwerke in Deutschland und den USA liegen um die 50 %.

Das Druckluftspeicherkraftwerk in Huntorf ging bereits 1978 in Betrieb. Die beiden Salzkavernen befinden sich in einer Tiefe zwischen 650 und 800 m.

Das Druckluftspeicherkraftwerk in Huntorf ging bereits 1978 in Betrieb. Die beiden Salzkavernen befinden sich in einer Tiefe zwischen 650 und 800 m.

Foto: KBB Underground Technologies

In Huntorf bei Wilhelmshaven liegt das älteste Druckluftkraftwerk der Welt. Es wurde 1978 als Kombination von Druckluftspeicher- und Gasturbinenkraftwerk in Betrieb genommen und nutzt zwei Hohlräume in einer Sole in einer Tiefe zwischen 650 und 800 m. Die Luft wird auf 65 bis 72 bar verdichtet, also etwa doppelt so stark wie im Druckluftspeicher im Gotthard.

Durch Modernisierung kommt Huntorf auf eine Leistung von 321 MW. Der Wirkungsgrad liegt aber nur etwas über 40 %. Das liegt daran, dass die durch die Kompression erhitzte Luft erst gekühlt werden muss, bevor sie in der Sole gespeichert wird. Vor der Einleitung in die Turbine muss die Luft unter Einsatz von Erdgas wieder erwärmt werden.

Im Gotthard wurde ein Wärmespeicher eingebaut

Genau hier setzen die Schweizer Ingenieure an. Sie haben in den Tunnel einen Raum eingebaut, der mit Steinen gefüllt ist und die Wärme, die bei der Kompression der Luft auftritt, speichert und später bei Bedarf wieder abgibt. Bei dem Schweizer Verfahren wird die Luft in zwei Stufen verdichtet, wobei Temperaturen von bis zu 550 °C auftreten. Durch die Speicherung dieser Energie und späteren Nutzung wollen die Ingenieure einen Wirkungsgrad von bis zu 72 % erreichen.

Bei der Kompression der Luft entstehen Temperaturen von bis zu 550 °C. Durch die Speicherung dieser Energie in einem Raum, der mit Steinen gefüllt ist, lässt sich die Energie später wieder nutzen. Dadurch wollen die Schweizer Ingenieure einen Wirkungsgrad von bis zu 72 % erreichen. 

Bei der Kompression der Luft entstehen Temperaturen von bis zu 550 °C. Durch die Speicherung dieser Energie in einem Raum, der mit Steinen gefüllt ist, lässt sich die Energie später wieder nutzen. Dadurch wollen die Schweizer Ingenieure einen Wirkungsgrad von bis zu 72 % erreichen. 

Foto: Bundesamt für Energie

Die Energiespeicherung ist deshalb so wichtig, weil für den zuverlässigen Betrieb der Turbinen mit Druckluft eine gleichbleibende Temperatur der Luft notwendig ist. Deshalb wird die Druckluft von Huntorf mit Gas erwärmt, was die Effizienz absenkt. Beim zweiten kommerziellen Druckluftspeicherkraftwerk, das 1991 in McIntosh in den USA in Betrieb ging, liegt der Wirkungsgrad bei knapp über 50 %. Dort wird Abwärme der Gasturbine zur Erwärmung der Druckluft genutzt, was den Wirkungsgrad im Vergleich zu Huntorf verbessert.

Auch Wasserdruck eignet sich als Energiespeicher

Mit Druck arbeitet auch ein anderer Ingenieur, um Energie zu speichern. Prof. Eduard Heindl von der Hochschule Furtwangen verfolgt die Idee eines Schwerkraft-Stromspeichers: Dabei soll ein runder Felszylinder mit einem Durchmesser von einem Kilometer von unten durch Wasserdruck in die Höhe gehoben werden und so Energie speichern.

Stahltüren verschließen den Versorgungstunnel im Gotthard auf beiden Seiten und machen ihn damit zu einem Druckluftspeicher.

Stahltüren verschließen den Versorgungstunnel im Gotthard auf beiden Seiten und machen ihn damit zu einem Druckluftspeicher.

Foto: Bundesamt für Energie

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