Druckluftspeicher

Druckluftspeicher und die Energie

Bei Druckluftspeichern ist die absolute Dichte des Speichers die wichtigste Bedingung. Das erste Druckluftspeicher/Gasturbinen-Kraftwerk der Welt wird von der Firma Nordwestdeutsche Kraftwerke AG im niedersächsischen Elsfleth-Neuenhuntorf, zwischen Bremen und Oldenburg, errichtet, die Idee zu dieser Speichermethode ist da allerdings schon rund 30 Jahre alt.

Der billigere Nachtstrom wird dazu genutzt, um mit einer, an einen 60 MW-Elektromotor angeschlossenen Pumpe Luft in zwei ausgelaugten Salzstöcken zusammenzupressen. Diese zylindrischen Salzkavernen mit je 150.000 m² liegen in 600 – 800 m Tiefe und besitzen zusammen eine Leistung von 290 MW über 2 Stunden. Bei Spitzenbedarfszeiten nährt die herausdrängende Luft die Erdgasverbrennung zum Antrieb von Stromgeneratoren im Kraftwerk. Durch diese Methode wird auch das allgemeine Übel der Gasgeneratoren aus der Welt geschafft, nämlich der geringe Wirkungsgrad und die damit verbundene niedrige Leistung dieser Generatoren.

Das Projekt wird 1975 gestartet, die Kostenkalkulation beläuft sich auf 92 Mio. DM, und der Baubeginn erfolgt Anfang 1978. Die Luftfüllung bis zu einem Druck von 70 bar dauert acht Stunden. In den zwei Stunden, in denen die wieder austretende Luft die Verbrennung verstärkt, sinkt der Druck von 70 auf 45 Bar – wonach dem System ‚die Puste ausgeht’. Sehr aufwendig bei dieser Speichermethode ist auch die notwendige Wasserspülung mit Süßwasser, damit die Salz­reste die Turbinen nicht angreifen.

Eine ähnliche Anlage arbeitet seit 1991 in Alabama, allerdings liegt der Wirkungsgrad nur zwischen 40 % und 50 %. Bei dieser Anlage in McIntosh handelt es sich um eine Salzkaverne von 538.000 m² Volumen in 450 – 750 m Tiefe, die 110 MW über einen Zeitraum von 26 Stunden verfügbar macht. Gespeichert wird die Luft bei einem druck zwischen 45 – 76 bar.

Der Wirkungsgrad der Druckluftspeicher – Anlage Neuenhuntorf wird dagegen mit 70 % bis 95 % angegeben, wobei den Unterschied eine angekoppelte Wärmerückgewinnungsanlage erwirtschaftet.

Andere Druckluftspeicher – Systeme beschränken sich auf die Komprimierung der Luft und nutzen die reine Preßluft (ohne Gaszufuhr) zur Spitzenlastdeckung. Bei diesen Systemen muß die Kompressionswärme allerdings in einem Wärmeträger gespeichert werden, weil der Gesamtwirkungsgrad sonst zu klein wäre.

Durch den weiteren Ausbau der Windenergie verschärft sich der Bedarf an so genannter Regelenergie zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage, die bislang von sogenannten Schattenkraftwerken (meist schnell anfahrende Gasturbinen) zur Verfügung gestellt wird. Experten rechnen damit, daß dieser Bedarf bis 2015 auf rund 3.200 MW steigen wird.

Im März 2006 verlautet seitens dem Energieversorger EnBW daher, daß man am Bau einer Anlage zur unterirdischen Speicherung von Druckluft in Salzstöcken arbeitet, in dem Energie aus unsteten Quellen wie der Windkraftanlagen zwischengespeichert werden soll.

Bei einem Überangebot an Strom, vor allem nachts, wird Luft mit bis zum 100fachen des normalen Atmosphärendrucks in zwei Salzkavernen mit 150.000 Kubikmetern Fassungsvermögen gepreßt. Diese unterirdischen Hohlräume liegen rund 800 m tief, sie sind etwa 200 m hoch und zwischen 50 und 80 m breit. Übersteigt die Nachfrage an Strom dagegen das Angebot, treibt die Druckluft Turbinen an, die über einen Generator Strom erzeugt.

In einem europäischen Forschungsprojekt (AA-CAES) prüfen 19 Unternehmen und Institute ab 2003, wie das ganze wirtschaftlich machbar ist. Beteiligt sind Energieversorger wie RWE und Eon, Kraftwerkhersteller wie MAN Turbo und Alstom, sowie das DLR.

Das geplante EnBW-Kraftwerk soll zunächst wie das in Huntorf mit Gasbefeuerung arbeiten, während in der zweiten Phase das so genannte ‚adiabate’ Prinzip umgesetzt werden soll. Adiabat (ohne Wärmeaustausch verlaufend) bedeutet in diesem Fall, daß die bei der Kompression entstehende Wärme von bis zu 600°C zwischengespeichert und später zum Anheizen der Luft bei der Rückumwandlung genutzt wird – ohne Zufeuerung fossiler Brennstoffe. Die Dimension der Anlage soll zwischen 150 und 600 MW liegen, die Kosten werden auf 75 bis 300 Mio. € geschätzt, mit dem Baubeginn wird in der zweiten Hälfte 2009 und mit der Inbetriebnahme 2011 gerechnet.

Weltweit werden derzeit rund zehn Druckluftspeicher alten Typs geplant, insbesondere in den USA, wo man damit das labile Stromnetz stabilisieren will (Stand 1998).

Inzwischen nimmt die Druckluftspeicherung für dezentrale Anwendungen zu. Auch die Methoden der Luftkomprimierung können variieren. Ein Ausschuß der amerikanischen National Academy of Sciences gräbt 1976 einen Bericht aus dem Jahre 1907 aus (!), in dem von einer Methode die Rede ist, der zufolge in einem Rohr von 1,50 m Durchmesser und 22 m Höhe Wasser zum Fallen gebracht wird, womit Luft auf 8 bar komprimiert werden kann. Mit diesem System soll eine Leistung von etwa 750 kW erzielt werden– bei einem Wirkungsgrad von 85 %. Ein funktionsfähiges Modell soll sich in einem naturwissenschaftlichen Museum in Toronto befinden.

Zur kurzzeitigen Energieversorgung bietet 2006 das US-Unternehmen Active Power, das sich auch mit Schwungrad-Speichern beschäftigt, mit dem CoolAir System einen Thermal- und Druckluft-Speicher an, der ein Maximum von 80 kW für 15 Minuten bereitstellt. Es ist mit Druckluftflaschen und einem Thermalspeicher mit 1.300°C bestückt, der beim Betrieb die Druckluft vorheizt, bevor sie durch die stromerzeugende Expansionsturbine geleitet wird. Zur Überbrückung der Anlaufzeit von einigen Sekunden beinhaltet das System auch eine kleine Schwungscheibe.

Doch noch viel mehr Interesse wird der Druckluft im Verkehrs- und Transportwesen entgegengebracht. Der französische Physiker und Mathematiker Denis Papin (1647 – 1712) schlägt bereits 1687 der Société Royale in London den Einsatz von Druckluft vor, um Energie von einem Ort zum anderen zu transportieren. Es dauert allerdings bis 1838, bis Andraud und Tessié du Motay ein Fahrzeug konstruieren, das mittels Druckluft fortbewegt und 1840 in Paris öffentlich vorgestellt werden kann.

Ebenfalls 1838 erhält der Wiener Pfarrer Andorfer ein Patent auf seine durch Preßluft angetriebene Lokomotive. 1872 beginnt dann der Franzose Louis Mékarski mit seinen Arbeiten, Straßenbahnen der Creusot-Werke für den Druckluft-Betrieb umzubauen, und die Versuche laufen von 1876 bis 1879, als auf der Strecke ‚Tramways-Nord’ der erste reguläre Betrieb zwischen Doulon und Chantenay bei Nantes aufgenommen wird. Im Laufe der folgenden zehn Jahre werden noch weitere Orte an das Druckluft-Straßenbahnnetz angeschlossen, sobald dort Nachfüllstationen aufgebaut worden sind. Eine der Mékarski-Straßenbahnen, die 1917 aus dem Verkehr genommen wurde, ist die einzige Überlebende jener Epoche – sie befindet sich heute im Besitz des AMTUIR-Museums (Musée des transports urbain, interurbain est ruraux) in Colombes.

Ebenfalls in der 1970er Jahren soll Vittorio Sorgato aus Mailand ein beeindruckendes Luftdruckauto gebaut habn, das in flüssiger Form gespeicherte Druckluft verwendete. Diese Idee fand in Italien zunächst großen Anklang, geriet aber trotzdem schnell wieder in Vergessenheit.

Ohne Datum ist der Bericht über einen gewissen Joseph P. Troyan, der ein (Druck-?)luftbetriebenes Schwungrad erfand, das nach dem Prinzip der ‚Verhältnissteigerung von Bewegung in einem geschlossenen System’ ein Auto antreiben konnte. Dieser Troyan-Motor (US-Patent Nr. 040.011) konnte auch leicht an einen Generator angeschlossen werden.

Und David McClintock, der auch als der ursprüngliche Erfinder des Differential-Getriebes gilt, erfand einen Luftdruckmotor (US-Patent Nr. 2.982.261), der keinen Kraftstoff verbraucht, sondern sich mithilfe seines eigenen Luftkompressors selbst antreibt. Es soll sich um eine Kreuzung zwischen einem 3-Zylinder-Diesel und einer Rotationsmaschine mit verschiedenen Getrieben gehandelt haben, nähere Informationen sind mir nicht bekannt.

In unserer Zeit besteht das größte Interesse daran, ein Druckluft-betriebenes Auto bis zur Serienreife zu entwickeln, und verschiedene Unternehmen beschäftigen sich auch schon mit dieser Thematik. Am bekanntesten ist wohl Guy Nègre, der mit seinem Franchisekonzept (modular aufzubauende Komplettfabriken für begrenzte Lizenzgebiete) gleich den ganzen Erball aufrollen will… nur daß seine Wagen nicht so rollten wie sie sollten:

Der aus Narbonne stammende Ingenieur Nègre beginnt 1991 mit der Entwicklung eines Druckluftautos. Das Modell CityCAT (Compressed Air Technologies), das er 1997 fertig stellt, soll in erster Linie als Taxi zum Einsatz kommen. In den Folgejahren werden diverse Konzeptstudien daraus abgeleitet – angefangen von einer luxuriösen 4-Sitzer Business-Version bis hin zu Kleintransportern für den innerstädtischen Lieferbetrieb. Der spätere MiniCAT, der für 8.000 € auf den Markt kommen soll, hat drei Sitzplätze vorn, mit einen zentralem Steuersitz, ist 2,65 m lang, wiegt 550 kg und soll eine Reichweite von 150 km haben. Die Druckluftflasche ist unter den Sitzen angebracht.

Auf dem Pariser Automobilsalon im Oktober 2002 stellt Nègres Firma MDI den mit Druckluft und Wasserstoff angetriebenen Aircar vor, ein Pressluftauto. Herz des 3,84 m langen und 720 kg leichten Sechs-Sitzers ist ein Vierzylinder-Motor mit 800 cm3, der über eine zusätzliche Reaktionskammer verfügt. In dieser Kammer herrscht ein Druck von 20 Bar bei 400°C. Dort hinein wird kalte Druckluft (aus in den Wagenboden eingebaute Flaschen) gespritzt, die sich blitzschnell ausdehnt und den Kolben antreibt. Dieses wiederholt sich für jeden Arbeitsgang der beiden Zylinder. Mit seiner auf 90 Liter komprimierten 90-Kubikmeter-Füllung hat der Wagen eine Reichweite von 200 – 300 km, seine Höchstgeschwindigkeit liegt bei 110 km/h. Die wageneigenen Druckluft-Flaschen lassen sich in 3 Minuten an einer Druckluftstation oder in 4 Stunden durch einen mitgelieferten elektrischen Kompressor wieder befüllen. Die Kosten pro Tankfüllung liegen unter 2 €. Bislang nur als Konzeptstudie existiert der MultiCAT, der als größerer Lieferwagen oder als Kleinbus zum Einsatz kommen soll.

Besonders großen Einsatz zeigt die MDI bei der Akquise von Lizenznehmern, die einen nach Einwohnerzahlen aufgeschlüsselten Absatzbereich zugesprochen bekommen, für den sie dann auf eigene Kosten Lizenzwerke aufbauen müssen, in denen die Wagen gefertigt werden. Es werden globale Claims abgesteckt und das Unternehmen behauptet bereits 2002, weltweit schon 62 solcher Lizenznehmer als Vertragspartner gefunden zu haben – wobei der Gebietsschutz jeweils 300.000 € kostet! Die MDI-Fertigungshallen inklusive Produktionsanlagen, Schauraum und Büros schlagen dann nochmals mit 9,2 Mio. € zu Buche.

Im Laufe der vergangenen Jahre wurden seitens Guy Nègre jedoch so viele Versprechungen gemacht, die dann nie erfüllt wurden, daß sich eine ganze Reihe früherer Partner wieder von ihm getrennt haben und zum Teil sogar Anzeige wegen Betrugs gestellt haben.

Insider erwarten nicht, daß seine Fahrzeuge jemals tatsächlich in Produktion gehen, auch die seine Nominierung zum Eurosolarpreis wurde wieder zurückgezogen.

Im Jahr 2005 tritt die Magesa Trust GmbH aus dem schweizerischen Trimmis auf (ein ehemaliger Lizenznehmer von MDI) und gibt bekannt, daß man im Oktober 2006 mit der Serienproduktion des Aircar Modular 4 beginnen werde, bei dem ein selbstentwickelter 6 Zylinder mit 600 cm3 zum Einsatz kommen soll. Bis dahin erfolge die Beendigung der Testphase und die Herstellung der ersten Vorserie.  Als Preis des Wagens in der Grundausstattung wird ein Betrag unterhalb von 10.000.- € genannt. Laut eigenen Angaben habe das Unternehmen bereits 45.000 Vorbestellungen.

Über ein weiteres Luftdruck-Auto wird aus Australien berichtet, wo es von dem Motordesigner Angelo Di Pietro beim Unternehmen Engineair Pty Ltd. in Melbourne entwickelt wurde. Die Petro, 1950 im italienischen Avellino geboren, arbeitete 1969 und 1970 im Stuttgarter Entwicklungslabor von Mercedes Benz am Wankel-Motor, und wanderte 1970 nach Australien aus. 1999 meldet er einen Durchbruch bei der Entwicklung eines besonders effizienten Motors und gründet ein Jahr später die Engineair. Die neuen Luftdruckmotoren werden erfolgreich in kleineren Fahrzeugen, Rollern und sogar als Außenborder für Boote getestet. Im August 2004 stellt das Unternehmen einen marktreifen kleinen, Druckluft-betriebenen Transporter vor, außerdem soll ein weiterer ‚Enginair Carrier’ zum Einsatz im (geschlossenen) Melbourne Wholesale Fruit & Vegetable Market entwickelt werden, wo bislang 300 Transporter mit benzinschluckenden und Abgase emittierenden 2-Kolbenmotoren herumfahren.

Das von Engineair vorgestellte Fahrzeug ist mit einem speziell entwickelten Rotationskolbenmotor ausgestattet und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 50 km/h. Interessenten melden sich aus den USA, China, den Niederlanden und Großbritannien.

Die AP Technologies in Nevada, U.S.A. ist ein weiteres Unternehmen auf dem Markt der emissionsfreien Antriebstechnologien, das sich „in weniger als fünf Jahren (…) zu einem führenden Fahrzeughersteller in Europa und weltweit entwickeln“ will – so steht es 2006 jedenfalls auf der Homepage des Unternehmens. Die Forschungsabteilung ist im schweizerischen Chur angesiedelt. APT forscht, entwickelt und plant die Produktion von Antriebssystemen für Fahrzeuge und Boote auf der Basis von Druckluft, flüssiger Luft und Brennstoffzellen.

Kerngeschäft ist die Entwicklung, Herstellung und Vermarktung von umweltschonender und kostengünstiger Antriebstechnologie basierend auf komprimierter Luft. Die Idee und Vorarbeit wurde durch den Gründer Gerd Mattheiss gelegt. Für die technische Umsetzung zeichnet Klaus Herrmann verantwortlich, ein Ingenieur und Wissenschaftler der sich bereits seit über 20 Jahren mit dieser Technologie auseinandersetzt.

Wenn Luft entspannt wird, kühl sie sich ab. Bei allen Expansionsmotoren, gleich welcher Bauart, ist deshalb die Abkühlung der Luft im Expansionsmotor ein Problem. Bei starker Abkühlung kondensiert die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit. Es kommt zur Eisbildung und zur Verstopfung der Strömungskanäle durch ‚Raureif’. Auch können Bauteile verspröden oder Schmiermittel einfrieren. Druckluft von 300 bar und Umgebungstemperatur kühlt sich bei freier Expansion so stark ab, dass Systembauteile Temperaturen von minus 40°C erreichen können. ATP löst das Problem durch eine Vorerwärmung der Druckluft vor dem eigentlichen Expansionsprozess. Die dafür benötigte Energie lässt sich zu einem großen Teil im Expansionsmotor zurückgewinnen.

Insbesondere mit dem Umbau eines Smart fortwo in ein druckluftbetriebenes Fahrzeug will das Unternehmen nun beweisen, daß druckluftbetriebene Fahrzeuge auch im praktischen Betrieb funktionieren. Die erzielte Reichweite ist mit ca. 50 km eine recht gute Leistung, die aber weiter ausgebaut werden soll. Der Smart wird mit herkömmlichen Tauchflaschen betrieben, und der Motor erreicht eine Leistung von ca. 28 kW/h.

Die APT Antriebsystem sei an Effizienz und Laufruhe weltweit kaum zu übertreffen. Da es sich bei dem Herzstück, dem Motor, um einen Drehkolbenmotor handelt, ist keine statische Aufladung wie bei Hubkolbenmotoren feststellbar. Der 6-Zylinder Motor benötigt lediglich 0,07 bar um die Reibung zu überwinden. Es würde ausreichen, in den Motor hineinzublasen, um ihn in Drehung zu versetzen.

Laut Unternehmen gibt es weltweit keinen vergleichbar effizienten Rotationsmotor der einen Wirkungsgrad von über 85 % erreicht. Das APT Antriebsystem sei damit um ein vielfaches effizienter als alle bekannten Druckluftmotoren weltweit. Für den Betrieb des Motors wird kein Öl zur Schmierung verwendet, die Bauart des Motors ermöglicht eine Luftpolsterung der Kolben und der beweglichen Teile.

Das Unternehmen führt bereits folgende fahrtaugliche Prototypen  vor:  

* einen stickstoffbetriebenen GoCart

* einen druckluftbetriebenen Smart

* einen druckluftbetrieben Pick-Up

Bereits im August 2005 geht der GolfCar in Vorserie. Das 140 cm lange Kleinfahrzeug wiegt 110 kg, erlaubt eine Zuladung von 200 kg und eine Höchstgeschwindigkeit von 25 km/h. Die Reichweite beträgt ca. 15 km – und ab Werk soll der Wagen rund 4.000 € kosten. Der ebenfalls Mitte 2005 fertiggestellte Pick-Up ist ein Fahrzeug mit 175 l Tankinhalt (bei 200 bar) und einer voraussichtlichen Reichweite von 200 km.

Ein weiteres Fahrzeug an dem noch gearbeitet wird ist mit Kevlar Karbon Druckluftbehältern von EADS in Frankreich ausgerüstet und soll mit ca. 300 l komprimierter Luft eine Reichweite von 200 km erzielen. Die Betankung erfolgt mittels Kompressor, dabei entstehen Energiekosten von ca. 2,80 € je ‚Tankfüllung’. Die geplanten CityCars werden anfänglich eine Reichweite von ca. 300 km aufweisen, mit dem Beginn der Serienproduktion rechnet man im 1. Quartal 2007.

Schon spielen kann man mit einem Druckluft-betriebenen Modellauto Dragster, das in den USA vertrieben wird. In Deutschland hat es früher auch Spielzeugraketen gegeben, die mit Druckluft ‚abgehoben’ sind.