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Grundsätzliches zu den Zielen der Projektstudie

Einleitung

Bild 1: Bruttostromerzeugung in Deutschland nach Energieträgern im Jahr 2007

Der Lebensstandard und Wohnkomfort in den Industriestaaten hängt maßgeblich von der verfügbaren Energie ab. Aufgrund von knapp werdender fossiler Energieträger bei gleichzeitig steigendem Bedarf sind alternative Konzepte zur Energieerzeugung zu entwickeln.

Als Lösung bieten sich regenerative Energien an. Deren Anteil an der Bruttostromerzeugung im Jahr 2007 beträgt ca. 15%, wobei der Hauptanteil aus Windkraft (6,2%) und Wasserkraft (4,4%) besteht (s. Bild 1,  nach Quellen: Statistisches Bundesamt; Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie; BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.; Statistik der Kohlenwirtschaft e.V.; AG Energiebilanzen e.V.). Mit Beschluss des Deutschen Bundestages vom 6. Juni 2008 soll dieser Anteil aus erneuerbaren Energien im Jahr 2020 bei mindestens 30% liegen /1/. Im Rahmen der Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung soll dabei verstärkt auf Offshore-Windenergie gesetzt werden /2/.

Problematik

Bild 2: Netzlast und eingespeiste Windleistung

Trotz besserer meteorologischer Bedingungen auf See ist die Windenergie witterungsabhängig, was zu enormen Fehlanpassungen zwischen Erzeugung und Bedarf führt (s. Bild 2).

So kann es beispielsweise vorkommen, dass es zu Zeiten einer hohen Netzlast (in den frühen Morgenstunden) eine Flaute gibt, die durch andere Kraftwerke ausgeglichen werden muss. Im umgekehrten Fall kann es zu einer Überlastung des Netzes kommen.

Angemerkt sei ebenfalls, dass hohe Investitionskosten für die Anbindung des Offshore-Windparks an das Verbundnetz anfallen aufgrund von großen Entfernungen zur Küste. Diese sind erforderlich, da sich in Deutschland küstennah zumeist Naturschutzgebiete befinden und vielfach Touristen keine Windmühlen am Horizont sehen möchten.

Lösung durch das Clausthaler Konzept

Bild 3: Integration unterschiedlicher Energiequellen zur Grundlastversorgung auf dem Festland durch ein Offshore-Verbundkraftwerk auf Basis erneuerbarer Energien /3/
Bild 4: Schaltschema des Offshore-Verbundkraftwerks /3/

Damit die Schwankungen in der Energieerzeugung durch einen Offshore-Windpark ausgeglichen werden und sich besser an den tatsächlichen Bedarf anpassen lassen, haben Forscher an der TU Clausthal (TUC) ein Konzept entwickelt, das die Netzintegration von Offshore-Großwindanlagen ermöglicht.

In dem Forschungsvorhaben für das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) wurde untersucht, ob eine Integration unterschiedlicher Energieressourcen zu einem Offshore-Verbundkraftwerk sogar eine Grundlastversorgung durch Windenergie erlaubt.

Der Grundgedanke beim untersuchten Konzept ist der Ausgleich der Windschwankungen in unmittelbarer Nähe des Windparks, damit die Übertragungskapazität der Netzanbindung immer vollständig ausgenutzt wird (s. Bild 3 und 4).

Sollte es vorkommen, dass mehr Windenergie vorhanden ist als das Verbundnetz bedarf, dann kann dieser Überschuss umgewandelt werden. Dabei wird ein Kompressor angetrieben, um Luft in eine Kaverne (künstlich geschaffener, unterirdischer Hohlraum) zu pressen. Somit lässt sich überschüssige Windenergie zwischenspeichern bis die Windenergieeinspeisung ins Verbundnetz absinkt. Dann wird die eingespeicherte Druckluft über eine Turbine entspannt, die einen Generator antreibt. Bei diesem Verfahren entsteht bei der Kompression der Luft Wärme, die an die Umgebung abgegeben wird. Außerdem muss die entspannte Luft vorgeheizt werden, um ein Vereisen der Aggregate zu vermeiden. Deswegen bietet sich an, dass die Kompressionswärme ebenfalls zwischengespeichert wird - in einem Wärmespeicher, um die Luft beim Entladen aus der Kaverne damit vorzuwärmen. Man nennt dieses Wirkprinzip adiabatische Druckluftspeicherung und diese verfügt über einen besseren Wirkungsgrad als die diabate Speicherung.

Weil die Speicherkapazität der Kavernen begrenzt ist und die Erzeugung elektrischer Energie mit diesem Verfahren nicht so schnell auf Änderungen der Windgeschwindigkeit reagiert, besteht eine weitere Komponente des Verbundkraftwerkes aus der Verstromung von sogenanntem Schwachgas. In der Nordsee sind mehrere Lagerstätten dieses Gases vorhanden, welches allerdings durch einen hohen Anteil an molekularem Stickstoff (N2) verdünnt ist, so dass der Heizwert reduziert ist und unterhalb von 8,5 MJ/Nm3 liegt. Aufgrund dieses hohen Gehaltes an N2 ist eine direkte Verwertung nicht möglich und ein Transport durch eine Pipeline ans Festland nicht rentabel. Aber Beispiele belegen, dass diese Gaszusammensetzung in einer Turbine verbrannt werden kann. Daher bietet sich eine Stromerzeugung mittels Schwachgas als Ergänzung zur Windenergie und Kavernenspeicherung direkt vor Ort an.

 

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