Druckluftspeicher
Sichere und saubere Speichertechnologie
Relevante Energieformen
Gespeicherte Energieform:
- Druckluft
Kurzbeschreibung
Ein Kompressor verdichtet die Luft auf ein bestimmtes Niveau und füllt so lange Druckluft in den Behälter, bis dessen (vorher eingestellter) Maximaldruck erreicht ist. Gleichzeitig wird dabei der Bedarf des Druckluftsystems versorgt, d.h. nur ein Teil der Druckluft fließt in den Behälter. Je größer der Bedarf, desto langsamer füllt sich der Behälter. Der Speicher ist maximal befüllt, wenn die obere Druckgrenze des Behälters erreicht ist. Der Kompressor wird nun je nach Regelung in den Leerlauf oder abgeschaltet, der Druckluftspeicher kann nun den Bedarf des Systems solange eigenversorgen, bis die untere Druckgrenze des Speichers erreicht ist. Ist dieser Wert erreicht, wird der Kompressor wieder betrieben und liefert Druckluft sowohl zur Bedarfsversorgung als auch zur Speicherbefüllung.
Der Speicher kann sowohl direkt hinter dem Kompressor als auch in der Nähe der Verbraucher positioniert sein.
Typisches Material:
Aluminum- oder Stahlbehälter
Funktionsskizze
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
Grundsätzlich sind keine Verlustleistungen bei der Speicherung von Druckluft bekannt. Eine starke Abkühlung der gespeicherten Druckluft kann aufgrund des Zusammenhangs p*V/T einen minimalen Druckverlust bewirken. Bei dezentralen Druckluftspeichern ist die Luft bereits minimal abgekühlt, Druckverluste ergeben sich deshalb nicht. Bei zentralen Druckluftspeichern ist mit minimalen Verlusten zu rechnen.
Bauarten
| Bauart | Hochdruckspeicherkonzept | Niederdruckkonzept | Standardspeicher |
| Volumen Speicherniveau |
Gesamtvolumen 4 m³ (2 x 2 m³) Speicherniveau 38 bar Ausgehend von einem Kompressor mit maximalen Volumenstrom von 2,5 m³/min + Nachverdichter |
Gesamtvolumen 6 m³ (3 x 2 m³) Speicherniveau 10,5 bar Ausgehend von einem Kompressor mit 2,5 m³/min |
Angenommen: 2 m³ Volumen, Speicherniveau 7 bar. Angenommen bei keiner gleichzeitigen Bedarfsversorgung. Wird durch einen Kompressor mit 2,5 m³/min versorgt |
Betriebs-Charakteristika
| Bauart | Hochdruckspeicherkonzept | Niederdruckkonzept | Standardspeicher |
| Typische Be- und Entladeleistungen | Nötige Beladeenergie bei gleichzeitiger Bedarfsversorgung:
Ergibt sich aus dem Integral mit den Grenzen Startzeit des Ladevorgangs und Zeit der vollständigen Befüllung, darüber wird die Differenz zwischen gemessener Gesamtleistung bei der Ladung PCAS-ch (t) und der notwendigen Leistung Pn, die im Normalbetrieb zur Versorgung des Bedarfs nötig ist. |
Nötige Beladeenergie bei gleichzeitiger Bedarfsversorgung:
Ergibt sich aus dem Integral mit den Grenzen Startzeit des Ladevorgangs und Zeit der vollständigen Befüllung, darüber wird die Differenz zwischen gemessener Gesamtleistung bei der Ladung PCAS-ch (t) und der notwendigen Leistung Pn, die im Normalbetrieb zur Versorgung des Bedarfs nötig ist. |
Bei einem Speicherniveau von 7 bar und einem Gesamtvolumen von 2 m³ liegen keine Messungen zum Energiebedarf bei der Befüllung und Energielieferung bei der Entladung vor. Dennoch ist ein deutlich kleinerer Wert als bei der Niederdruckspeicherung zu erwarten, da weniger Volumen auf einem kleineren Druckniveau befüllt werden muss. Der Energiebedarf ist jedenfalls < 3,3 kWh, d.h. die Beladeleistung ist jedenfalls < 19,5 kW |
| Entladeleistung |  Die Entladeenergie ist analog zur Ladeenergie über das Integral der zwei Grenzen Beginn der Entladung und Zeitpunkt des Erreichens des unteren Druckgrenzwerts berechnet worden. Dabei ist die Differenzenergie zwischen benötigter Energie zur Versorgung des Bedarfs ohne Speicher und benötigter Gesamtenergie des Systems bei der Entleerung der Speicher (ergibt sich durch die Leerlaufleistung des Kompressors) ermittelt worden. Dabei ergab sich eine Entladeenergie bei einem Druckluftbedarf von 2,5 m³/ min von 15,4 kWh. Dies ergibt eine Entladeleistung von 18,5 kW |
Die Entladeenergie ist analog zur Ladeenergie über das Integral der zwei Grenzen Beginn der Entladung und Zeitpunkt des Erreichens des unteren Druckgrenzwerts berechnet worden. Dabei ist die Differenzenergie zwischen benötigter Energie zur Versorgung des Bedarfs ohne Speicher und benötigter Gesamtenergie des Systems bei der Entleerung der Speicher (ergibt sich durch die Leerlaufleistung des Kompressors) ermittelt worden. Dabei ergab sich eine Entladeenergie bei einem Druckluftbedarf von 2,5 m³/ min von 2,8 kWh. Dies ergibt eine Entladeleistung von 16,8 kW |
Bei einem Speicherniveau von 7 bar und einem Gesamtvolumen von 2 m³ liegen keine Messungen zur Energielieferung bei der Entladung vor. Dennoch ist ein Wert < 2,8 kWh zu erwarten. Dieser ergibt eine gelieferte Entladeleistung von < 16,8 kW. |
| Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit der Kapazität | Bei 100 % Dichtheit (überprüft durch Wartungszyklen) ist keine Verlustleistung in Abhängigkeit der Kapazität zu erwarten. | ||
| Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Ladezustandes | Bei 100 % Dichtheit (überprüft durch Wartungszyklen) ist keine Verlustleistung in Abhängigkeit des Ladezustands zu erwarten. | ||
| Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Alters des Speichers | Bei 100 % Dichtheit (überprüft durch Wartungszyklen) entstehen keine Verluste bei der Speicherung der Druckluft, es besteht kein Zusammenhang zwischen der Verlustleistung und des Speicheralters. | ||
| Speichernutzungsgrad (Verhältnis der benötigten Ladeenergie und der gelieferten Energie) |
Der Speichernutzungsgrad ist bedarfsabhängig! Geringer Bedarf: ca. 90 % Mittlerer Bedarf: ca. 80 % Hoher Bedarf: Speicher kann bei hohem Bedarf nicht gefüllt werden, da der Nachverdichter nicht versorgt werden kann. |
Der Speichernutzungsgrad ist bedarfsabhängig! Geringer Bedarf: ca. 86 % Mittlerer Bedarf: ca. 73 % Hoher Bedarf: ca. 43 % |
Betrachtet man den Speichernutzungsgrad ohne paralleler Bedarfsversorgung, sind Werte zwischen 86–100 % zu erwarten. |
Energetische Kennwerte
| Bauart | Hochdruckspeicherkonzept | Niederdruckkonzept | Standardspeicher |
| Volumetrische Speicherdichte (Energiedichte) |
Energiedichte bei der Hochdruckspeicherung (38 bar): 3,85 kWh/m³ |
Energiedichte bei der Niederdruckspeicherung (10,5 bar): 0,47 kWh/m³ |
Zur Energiedichte bei einem Standardspeicher von 2 m³ und einem Speicherniveau von ca. 7 bar liegen zwar keine Daten vor, dennoch ist ein Wert < 0,47 kWh/m³ zu erwarten |
| Gravimetrische Speicherdichte | Keine Literatur dazu gefunden. | ||
| Entladezeit | Ergibt sich aus der Formel
Ergab beim Hochdruckspeicherkonzept bei einem maximalen Druckluftbedarf von 2.5 m³ eine Entladezeit von 50 min. |
Ergibt sich aus der Formel
Ergab beim Niederdruckspeicherkonzept bei einem maximalen Druckluftbedarf von 2.5 m³ eine Entladezeit von 10 min. |
Ergibt sich aus der Formel
Ein 2 m³ Speicher, der ein Druckintervall von 7–7,5 bar bzw. 7–8 bar bedient und dabei einen Bedarf von 2,5 m³/min versorgen muss, ist zwischen 0,4–0,8 min entleert. Bei entsprechend höherem Bedarf entleert sich der Behälter dementsprechend schneller. |
| Beladezeit | Die Beladzeit bei gleichzeitigen Bedarfsversorgung ergibt sich aus der Formel:
Die Beladezeit ergibt sich zwar aus dieser Formel, kann aber so nicht genau angegeben werden, da der Volumenstrom des Nachverdichters nicht bekannt ist. |
Die Beladzeit bei gleichzeitigen Bedarfsversorgung ergibt sich aus der Formel:
Die Beladzeit ist somit bedarfsabhängig:
Maximaler Bedarf: Keine Versorgung möglich, da keine Druckluftmenge für die Speicherung zur Verfügung steht. |
Die Beladzeit bei keiner gleichzeitigen Bedarfsversorgung ergibt sich aus der Formel:
Um einen 2 m³ Speicher bei einem Volumenstrom von 2500 m³/min in einem Druckintervall zwischen 7–7,5 bar und 7–8 bar zu füllen, dauert es zwischen 0,4–0,8 Minuten. |
Wirtschaftliche Kennwerte
| Bauart | Hochdruckspeicherkonzept | Niederdruckkonzept | Standardspeicher |
| Investkosten/kWh |
Die Investitionskosten umfassen hierbei sowohl die Kosten für die Speicher als auch für die zusätzlichen Komponenten (z.B. Nachverdichter und Ventile). Durch die gelieferte Energiemenge kommt man dabei auf einen Wert von 3.655 €/kWh | Die Investitionskosten umfassen die Kosten für den Speicher und die zusätzlichen Komponenten (Ventile). Durch die gelieferte Energiemenge kommt man dabei auf einen Wert von 6.555 €/kWh | Ein 2 m³ Speicher mit einem maximalen Druckniveau von 11 bar kostet 3.845 €. Genaue Werte für die gelieferte Energiemenge sind nicht bekannt, daher wurde der Quotient nicht berechnet. |
 spezifische Kosten in Euro/Liter / Volumen in Liter |
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| Platzbedarf/kWh | 0,13 m²/kWh | 1,1 m²/kWh | Der Platzbedarf eines 2 m³ Speichers beläuft sich auf ca. 1 m². Genaue Werte für die gelieferte Energiemenge sind nicht bekannt, daher wurde der Quotient nicht berechnet. |
| Wartungs- und Instandhaltungskosten/kWh | Keine Quelle dazu verfügbar. Jedoch müssen die Behälter mindestens alle 5 Jahre eine Innere Prüfung (d.h. Innerer Zustand des Behälters) und mindestens alle 10 Jahre einer Druckprüfung unterzogen werden. Dabei wird die Dichtheit des Druckluftbehälters überprüft. | ||
| Typische Lebensdauer in Ladezyklen | Ein Druckluftspeicher hat unendlich viele Ladezyklen. | ||
Technologische Kennwerte
| Bauart | Hochdruckspeicherkonzept | Niederdruckkonzept | Standardspeicher |
| Ökobilanz | Keine klimaschädlichen Stoffe im Einsatz. Es fällt lediglich Kondensat aus, das nochmals aufbereitet werden muss. Ist jedoch nicht auf den Speicher zurückzuführen, sondern auf den Verdichter. Bei der hier dargestellten Form der Hochdruck- und Niederdruckspeicherung sind die Behälter nach der Aufbereitung platziert, es fällt nur sehr wenig bis gar kein Kondensat aus, da die Aufbereitungsanlage den Großteil des Kondensats bereits abfängt. | ||
| Gefährdungspotenzial | Ungefährlich | ||
| Systemkomplexität | Niedrig – mittel | ||
Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
| Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
| Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
| Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
| Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | ||
| Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
| Umrüstaufwand zur nachträglichen Integration | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig ,Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
| Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
| Wirtschaftlichkeit | Spezifische Speicherkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig , Gelb = mittel, Rot = hoch) | ||
| Spezifische Platzbedarf | Wie groß ist die volumetrische Speicherdichte (Grün = Hoch, Gelb = Mittel, Rot = Niedrig) | |||
| Speicherverluste | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) |
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- Sichere und saubere Speichertechnologie
- steigert die Effizienz der Gesamtanlage
- dient als Ausgleich zw. Liefermenge und tatsächlichem Bedarf
- reduziert die Schaltzahl des Kompressors
- kaum Verschleiß am Behälter
- kann die Anlage bei Kompressorausfall für eine gewisse Zeit selbst versorgen
- geringere Anschaffungskosten durch kleinere Kompressoren
- versorgen diskontinuierliche Verbraucher, ohne das ein Druckabfall im System droht
- ermöglicht minimalen Energiebedarf des Kompressors
- flexibilisiert das System durch zusätzliches Speichervolumen
Nachteile
- Zusätzliche Anschaffungskosten
- Kosten für Kondensatablass
- Wartungskosten
Anwendungsbeispiele
Druckluftspeicher sind in fast allen Druckluftanlagen ein elementarer Bestandteil des Systems.
Druckluft selbst wird zur Steuerung von pneumatischen Anlagen, Werkzeugen, Reinigungsanlagen, in der Lebensmittelindustrie und vielen weiteren Bereichen als Energieform verwendet.
Literaturverzeichnis
- Atabay, Dennis (2015): Compressed air storages for demand side management in the industry. 9th International Renewable Energy Storage Conference (IRES 2015)