CAES, Druckluftspeicher

CAES steht für Compressed Air Energy Storage. Gemeint sind Stromspeicher, die elektrische Energie zunächst in mechanische Energie umwandeln, indem sie Luft verdichten, und diese verdichtete Luft später wieder zur Stromerzeugung nutzen. Ein Druckluftspeicher speichert also keinen Strom im engeren Sinn, sondern ein Energiepotenzial: Luft steht unter erhöhtem Druck und kann beim Entspannen eine Turbine oder einen anderen Expander antreiben.

Die Grundfunktion ist einfach, die technische Ausführung aber nicht. In der Ladephase treiben Elektromotoren Kompressoren an. Diese pressen Luft in einen Speicherraum, zum Beispiel in eine unterirdische Salzkaverne, eine Felskaverne, einen Druckbehälter oder ein anderes geeignetes Volumen. In der Entladephase strömt die Druckluft kontrolliert zurück, wird entspannt und treibt eine Maschine an, die über einen Generator wieder Strom erzeugt. Die relevanten Größen sind dabei Leistung und Energieinhalt. Die Leistung beschreibt, wie schnell der Speicher Strom aufnehmen oder abgeben kann, typischerweise in Kilowatt, Megawatt oder Gigawatt. Der Energieinhalt beschreibt, wie lange diese Leistung verfügbar ist, typischerweise in Kilowattstunden, Megawattstunden oder Gigawattstunden. Diese Unterscheidung ist für Druckluftspeicher zentral, weil Kompressoren, Turbinen und Generatoren die Leistung bestimmen, während Speichervolumen, Druckniveau und Temperaturführung den Energieinhalt prägen.

Druckluftspeicher gehören zu den mechanischen Speichern. Sie sind damit anders einzuordnen als Batteriespeicher, die Energie elektrochemisch speichern, oder Wasserstoffspeicher, bei denen Strom zunächst per Elektrolyse in chemische Energie umgewandelt wird. Auch der Vergleich mit Pumpspeicherkraftwerken liegt nahe, weil beide Technologien elektrische Energie in eine andere physikalische Form überführen und später zurückwandeln. Beim Pumpspeicher wird Wasser gegen die Schwerkraft in ein höher gelegenes Becken gepumpt. Beim Druckluftspeicher wird Luft gegen den Druckunterschied verdichtet. Beide Technologien benötigen geeignete Standorte, unterscheiden sich aber in Geografie, Wirkungsgrad, Bauweise, Genehmigung und möglicher Speicherdauer.

Wärme entscheidet über den Wirkungsgrad

Beim Verdichten von Luft entsteht Wärme. Beim Entspannen kühlt Luft stark ab. Diese Wärmefrage ist kein Nebenaspekt, sondern bestimmt, wie viel der eingesetzten elektrischen Energie später wieder als Strom verfügbar wird. Wird die Verdichtungswärme nicht genutzt, geht ein erheblicher Teil der eingesetzten Energie verloren. Wird die Luft vor der Entspannung wieder aufgeheizt, lässt sich mehr Arbeit aus ihr gewinnen.

Konventionelle, sogenannte diabate Druckluftspeicher geben die bei der Kompression entstehende Wärme weitgehend an die Umgebung ab. Beim Entladen muss die kalte Druckluft vor der Turbine erwärmt werden. Historisch wurde dafür Erdgas verbrannt. Solche Anlagen sind deshalb keine rein strombasierten Speicher im strengen Sinn, sondern hybride Kraftwerke: Sie speichern Druckluft, benötigen aber zusätzlich Brennstoff. Ihr elektrischer Wirkungsgrad lässt sich nicht sinnvoll mit einer Batterie vergleichen, ohne den Brennstoffeinsatz mitzurechnen.

Adiabate Druckluftspeicher versuchen, die Verdichtungswärme zu speichern und beim Entladen wieder zu nutzen. Dazu braucht es einen Wärmespeicher, der hohe Temperaturen, viele Zyklen und große Energiemengen technisch beherrscht. Gelingt das, kann der Druckluftspeicher ohne zusätzliche Verbrennung arbeiten und höhere Gesamtwirkungsgrade erreichen. Daneben gibt es Konzepte mit nahezu isothermer Kompression und Expansion. Dabei soll die Temperatur der Luft während des Verdichtens und Entspannens möglichst konstant gehalten werden. Diese Varianten sind technisch anspruchsvoll, weil Wärme sehr schnell übertragen werden muss.

Der Begriff CAES sagt daher noch nicht, welche Klimawirkung, welcher Wirkungsgrad oder welche Betriebsweise vorliegt. Ohne Angaben zur Wärmeführung bleibt die Bezeichnung unvollständig. Ein Druckluftspeicher mit Gasnachheizung hat eine andere Rolle im Stromsystem als ein adiabater Speicher mit integriertem Wärmespeicher.

Standort, Speichervolumen und Netzanbindung

Große Druckluftspeicher sind besonders dort interessant, wo große unterirdische Hohlräume verfügbar sind. Salzkavernen spielen dabei eine wichtige Rolle, weil sie technisch hergestellt werden können und hohe Drücke aufnehmen. Solche Kavernen werden auch für Erdgas, Wasserstoff oder andere Gase diskutiert und genutzt. Damit entsteht eine Standortkonkurrenz: Geologie, Genehmigungen, Netzanbindung und künftige Nutzungskonzepte bestimmen, ob ein geeigneter Raum tatsächlich für CAES verfügbar ist.

Druckluftspeicher in oberirdischen Tanks sind möglich, erreichen aber bei großen Energiemengen schnell hohe Material- und Kostenanforderungen. Der Vorteil unterirdischer Kavernen liegt im großen Volumen. Der Nachteil liegt in der Standortbindung. Eine Batterie kann näher an einem Umspannwerk, einem Solarpark, einem Gewerbestandort oder einem Verteilnetzengpass errichtet werden. Ein großer Druckluftspeicher folgt dagegen der Geologie und muss an Stromnetz, gegebenenfalls Gas- oder Wärmesysteme, Genehmigungsräume und Marktanwendungen angebunden werden.

Für das Stromsystem ist diese räumliche Bindung relevant. Speicher helfen nicht automatisch dort, wo ein Netzengpass entsteht. Ein Speicher in Norddeutschland kann Überschüsse aus Windstrom aufnehmen, wenn Netzanschluss und Marktregeln das zulassen. Er kann aber keinen lokalen Engpass in einem entfernten Verteilnetz beseitigen. Die technische Fähigkeit zur Speicherung ersetzt nicht die Frage nach Standort, Netzebene und Betriebsführung.

Abgrenzung zu Batterien, Wasserstoff und Langzeitspeichern

CAES wird häufig als Langzeitspeicher bezeichnet. Das kann zutreffen, muss aber präzisiert werden. Langzeitspeicherung kann Stunden, Tage, Wochen oder saisonale Verschiebungen meinen. Druckluftspeicher eignen sich vor allem für größere Energiemengen über mehrere Stunden bis möglicherweise Tage, abhängig von Speichergröße, Druckniveau, Kosten und Auslegung. Für sehr kurze Reaktionszeiten und häufige Zyklen sind Batteriespeicher oft besser geeignet. Für saisonale Energiemengen wird meist Wasserstoff diskutiert, weil chemische Speicherung sehr große Energiemengen über lange Zeiträume aufnehmen kann, obwohl die Umwandlungsverluste hoch sind.

Die Abgrenzung darf nicht nur am Wirkungsgrad hängen. Batterien haben meist höhere elektrische Wirkungsgrade und sehr schnelle Reaktionszeiten. Sie sind gut für Frequenzhaltung, kurzfristige Verschiebung von Solarstrom, lokale Lastspitzen und netznahe Anwendungen geeignet. Druckluftspeicher können bei großen Speichervolumina Kostenvorteile pro gespeicherter Energiemenge haben, brauchen aber geeignete Standorte und komplexere Anlagentechnik. Wasserstoffspeicher haben niedrigere Rückverstromungswirkungsgrade, können dafür sehr große Energiemengen und längere Zeiträume adressieren. Welche Technologie sinnvoll ist, hängt von der Aufgabe ab: Minutenreserve, tägliche Verschiebung, Dunkelflaute, Netzengpassmanagement, Absicherung industrieller Lasten oder Bereitstellung gesicherter Leistung.

Auch der Begriff Flexibilität wird oft unscharf verwendet. Ein Druckluftspeicher stellt Flexibilität bereit, wenn er seinen Verbrauch beim Laden und seine Erzeugung beim Entladen systemdienlich steuern kann. Diese Flexibilität hat aber technische Grenzen: Mindestbetriebsbereiche, Anfahrzeiten, Druckzustand, Temperaturzustand und verfügbare Speicherkapazität begrenzen den Einsatz. Ein leerer Speicher kann keine Leistung abgeben. Ein voller Speicher kann keine zusätzliche Überschussenergie aufnehmen. Speicher sind deshalb keine abstrakte Reserve, sondern Anlagen mit Zustand, Standort und Einsatzkosten.

Wirtschaftliche Rolle im Strommarkt

Ein Druckluftspeicher verdient im Strommarkt Geld, wenn der Wertunterschied zwischen Laden und Entladen groß genug ist, um Verluste, Betriebskosten, Kapitalkosten und Netzentgelte zu decken. In einem System mit viel Wind- und Solarstrom entstehen häufiger Stunden mit niedrigen oder sogar negativen Preisen und andere Stunden mit hohen Preisen. Diese Preisdifferenzen können Speicher nutzen. Der reine Energiehandel reicht für kapitalintensive Langzeitspeicher jedoch oft nicht aus, wenn Preisspitzen selten, regulatorisch begrenzt oder schwer kalkulierbar sind.

Weitere Erlösquellen können Regelenergie, Redispatch, Kapazitätsmechanismen, Netzreserve oder bilaterale Verträge mit großen Verbrauchern sein. Jede dieser Anwendungen folgt eigenen Regeln. Ein Speicher kann technisch mehrere Leistungen erbringen, aber nicht jede Leistung wird vergütet, und nicht jede Vergütung ist mit jeder Betriebsweise vereinbar. Wenn ein Speicher für Netzstabilität vorgehalten wird, steht seine Kapazität nicht gleichzeitig vollständig für Arbitrage am Strommarkt zur Verfügung. Aus dieser Ordnung folgt ein institutionelles Problem: Die volkswirtschaftlich nützliche Funktion eines Speichers und das privatwirtschaftlich erzielbare Erlösprofil fallen nicht automatisch zusammen.

Netzentgelte, Abgaben, Anschlussregeln und die Einordnung als Letztverbraucher oder Erzeuger beeinflussen die Wirtschaftlichkeit zusätzlich. Speicher nehmen Strom aus dem Netz auf und geben später Strom ab. Werden sie regulatorisch so behandelt, als sei der eingespeicherte Strom ein normaler Endverbrauch, entstehen Kosten, die die Speicherfunktion verzerren können. Moderne Regelwerke versuchen solche Doppelbelastungen zu vermeiden, bleiben aber in vielen Details anwendungsabhängig.

Typische Missverständnisse

Ein häufiges Missverständnis lautet, Druckluftspeicher könnten Stromüberschüsse nahezu beliebig aufnehmen. Tatsächlich begrenzen Leistung, Speicherfüllstand, Druckbereich und Standort die Aufnahmefähigkeit. Ein weiteres Missverständnis entsteht, wenn jede gespeicherte Kilowattstunde gleich behandelt wird. Eine Kilowattstunde, die in einer windreichen Nacht aufgenommen und am nächsten Abend abgegeben wird, hat eine andere Systemwirkung als eine Kilowattstunde, die erst nach mehreren Tagen Windflaute gebraucht wird. Der Zeitpunkt der Verfügbarkeit ist Teil des Werts.

Auch die Gleichsetzung von Speicherkapazität und Versorgungssicherheit ist ungenau. Ein Druckluftspeicher kann zur Versorgungssicherheit beitragen, wenn er in kritischen Stunden abrufbar ist und seine Leistung in die Bilanz passt. Er ersetzt aber nicht die Planung gesicherter Leistung, die Absicherung von Brennstoffen oder Speichermedien, den Netzausbau und die Steuerung von Lasten. Für die Residuallast, also den Strombedarf nach Abzug der Einspeisung aus Wind und Sonne, kann CAES eine relevante Ausgleichsoption sein. Die Wirkung hängt davon ab, wie groß die Residuallastspitzen sind, wie lange sie dauern und ob der Speicher vorher geladen werden konnte.

Druckluftspeicher machen sichtbar, dass die Energiewende nicht allein eine Frage installierter Erzeugungsleistung ist. Mit wachsendem Anteil wetterabhängiger Erzeugung steigen die Anforderungen an zeitliche Verschiebung, gesicherte Abrufbarkeit und koordinierte Betriebsführung. CAES ist eine mögliche Antwort auf diese Anforderungen, aber keine universelle Speicherlösung. Der Begriff bezeichnet eine technische Speicherfamilie, deren Nutzen erst durch Wärmeführung, Standort, Speicherdauer, Marktregeln und Netzfunktion konkret wird.