Innovatives Druckluftspeicherkraftwerk der EnBW Adiabatic Compressed Air Energy Storage (CAES) Kraftwerk zur Speicherung großer Mengen regenerativ erzeugten Stroms Energietage Hannover, 31. Oktober 2007 Dr.-Ing. Bernd Calaminus HOL TI Technologie und Innovationsmanagement Energie braucht Impulse
Inhaltsverzeichnis 1 Kurzvorstellung der EnBW 2 Dargebotsgetriebene Windkraft und Motivation für Speicher 3 Das CAES-Projekt der EnBW 4 Marktaspekte und Ausblick 1
1 Kurzvorstellung der EnBW Wesentliche Zahlen (2006) Mit Energie zum Erfolg Das drittgrößte Energieversorgungsunternehmen in Deutschland Einer der größten Netzbetreiber in Deutschland 13,2 Mrd. Umsatz in 2006, Ergebnis n. St. 1,11 Mrd., ca. 20.000 Mitarbeiter 2
1 Kurzvorstellung der EnBW Erzeugungsportfolio: ca. 14.800 MW installierte Kraftwerksleistung (2006) Fossile Kraftwerke Installierte Leistung: 6.500 MW Kernkraftwerke Installierte Leistung : 5.000 MW Wasserkraftwerke Installierte Leistung: 3.300 MW Erneuerbare Energien Installierte Leistung : 35 MW 3
2 Dargebotsgetriebene Windkraft und Motivation für Speicher Die Folgen des Ausbaus der Windkraft in Norddeutschland Entscheidend für die Qualität der Stromversorgung ist die jederzeit exakte Angleichung der Stromproduktion an die schwankende Stromnachfrage. Typische Fluktuation der Leistung aus Windkraft Quelle:IEAW Deutschland 2003 Durch den zunehmenden Ausbau der regenerativen Energien, vor allem der Windkraft, erschwert sich die Situation: Die Erzeugung von Windstrom ist nur begrenzt prognostizierbar. Zeitpunkt und Menge der erzeugten Windenergie hängen im Wesentlichen von den herrschenden Windverhältnissen ab. Die Windenergieproduktion ist vollkommen entkoppelt von der Stromnachfrage und daher nur eingeschränkt einplanbar. 4
2 Dargebotsgetriebene Windkraft und Motivation für Speicher Der weltweite Zubau an Windkraft Zubau an Windenergie in Europa (1990-2005) electricity generation [TWh] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Referenz Szenario Outlook Wind (IEA WEO 2006) North America Europe World 5 0 1990 2004 2015 2030 Die IEA prognostiziert 1,100 TWh jährlicher Windenergieproduktion bis zum Jahr 2030 Erfahrungen aus Deutschland zeigen, dass 10 20 % dieser fluktuierenden Stromproduktion zwischengespeichert werden müssen, um optimal integriert zu werden Um 15 % alleine des bis 2030 zu erwartenden Windenergieaufkommens zwischenspeichern zu können, müssen 120 GW an neuer Speicherkapazität errichtet werden year * bei 1.400 flh/a
2 Dargebotsgetriebene Windkraft und Motivation für Speicher Der Vergleich zu Pumpspeicherkraftwerken Heute wird Strom in großen Mengen mit Pumpspeicherkraftwerken gespeichert Der durch den Ausbau der Windenergie notwendige Zubau an Speicherkraftwerken kann nicht mit Pumpspeicherkraftwerken umgesetzt werden Der Ausbau von Pumpspeicherkraftwerken ist stark limitiert, wegen der mangelnden Anzahl möglicher Standorte der oft sehr langen Entfernungen zu den Lastzentren der hohen Auswirkungen auf Umwelt und Natur Hoch effiziente, emissionsfreie adiabate Druckluftspeicherkraftwerke werden in Zukunft die Rolle großer Stromspeicher übernehmen. 6
2 Dargebotsgetriebene Windkraft und Speicher Vergleich Pumpspeicherkraftwerk - Luftspeicherkraftwerk prinzipielle Funktionsweise Pumpspeicher-Kraftwerk Inkompressibles Arbeitsmedium Druckluftspeicher-Kraftwerk Kompressibles Arbeitsmedium potentielle Energie adiabates System Umgebung diabates System Umgebung Oberbecken T 1 T 1 M G M G T 2 >> T 1 T 2 >> T 1 T 2 T 1 innere Wärmespeicher Q ab M G Energie + Q zu T 1 T zul 50 C T zul 50 C gespeicherte Volumenänderungsarbeit Unterbecken Kaverne Kaverne 7
2 Dargebotsgetriebene Windkraft und Motivation für Speicher Ideale Standorte in Niedersachsen In Niedersachsen können vorhandene Kavernenstandorte zum Bau von Speicherkavernen für Druckluft genutzt werden. Windige und salzige Regionen liegen dort zusammen. Quelle: Deep Underground Quelle: Niedersächsische Landesamt für Bodenforschung (NLfB, ab 2006 Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) ) 8
3 Das CAES-Projekt der EnBW Das Projekt der EnBW EnBW Energie Baden Württemberg, Pionier für technologische Innovationen im Gebiet der Energietechnologien, entwickelt das weltweit erste Adiabate Druckluftspeicherkraftwerk in Deutschland. Die Bedeutung von Technologien zur Speicherung großer Strommengen nimmt immer mehr zu, um immer größere Mengen regenerativ erzeugten Stroms in die Energieversorgungssysteme von morgen zu integrieren Das Projekt wird entwickelt in Zusammenarbeit mit dem Land Niedersachsen mit deutschen und internationalen Industriepartnern 9
3 Das CAES-Projekt der EnBW Das Prinzip eines diabaten Druckluftspeicherkraftwerkes Erste Versuche, Energie in Form von komprimierter Verbrennungsluft für Gasturbinen in Druckluftkavernen zu speichern, führten zu CO 2 -emittierenden sog. diabaten Druckluftspeicherkraftwerken. Wesentliche Merkmale von diabaten Druckluftspeicherkraftwerken sind: ein Wirkungsgrad von max. 54% Einsatz fossiler Brennstoffe CO 2 Emissionen CO 2 Die wirtschaftlichen Nachteile dieser Anlagen standen einer Markteinführung dieser Speichertechnologie bisher im Wege. Damit Druckluftspeicher energiewirtschaftlich interessant werden, müssen sie einen mit Pumpspeicherkraftwerken vergleichbaren Wirkungsgrad von ca. 70% erreichen. compressor turbine Gas firing 10
3 Das CAES-Projekt der EnBW Das Prinzip des von EnBW geplanten adiabaten CAES Beim Beladen des Druckluftspeichers wird die Kompressionswärme nicht an die Umgebung abgegeben, sondern in einem Wärmespeicher zwischengespeichert. Die komprimierte Luft wird bei der Entladung des Druckluftspeichers über den Wärmespeicher geführt und dort wieder erhitzt. Eine fossile Zufeuerung ist nicht mehr notwendig. Wesentliche Merkmale von adiabaten Druckluftspeicherkraftwerken sind: ein Wirkungsgrad von ca. 70 % Null CO 2 Emissionen compressor turbine heat storage Das adiabatische Druckluftspeicherkraftwerk der EnBW führt erstmalig alle Systeme zur Luftkompression, Wärmespeicherung, Druckluftspeicherung und Stromerzeugung mit Druckluft zu einer an die gegebenen energiewirtschaftlichen Bedingungen optimal angepassten Speichertechnologie zusammen 11
3 Das CAES-Projekt der EnBW Die innovativen Komponenten Innovationskomponente 1: Hocheffiziente Luftturbine Innovationskomponente 2: Hocheffizienter Verdichter Quelle: Ed. Züblin Innovationskomponente 3: Leistungsfähiger Wärmespeicher 12
3 Das CAES-Projekt der EnBW Konzept u. Thermodynamische Simulation [hier: 10 bar Druckspiel] Zwischenkühler 150 MW ZK M ND Axial-Radial- Kompressor Beladen Entladen Beginn (Ende) 200 kg/s 1 bar 20 C 52 bar (62 bar) 620 C (620 C) M M MD Radial- Kompressor T G 250 MW HD Radial- Kompressor Wärmespeicher 55 bar (41 bar) 620 C (565 C) 450 kg/s (500 kg/s) 1 bar 86 C (86 C) NK 50 C (50 C) Kaverne 13
3 Das CAES-Projekt der EnBW Erwartete Randbedingungen für den KOMPRESSOR [250 MW Anlage] Quelle: GE Auslegungsmerkmale des Kompressors aus heutiger Sicht: Kombination von Axial-/Radialkompressor für hohen Massenstrom (200 kg/s) und für hohen Enddruck Temperaturbeständiges Material für die Austrittsstufe (bis 620 C) Hohlwelle und Vorwärmkonzept zum Erreichen kurzer Startzeiten von 15 min bis Volllast hohe Drücke und Temperaturen (620 C) in den letzten Stufen breiter Betriebsbereich (Gleitgegendruck) bei hohem Wirkungsgrad kurze Anfahrzeiten von 15 min bis Volllast und häufige Starts (min. 1/Tag); daraus resultieren hohe Druck- und Temperaturgradienten von 1,3 bar/min sowie Temperaturgradienten von 20K/min 14
3 Das CAES-Projekt der EnBW Erwartete Randbedingungen für die TURBINE [250 MW Anlage] Auslegungsmerkmale der Luftturbine aus heutiger Sicht: verstellbare Vor- und Nachleitreihen für variablen Volumenstrom und Druck Quelle: GE Hohlwelle und Vorwärmkonzept für kurze Startzeiten von min. 15 min bis Volllast hohe Temperaturgradienten (20K/min) hoher Wirkungsgrad über breiten Betriebsbereich Schnellstartfähigkeit (Vorwärm- und Designkonzept) für 15 min bis Volllast Druck- bzw. Temperaturgrenzen von Mitteldruck-Dampfturbinen (600-565 C Eintrittstemperatur und Vereisungsgrenztemperatur der Luft am Austritt) 15
3 Das CAES-Projekt der EnBW Erwartete Randbedingungen für den WÄRMESPEICHER [250 MW Anlage] Quelle: Ed. Züblin Auslegungsmerkmale des Wärmespeichers aus heutiger Sicht: Betriebstemperaturbereich zwischen Umgebungstemperatur und 620 C Betriebsdruckbereich zwischen Umgebungsdruck und max. Arbeitsdruck Auslegung als Druckbehälter mit Stahlbeton- Außenhülle Isolationselement zwischen heißem Inventar und tragender Struktur System zur Kondensatausschleusung 16 hohe Wärmeleistung und Speicherkapazität geringe Druck- und Wärmeverluste geringe Variation der Austrittstemperatur beim Entladen Materialstandzeiten bei hohen Temperaturen und Drücken in feuchter Atmosphäre Vermeidung von Materialaustrag in die Turbine
17 4 Ausblick Kavernenbauoptionen in windreichen Regionen in z.b. Europa
4 Ausblick Kavernenbauoptionen in windreichen Regionen in Deutschland (BMU 06) 15 CAES-Standorte in D Ranking-Kriterien nach KBB: 1. Struktur des Salzdoms 2. Erkundungsstand 3. Größe 4. Machbarkeit des Solens 5. Zahl der Kavernen 6. Solwasserversorgung 7. Soleverbringung 18
4 Ausblick Der Ausbau der Windkraftwerke in Deutschland macht den Zubau an emissionsfreien Speicherkapazitäten notwendig. Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke sind die großtechnische emissionsfreie Speichertechnologie für Strom der Zukunft Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke können weltweit eingesetzt werden 19
HOL TI 2006 Energie braucht Impulse