Konzeptentwicklung und simulative Untersuchung von zweistufigen Anlagenkonfigurationen einer Joule-Batterie

Abstract

In den vergangenen Jahren ist der Anteil von erneuerbaren Energien im deutschen Strommix stetig angestiegen. Da insbesondere die Stromerzeugung aus Windund Sonnenenergie großen Schwankungen unterliegt, kann gegebenenfalls die Nachfrage nicht erfüllt werden, oder es liegt ein Überangebot an elektrischer Energie vor. Um die sogenannte Residuallast auszugleichen sind Technologien erforderlich, welche es ermöglichen, in Zeiten hohen Angebots Energie zwischenzuspeichern, um diese bei hoher Nachfrage bzw. bei bewölkten oder windstillen Wetter wieder ans Netz abgeben zu können. Für diese Aufgabe gibt es verschiedene Konzepte. Akkumulatoren, Kondensatoren und Schwungräder eignen sich als Energiespeicher für kurze Lade- und Entladezyklen im Minuten- bis Stundenbereich. Für höhere Kapazitäten und Ausgangsleistungen kommen als Langzeitspeicher andere Konzepte n Frage. Pumpspeicherkraftwerke, in denen Wasser auf ein höheres Niveau gepumpt wird und bei der Entladung eine Turbine antreibt, haben üblicherweise Kapazitäten von mehreren Gigawattstunden (GWh) und Ausgangsleistungen von hunderten Megawatt (MW). Nachteilig an einem solchen System sind der hohe Platzbedarf und die besonderen Standortanforderungen, welche in Deutschland nahezu ausgeschöpft sind. Ein weiteres System bilden Druckluftspeicherkraftwerke, bei denen Luft komprimiert und zwischengespeichert wird. Auch diese Systeme sind wegen besonderer Standortanforderungen nur begrenzt umsetzbar. Als günstige, modular erweiterbare und standortunabhängige Alternative mit ähnlichem Leistungsbereich gilt der Thermopotenzialspeicher (PTES - Pumped Thermal Energy Storage), welcher in vergangenen Jahren in verschiedenen Publikationen untersucht und in einzelnen Versuchsanlagen auch getestet wird. PTES-Systeme nutzen elektrische Energie, um ein Arbeitsmedium zu verdichten und die dabei entstandene thermische Energie zwischenzuspeichern. Der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad eines solche Energiespeichers liegt bei bis zu 70%. Dabei handelt es sich weitgehend um einstufige Systeme, d.h. das Fluid wird je Be- und Entladezyklus des Speichers nur ein Mal verdichtet und entspannt. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von zweistufigen Systemen eines Luftbasierten Joule-PTES, welche möglicherweise höhere Wirkungsgrade oder andere Vorteile gegenüber einstufigen Systemen aufweisen könnten. Zu diesem Zweck soll eine numerische Parameterstudie mit verschiedenen Temperatur- und Druckstufen durchgeführt werden. Dafür wird ein iteratives Programm zur Lösung der thermodynamischen Kreisläufe in MatLab realisiert.