Eine unterirdische Batterie aus Druckluft

Die Windkraftwerke produzieren auch bei schwacher Nachfrage Elektrizität. Keystone

In einem Bergstollen in den Schweizer Alpen wird ein innovatives System erprobt, um Elektrizität in Form von Druckluft zu speichern. Es handelt sich um eine weltweit einmalige Pilotanlage, die im Erfolgsfall einen wichtigen Schub für erneuerbare Energiequellen bedeuten könnte. Die Schweiz könnte sich zudem als Energiespeicher Europas behaupten.

Sonne und Windkraft garantieren keine konstante Energieproduktion. Doch was macht man mit elektrischer Energie aus Solar- oder Windkraft, die nicht unmittelbar verbraucht wird? Wie lässt sich diese speichern? Dies ist eine der grossen Herausforderungen für erneuerbare Energiequellen und ein Hindernis für die Umsetzung der Energiewende.

Für den jungen Ingenieur Giw Zanganeh, der seinen Diplom an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich absolviert hat, lautet die Antwort auf diese Fragen: Druckluft. Genau genommen redet er von einer Speicherung dieser Druckluft in alpinen Bergstollen und Hohlräumen.  

Zanganeh ist Verantwortlicher des Projektes AlacaesExterner Link, das vom Bundesamt für Energie unterstützt wird. «Mit der überflüssigen Energie wird ein Generator betrieben, der Luft in einen Stollen presst. Wenn Strombedarf herrscht, wird der Fluss umgekehrt, das heisst die Druckluft wird abgelassen und erzeugte mittels einer Turbine elektrische Energie.»

Druck im Stollen wie unten im Meer

Für das 4 Millionen Franken teure Pilotprojekt von Alacaes wurde ein unbenutzter TunnelExterner Link nördlich von Biasca im Kanton Tessin ausgewählt. Bis vor einigen Jahren wurde durch diesen Stollen zwischen Pollegio und Loderio Aushubmaterial aus dem kürzlich eingeweihten Gotthard-Basistunnel transportiert. Die Tests finden im zentralen Bereich der 3’160 Meter langen Stollens statt.

«Dieser Tunnel sieht noch genauso aus wie wir ihn vorgefunden haben», sagt Giw Zanganeh, während wir mit dem Auto rund 700 Meter durch den stockfinsteren Tunnel fahren. Dann stossen wir auf zwei grosse Geräte. Es handelt sich um die Kompressoren, um die Luft in den Stollen zu pumpen. «Es sind Spezialanfertigungen – eine neuartige Technologie», betont der Ingenieur mit iranischen Wurzeln. Einige Meter weiter betreten wir durch eine Stahltür den Raum für die gespeicherte Druckluft.

Der Speicherraum für die Druckluft wird von einem Betoneinsatz begrenzt, der fünf Meter Durchmesser zählt, sowie von einer Metalltür. swissinfo.ch

Gut hundert Meter lang ist diese zentrale Kammer, in der die Luft auf 33 bar zusammengepresst wird. Zum Vergleich: Dies entspricht dem Wasserdruck, der 300 Meter unter Meer herrscht. Gemäss Giw Zanganeh stellt es eine besonders grosse Herausforderung dar, in diesem Ambiente zu arbeiten. Um die Anlage zu überwachen, wurden spezielle Videokameras installiert, die normalerweise bei Unterwasserarbeiten verwendet werden.

Im Moment konzentriert sich die Testphase darauf, zu schauen, wie der Berg auf den hohen Druck und die erheblichen Druckschwankungen reagiert. Ist der Untergrund dicht? Wie wirken sich Vibrationen und Erschütterungen aus? Gemäss Zanganeh ist das Risiko von Erdbeben im Vergleich zur Geothermie praktisch nicht vorhanden, weil der Berg nicht neu durchbohrt wird.

Wärme aus dem Fels

Die Energiespeicherung mit Druckluft –CAES, Compressed Air Energy Storage – ist nicht eine wirkliche Weltneuheit. Erstmals wurde eine solche Anlage 1978 in Deutschland gebaut, die zweite ging in den 1990er Jahren in den USA in Betrieb. Doch im Vergleich zu diesen beiden Anlagen weist das Pilotprojekt in Biasca eine wesentlich höhere Effizienz auf, wie Giw Zanganeh betont: «Das liegt insbesondere an der der Wärmerückgewinnung.»

Die Luft wird in zwei Stufen komprimiert und dabei bis zu 550 Grad heiss. Die teure Energie, die in dieser Wärme steckt, wird hier nicht mehr – wie bei den Anlagen in Deutschland und den USA – ungenutzt verschwendet, sondern in einem zusätzlichen Energiespeicher aufgefangen und bei der Umwandlung von Druckluft in elektrische Energie wiederverwendet. Das führt zu dem hohen Wirkungsgrad.

Dank dieser Technologie erreicht die Pilotanlage von Biasca einen Wirkungsgrad von 72 Prozent. Bereits existierende Anlagen kommen nur auf 45-50 Prozent «Damit nähern wir uns dem Wirkungsgrad von Pumpspeicher-Wasserkraftwerken an. Zudem sind wird günstiger sowie umwelt- und naturfreundlicher. Wir müssen keine Staumauern oder Speicherseen erstellen», sagt der federführende Ingenieur.

Vielversprechendes System mit Verbesserungspotential

«Die Druckluftspeicherung hat kaum negative Auswirkungen auf die Umwelt und könnte wohl eine Versorgung mit grossen Energievolumen über längere Zeiträume ermöglichen. Die Nachfrage nach solchen Systemen wird in Zukunft zunehmen», hält Maurizio BarbatoExterner Link fest. Er ist Professor am Institut CIM für Innovation und Nachhaltigkeit der Fachhochschule der italienischen Schweiz (Supsi).

Stauseen als Energiespeicher

Die Schweiz hat dank Wasserkraft und Stauseen eine höhere Kapazität zur Stromspeicherung als die anderen europäischen Länder. Sophie Haussener sagt, dass 10 Prozent der produzierten elektrischen Energie sich durch Pumpspeicher-Kraftwerke speichern lässt. Europaweit beträgt die Quote nur 5 Prozent. Die Wissenschaftlerin betont, dass die Energiestrategie 2050Externer Link des Bundes sich zum Ziel gesetzt hat, die Speicherkapazitäten in der Schweiz zu verdoppeln oder sogar zu verdreifachen.

Doch diese Technologie, insbesondere die thermische Speicherung, sei noch nicht ausgereift, meint Barbato, der das Experiment von Biasca im Rahmen eines Nationalforschungsprogramm (NFP70Externer Link) begleitet. Wegen der Einlassung in den Fels könne keine gleichbleibende Temperatur der ausströmenden Luft garantiert werden, doch genau dies sei eine Voraussetzung für ein einwandfreies Funktionieren einer Turbine. Gemeinsam mit den Eidgenössischen Hochschulen von Zürich und Lausanne (ETHZ und ETHL) wird daher daran gearbeitet, das System zu perfektionieren, indem Legierungen aus Metall verwendet werden.

Sophie HaussenerExterner Link vom Institut für erneuerbare Energieträger an der ETHL findet die Alacaes-Technologie sehr interessant: «Ihr Limit besteht vielleicht in der relativ niedrigen Energiedichte: Die Energie, die pro Volumeneinheit gespeichert werden kann, ist 5 bis 10 Mal kleiner als bei einer aufladbaren Batterie.»

Luganos Stromverbrauch in einem Würfel

Die Energiespeicherung über Druckluft könnte in Europa, insbesondere Nordeuropa, wo immer mehr Energie aus Windkraft gewonnen wird, ein grosses Potential haben. Im Idealfall, meint Maurizio Barbato, sollte eine solche Anlage in direkter Nähe zu einem Windpark stehen. «Doch für Windparks in Flachlandschaften wie in Norddeutschland ist dies schwierig. Entweder müsste man Hunderte von Metern unter die Erde gehen oder wasserdichte Behälter an der Erdoberfläche bauen, was sehr teuer wäre.» Ein Bergland wie die Schweiz mit vielen Stollen und Tunnels könnte insofern eine wichtige Rolle spielen.

Giw Zanganeh glaubt hingegen nicht an das Potential von Tunnels oder alten Militärbunkern. Die Militärbunker sind seiner Meinung nach in der Regel zu klein, während die langgestreckte Form eines Tunnels ihm ungeeignet erscheint, um Energieverluste auf ein Minimum zu reduzieren. Besser geeignet seien Behälter in Form eines Würfels oder einer Kugel, da das Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen geringer sei. Der Ingenieur Zanganeh hat eine Berechnung gemacht: «Ein Würfel mit einer Kantenlänge von 48 Metern könnte 500 MWh Energie speichern. Dies entspricht dem 12-Stunden-Konsum der Stadt Lugano mit 70‘000 Einwohnern.»

Sollten die Tests mit dem System Alacaes gute Resultate liefern, könnte die Schweiz ihre Rolle als Energiespeicher Europas behaupten. Dies wäre sehr nützlich, um die Fluktuationen der Wind- und Sonnenergie aufzufangen und das europäische Stromnetz zu stabilisieren.

Naturwissenschaftler suchen nach neuen Möglichkeiten, Elektrizität zu speichern. Doch was könnte der Bürger tun, um den Energiekonsum zu verringern? Diskutieren Sie mit uns in den Kommentaren.

(Übertragung aus dem Italienischen: Gerhard Lob)