Kann man so Luft spielen? Die Unterwasser-Energiespeicherung mit konstantem Druck von Druckluft ist da!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Liu Changchun (Assoziierter Forscher, Institut für Technische Thermophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Die Offshore-Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, insbesondere aus Windkraft, befindet sich in einer Phase der groß angelegten Entwicklung. Nach Angaben der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IEA) und der China Wind Energy Association (CWEA) wird die weltweit installierte Kapazität an Offshore-Windkraft bis 2023 um 7,3 GW steigen und insgesamt mehr als 50 GW erreichen. Chinas installierte Offshore-Windkraftkapazität erreichte 37,7 GW und liegt damit weltweit an erster Stelle.

Aufgrund der Volatilität, Zufälligkeit und Unvorhersehbarkeit erneuerbarer Energien ist es schwierig, den stabilen Energiebedarf privater Nutzer zu decken. Energiespeicher speichern überschüssigen Strom, wenn ein Stromüberschuss vorhanden ist, und geben die gespeicherte Energie frei, um die Stromlücke zu schließen, wenn ein Strommangel vorliegt. Dadurch kann eine gleichmäßige Erzeugung erneuerbarer Energien erreicht, der Energiebedarf der Nutzer gedeckt und eine flexible Verbindung zwischen der Stromerzeugungs- und der Verbraucherseite hergestellt werden.

Mit der großflächigen Entwicklung erneuerbarer Offshore-Energie ist die Nachfrage nach Offshore-Energiespeichern dramatisch gestiegen. Die Entwicklung einer wirtschaftlichen, anwendbaren und zuverlässigen Offshore-Energiespeichertechnologie ist das erste Problem, das Energiespeicherexperten lösen müssen.

Druckluft-Energiespeichertechnologie

Bei der Druckluftspeichertechnologie handelt es sich um eine physikalische Energiespeichertechnologie, die auf der Grundlage der Gasturbinentechnologie entwickelt wurde. Das Systemprinzip ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Es zeichnet sich durch eine große Energiespeicherkapazität, lange Entladezeiten, niedrige Bau- und Betriebskosten sowie eine lange Lebensdauer aus.

Beim Speichern von Energie wird überschüssige oder nicht zu Spitzenzeiten verbrauchte elektrische Energie genutzt, um den Elektromotor anzutreiben und ihn zu drehen, wodurch elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Der Motor treibt den Kompressor an (eine Maschine, die Niederdruckgas auf Hochdruckgas erhöht), um die Luft von einem Niederdruckzustand auf einen Hochdruckzustand zu komprimieren. Die Hochdruckluft wird in einem Gasspeicher (Salzkavernen, künstliche Kammern oder Gastanks) gespeichert, wodurch elektrische Energie letztendlich in Luftwärmeenergie und Druckenergie umgewandelt wird.

Bei der Energiefreisetzung wird Hochdruckluft aus dem Gasspeicher freigesetzt und gelangt in die Brennkammer, um dort mit dem Brennstoff zu verbrennen, oder wird im Wärmetauscher durch andere heiße Flüssigkeiten erhitzt. Das Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck treibt die Turbine (eine Maschine, die die Energie im flüssigen Medium in mechanische Arbeit umwandelt) an und erzeugt so eine Rotation. Die Turbine wiederum treibt den Generator zur Stromerzeugung an und wandelt so letztlich die innere Energie der Luft in elektrische Energie um.

Schematische Darstellung der Druckluft-Energiespeichertechnologie

(Bildquelle: Institut für Technische Thermophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Seit 2004 forscht das Institut für Technische Thermophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften an einer fortschrittlichen Druckluft-Energiespeichertechnologie, die ohne die Verbrennung von Kraftstoff auskommt. Es hat die Transformation der fortschrittlichen Druckluft-Energiespeichertechnologie vom kW-Niveau auf das 300-MW-Niveau abgeschlossen und die fortschrittliche Druckluft-Energiespeichertechnologie erfolgreich von der theoretischen Forschung bis zur kommerziellen Anwendungsphase vorangetrieben.

Forschungs- und Entwicklungsgeschichte der Druckluftspeichertechnologie am Institut für Technische Thermophysik

(Bildquelle: Institut für Technische Thermophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Ein anderer Ansatz

Unabhängig davon, ob es sich um herkömmliche Druckluftspeicher oder fortschrittliche Druckluftspeicher handelt, die sich in der frühen Phase der Kommerzialisierung befinden, verwenden beide einen Gasspeicher mit konstantem Volumen und sind Druckluftspeicher mit konstantem Volumen. Allerdings ist es mit der derzeitigen Druckluft-Energiespeichertechnologie mit konstantem Volumen schwierig, den dringenden Bedarf an Energiespeichertechnologie bei der Entwicklung erneuerbarer Offshore-Energien zu decken. Es gibt drei wesentliche Engpässe:

Erstens gibt es in der besonderen geografischen Lage der Küste keine gut abgedichteten unterirdischen Salzhöhlen. Es ist nicht möglich, unterirdische künstliche Gasspeicher zu bauen. Außerdem reicht der Platz am Boden nicht aus, um große Gasspeichertanks unterzubringen. Daher ist es schwierig, einen geeigneten Standort für die Lagerung von Gas im großen Maßstab zu finden.

Zweitens wird ein Gasspeicher mit konstantem Volumen verwendet. Während des Energiespeicher- und -freisetzungsprozesses ändern sich der Innendruck und die Temperatur des Gasspeichers ständig. Um die Ausgangsleistung der Turbine relativ stabil zu halten, muss der Ansaugdruck über die Drosselklappe angepasst werden, was zu einem großen Energieverlust führt und die Effizienz weiter verbessern muss.

Drittens muss die Anlage aufgrund der internen Druckänderungen und Regelungsanforderungen des Gasspeichers ständig ihren Betriebszustand ändern, um sich an die Druck- und Regelungsanforderungen im Gasspeicher anzupassen. Bei häufig wechselnden Betriebsbedingungen sinkt die Effizienz stark und es fehlt an entsprechender theoretischer Unterstützung für integrierte Energiespeichersysteme auf der Seite der erneuerbaren Energien.

Als Reaktion auf die oben genannten Engpässe bereiten Forscher des Forschungs- und Entwicklungszentrums für Energiespeicherung des Instituts für Technische Thermophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen anderen Ansatz vor: die Entwicklung einer Unterwasser-Energiespeichertechnologie mit konstantem Druck aus Druckluft.

Wir wissen, dass der Wasserdruck an einer bestimmten Unterwasserstelle der Wassertiefe eins zu eins entspricht. Solange die Wassertiefe unverändert bleibt, bleibt auch der Wasserdruck unverändert. Indem man einen Weg findet, den Wasserdruck auf die Luft im Luftspeichergerät zu übertragen, kann eine Luftspeicherung und Luftabgabe mit konstantem Druck erreicht werden.

Forscher haben daher zwei Arten von Unterwasser-Gasspeichern mit konstantem Druck entwickelt: geschlossene flexible Gasspeicher und offene starre Gasspeicher.

Die Außenwand des flexiblen Gasspeichers steht mit Wasser in Kontakt und der Wasserdruck wird durch den flexiblen Gasspeicher auf die Luft im Inneren des Geräts übertragen. Änderungen der Gasmenge im Gasspeicher wirken sich nur auf die tatsächliche Größe des Raums im Gasspeicher aus und verursachen keine Druckänderungen.

Der offene, starre Gasspeicher verfügt an der Unterseite über eine Öffnung, die in direktem Kontakt mit Wasser steht. Beim Aufblasen und Entleeren gelangt Wasser durch die Öffnung in den Gasspeicher bzw. wird aus diesem abgelassen. Ebenso führen Änderungen des Gasvolumens im Gasspeicher nicht zu Druckänderungen.

Beide Gasspeicher ermöglichen eine vollständige Entlüftung des Geräteinneren bei unverändertem Abgasdruck, nutzen den Gasspeicherraum voll aus und verfügen über eine hohe Energiespeicherdichte.

Da der Druck im Gasspeicher während des Energiespeicher-/Freigabeprozesses unverändert bleibt, kann der Arbeitsdruck des Kompressors und der Turbine auch entsprechend dem Auslegungsdruck des Gasspeichers optimiert werden und arbeitet immer nahe dem Auslegungspunkt, mit geringem Systemenergieverlust und hoher Betriebseffizienz.

Durch Vergleichsstudien wurde festgestellt, dass das Konstantdrucksystem 3 bis 6 % effizienter ist als das Konstantvolumensystem, und je höher der Gasspeicherdruck ist, desto offensichtlicher ist der Vorteil des Konstantdrucksystems hinsichtlich der Energiespeicherdichte. Die Energiespeicherdichte des adiabatischen Konstantdrucksystems kann mindestens das Dreifache der Energiespeicherdichte des Konstantvolumensystems erreichen.

Kontinuierliche Optimierung von Offshore- und Landanwendungen

Die derzeitige Technologie zur Speicherung von Druckluftenergie wird durch die Ressourcenbedingungen an den Küsten begrenzt, während die Technologie zur Speicherung von Druckluftenergie unter Wasser mit konstantem Druck den riesigen Meeresboden und die Unterwasserumgebung mit konstanter Temperatur und konstantem Druck als Gasspeicherort nutzen kann. Der Umfang der Gasspeicherung ist nicht beschränkt, sodass eine effiziente und kostengünstige Energiespeichertechnologie die großflächige Entwicklung erneuerbarer Offshore-Energie unterstützt.

Durch die gemeinsame Konstruktion und koordinierte Planung von Unterwasser-Druckluftspeichern mit konstantem Druck und erneuerbarer Offshore-Energie kann eine gleichmäßige Produktion instabiler und unkontrollierbarer erneuerbarer Energie erreicht werden, wodurch den Küstennutzern eine stabile und zuverlässige Versorgung mit Ökostrom geboten wird.

Neben der Nutzung bei der Entwicklung erneuerbarer Offshore-Energie kann diese Technologie auch zur Modernisierung bestehender Druckluftspeicherkraftwerke eingesetzt werden. Durch die Ergänzung des bestehenden Druckluftspeicherkraftwerks um ein Grundwasserbecken und die Verlegung einer direkten Rohrleitung zum Boden des Gasspeichers kann ein Betrieb mit konstantem Druck erreicht werden. Der Nennwirkungsgrad des Systems dürfte sich um 3–6 % erhöhen. Dadurch wird vermieden, dass das System aufgrund der Gasspeicherung mit konstantem Volumen von den vorgesehenen Betriebsbedingungen abweicht. Der Aufwand für Betrieb und Wartung des Kraftwerks wird reduziert und die Betriebslebensdauer des Kraftwerks wird deutlich erhöht.

In den letzten Jahren haben wir die Technologie zur Energiespeicherung von Druckluft mit konstantem Druck auf drei Ebenen erforscht: optimiertes Design, optimierter Betrieb und experimentelle Überprüfung.

In Bezug auf das Optimierungsdesign wurde eine für die Unterwasser-Druckluftenergiespeicherung mit konstantem Druck geeignete Analysemethode entwickelt, die Quelle des Energieverlusts ermittelt, die Theorie der synergistischen und effizienten Speicherung von Druckenergie und Wärmeenergie dargelegt und eine Optimierungsmethode zur Minimierung des Energieverlusts weiter entwickelt;

Im Hinblick auf einen optimierten Betrieb: Durch eine Methode, die theoretische Analyse mit experimenteller Überprüfung kombiniert, werden die wichtigsten Parameteranpassungsmerkmale der Druckluftspeicherung mit konstantem Druck aufgedeckt und eine Strategie zur Steuerung der gemeinsamen variablen Betriebsbedingungen mit mehreren Parametern vorgeschlagen, die den Bereich des effizienten Betriebs erheblich erweitert.

In Bezug auf die experimentelle Überprüfung: Um die Beschränkungen der Unterwasser-Experimentierstandorte und -kosten zu überwinden, wurde eine experimentelle Technologie zur Energiespeicherung mit Druckluft bei konstantem Druck auf der Grundlage eines Tiefsee-Simulationsgeräts vorgeschlagen. Um die Tiefseeumgebung außerhalb des flexiblen Airbags zu simulieren, wurden Hochdruckwasser und Hochdruckgas verwendet. Zudem wurde eine Versuchsplattform für ein Druckluft-Energiespeichersystem mit konstantem Druck im Megawattbereich gebaut. Der ausgelegte Gasspeicherdruck entspricht einer Wassertiefe von etwa 700 Metern. Wir haben das Experiment und den Test zur Systemleistung abgeschlossen. Nach Tests durch einen Drittanbieter mit CNAS-Qualifikation hat die Systemleistung das international führende Niveau erreicht und ist 6,7 % höher als bei Systemen mit konstanter Kapazität derselben Größenordnung.

Gleichzeitig führten wir auch eine experimentelle Überprüfung der Kopplungssteuerung des Energiespeichersystems und der erneuerbaren Energie durch. Die Ergebnisse zeigten, dass das System eine gute Lastfolgeleistung aufweist, der experimentelle Leistungsfolgefehler ±5 % nicht überschreitet und die Effizienz bei über 90 % der Nenneffizienz gehalten wird, was die Machbarkeit des Konstantspannungssystems als Energiespeicher auf der Stromerzeugungsseite bestätigt.

Schematische Darstellung einer Testplattform für Druckluftspeicher mit konstantem Druck

(Bildquelle: Institut für Technische Thermophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Experimentelle Plattform zur Energiespeicherung mit Druckluft auf Megawatt-Niveau und konstantem Druck

(Bildquelle: Institut für Technische Thermophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Abschluss

In Zukunft werden wir die Schlüsselkomponenten von Unterwasser-Druckluftspeichern mit konstantem Druck weiter gründlich erforschen, die Fähigkeit wichtiger Geräte durchbrechen, in besonderen Umgebungen wie starkem Salznebel und hoher Luftfeuchtigkeit in Küstengebieten über lange Zeit stabil zu arbeiten, das Problem der Auflösung von Druckluft im Wasser in offenen Unterwasser-Druckluftspeichern mit konstantem Druck und das Verankerungsproblem flexibler Luftspeichergeräte in geschlossenen Unterwasser-Druckluftspeichersystemen mit konstantem Druck lösen und technische Demonstrationen der Unterwasser-Druckluftspeichertechnologie durchführen.

Ich bin davon überzeugt, dass die Technologie zur Energiespeicherung unter Wasser mit konstantem Druck und Druckluft in naher Zukunft allmählich ausgereift sein und in die Industrialisierungsphase eintreten wird. Dies wird die Entwicklung erneuerbarer Offshore-Energie sichern und der Verwirklichung der „dualen Kohlenstoffziele“ neue Dynamik verleihen.

Quellen:

[1] Changchun Liu, Xu Su, Zhao Yin, Yong Sheng, Xuezhi Zhou, Yujie Xu, Xudong Wang, Haisheng Chen. Experimentelle Studie zur Machbarkeit der isobaren Druckluftspeicherung als Windkraft-Nebenenergiespeicher. Angewandte Energie. 2024;364:123129.

[2] Changchun Liu, Zhao Yin, Xu Su, Xuehui Zhang, Zhitao Zuo, Yong Sheng, Xuezhi Zhou, Xudong Wang, Yujie Xu, Haisheng Chen. Megawatt-isobare Druckluft-Energiespeicherung: eine experimentelle Studie zum Entladevorgang. Energieverfahren; 2024;47.

Hinweis: Der Autor dieses Artikels, Liu Changchun, ist assoziierter Forscher am Institut für Technische Thermophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Er beschäftigt sich seit langem mit der Forschung zu Schlüsseltechnologien wie Druckluftspeicherung und dezentraler Energieversorgung, Multi-Energie-Kopplungsmechanismen und Steuerungsmethoden sowie der Planung dezentraler Energie- und Speichersysteme.