Innovation

Forschung mit Hochdruck

Zwei überdimensionierte Betonprfopfen mit massiven Stahlrohren begrenzen den rund 100 Meter langen Druckluftspeicher. (Foto: zVg)
Die entsprechenden Lasten werden auf dem Fels abgetragen. (Foto: zVG)
Die Speicherkammer wurde in einen bestehenden Stollen eingebaut. (Foto: zVg)
Die Speicherkammer (Thermical Electricity Storage, TES) ist das Herz der Anlage. (Grafik: zVg)
Teilansicht der Speicherkammen während der Bauarbeiten.
Michael Staub /

Sonne und Wind sind wankelmütige Energielieferanten. Für den anstehenden Umbau der Schweizer Energieversorgung braucht es eshalb neuartige Speichertechnologien. Seit kurzem wird im Tessin ein neuartiger Druckluftspeicher erprobt. Sein Wirkungsgrad übertrifft sogar die kühnen Prognosen.

In der Elektrizitätsversorgung gilt das Prinzip: «Was rein muss, muss raus.» Genauer gesagt müssen Produktion und  Verbrauch auf dem Stromnetz stets übereinstimmen, sonst drohen Frequenzprobleme, Abschaltungen oder Blackouts. So lange die Schweizer Energielandschaft von Grosskraftwerken dominiert wurde, konnte diese Balance relativ gut  gewährleistet werden. Tag und Nacht laufende Atomkraftwerke lieferten die Bandenergie, über Mittag wurde zusätzlicher Strom in den Wasserkraftwerken produziert. Nun sorgen aber die fluktuierende Stromproduktion der erneuerbaren Energien und die absehbare Abschaltung der Atomkraftwerke für starke Schwankungen auf der Angebotsseite. So kann die Leistung von Windparks wegen Flauten stark abfallen, ebenso schwankt die Produktion in PV-Anlagen sehr stark aufgrund von Wolkenfeldern oder plötzlich aufklarendem Himmel.

Diese unvorhersehbaren Leistungsschwankungen setzen das System unter Druck. Mit sogenannten Regelleistungen können diese Differenzen ausgeglichen werden. Regelleistungen dienen der Frequenzhaltung und dem Ausgleich von Leistungsungleichgewichten im Stromnetz. Die bestehenden Schweizer Kraftwerke sind jedoch kaum in der Lage, diese  Aufgabe zu übernehmen. Insbesondere grosse Wasser- oder Pumpspeicherkraftwerke können nicht einfach auf Knopfdruck in Betrieb genommen werden, sondern benötigen gewisse Anlaufzeiten.

Druckluft unter Strom

Um das Netz mit kurzfristig verfügbarer Regelenergie zu versorgen, werden also schon bald zusätzliche «Booster» notwendig sein. Solche Anlagen werden grosse Elektrizitätsversorger für die Speisung und Regelung des  Hochspannungsnetzes benötigen. Batteriespeicher eignen sich allenfalls für Ein- oder Mehrfamilienhäuser, bereits auf Quartierebene fehlt ihnen jedoch die notwendige Kapazität. Eine Speicherlösung im industriellen Massstab, die auch für das Hochspannungsnetz infrage kommt, sind die bekannten Druckluftspeicher. Seit über 30 Jahren gibt es solche Anlagen in Huntorf (Niedersachsen) sowie in McIntosh (Alabama, USA). Bei diesen Anlagen wird Luft mit überschüssigem Strom komprimiert und in bestehenden Kavernen eingelagert. Die komprimierte Luft kann zu einem beliebigen Zeitpunkt wieder expandiert werden. Mittels spezieller Druckluftturbinen wird Strom erzeugt.

Die in Huntorf und McIntosh verwendete Technik ist an sich überzeugend, aber nach heutigen Massstäben zu wenig effizient. Der grösste Nachteil der beiden Druckluftspeicher sind ihre grossen Wärmeverluste. So entsteht etwa beim  Komprimieren der Luft eine beachtliche Hitze, die ohne weitere Nutzung verpufft. Ebenso muss die komprimierte Luft, bevor sie in die Turbine geleitet werden kann, mit fossilen Brennern erhitzt werden, um Schäden an der Turbinenanlage zu vermeiden. Deshalb beträgt der Wirkungsgrad der Anlage in Huntorf lediglich 40 Prozent. Das Werk in McIntosh kommt  dank einer teilweisen Wärmerückgewinnung immerhin auf 54 Prozent.

Schweizer Ingenieurskunst

Diese Zahlen muss man im Hinterkopf behalten, um das Schweizer Projekt «Alacaes » zu würdigen. Der neuartige Druck-luftspeicher verspricht eine markant höhere Effizienz als die herkömmlichen Anlagen. «Unsere Berechnungen gehen bei  einer kommerziellen Anlage von einem Wirkungsgrad von 70 Prozent aus. Diesen Sommer haben wir nun die Pilotanlage in Betrieb genommen und die ersten Tests durchgeführt.», sagt Giw Zanganeh, Leiter Energiespeichertechnik bei der  Betreiberfirma Alacaes SA.

Der Grund für die höhere Effizienz sieht harmlos aus: Innerhalb der rund hundert Meter langen Speicherkammer steht ein Betonbau, der mit seinem Steildach an ein typisches Schweizer «Hüsli» erinnert. Er ist mit Schottersteinen gefüllt, deren  Kaliber etwa zwei Zentimeter beträgt. In diesen Steinen wird nun die Wärme gespeichert, die beim Komprimieren entsteht. Sie steht so zur Verfügung, wenn die komprimierte Luft wieder expandiert werden soll. Die Gasbrenner entfallen damit, die Luft muss nicht mehr zusätzlich aufgewärmt werden. «Die adiabatische Druckluftspeicherung vereint Druck-  und Wärmespeicherung», erläutert Zanganeh, «das sorgt für eine deutlich höhere Effizienz gegenüber den bisherigen Druckluftspeichern.» Weil das «Hüsli» innerhalb der Kammer steht, unterliegt es derselben Druckzone wie die  gespeicherte Luft. Entsprechend einfach und kostengünstig konnte es gebaut werden.

Heissluft statt Schutterung

Die Bauarbeiten für die Pilotanlage begannen im November 2014. Sie wurde in einem drei Kilometer langen Stollen zwischen Polleggio und Loderio installiert, der während des Neat-Baus zum Aushubtransport diente. Der grösste Teil des  Stollens ist noch im Originalzustand. Neu sind zwei grosse Kompressoren, welche die Luft im Speicher auf 33 Bar komprimieren. Die Speicherkammer wurde mit zwei überdimensionierten Betonpropfen abgedichtet. Diese kragen aus  dem ursprünglichen Tunnelquerschnitt aus und leiten so die Last auf den Fels ab. Der Bau und die Einrichtung der Anlage verliefen weitgehend problemlos. «Bau und Inbetriebnahme verliefen bisher gut. Die meisten Komponenten der Anlage  sind Standardprodukte. Das Umsetzungsrisiko der Technologie ist dadurch stark begrenzt», sagt Giw Zanganeh.

Dank seiner vielversprechenden Technik wird der Alacaes-Speicher in Polleggio vom Bundesamt für Energie (BFE) als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstützt. Die Testphase wird voraussichtlich bis Ende 2016 laufen. Die «Time to  market» schätzt man auf vier bis sechs Jahre. Rund zwei Jahre werden nötig sein, um die Details einer kommerziellen  Anlage zu klären. Dazu gehören etwa die Auslegung der Kompressoren sowie verschiedene Machbarkeits- und Risikostudien. «Wir hoffen, bis Ende dieses respektive Anfang des nächsten Jahrzehnts eine kommerzielle Anlage gebaut  zu haben», sagt Zanganeh. Dieser Zeithorizont passe durchaus zum laufenden Umbau der Energieversorgerlandschaft:  «Bis im europäischen Netz zusätzliche Grossspeichersysteme benötigt werden, dauert es noch mindestens zwei bis vier Jahre».

Schwierige Standortwahl

Die Schweiz ist ein Land der Tunnels, Kavernen und Réduit-Bunker. Doch längst nicht jeder unterirdische Hohlraum  eignet sich für die Druckluftspeicherung. So würde man zukünftige Anlagen idealerweise nicht in Stollen unterbringen,  sondern in kugel- oder würfelförmigen Kavernen. «Das Verhältnis zwischen Oberfläche und Speichervolumen ist bei  diesen Bauformen besser und verringert damit die Energieverluste», meint Zanganeh. Ein wichtiger Standortfaktor für mögliche Speicheranlagen ist zudem die Anbindung an das Hochspannungsnetz: Die schönste Kaverne nützt wenig, wenn sie mit einem aufwendigen und teuren Leitungsbau erschlossen werden muss.

Idealerweise würde man die neuen Speicher deshalb direkt neben den Produktionsanlagen erstellen, also etwa neben einem Windpark oder einer grossen PV-Anlage. Windreiche Standorte, häufig in Küstennähe gelegen, bieten nur selten  geeignete geologische Voraussetzungen. Doch weil das Stromnetz schon heute grenzüberschreitend betrieben wird, könnte  die neue Technik allenfalls den alten Traum von der «Batterie Europas » wiederbeleben. Mit ihrer zentralen Lage innerhalb des europäischen Stromnetzes wäre die Schweiz dazu prädestiniert.