Druckluftspeicherkraftwerke sind Speicherkraftwerke, in denen Druckluft als Energiespeicher verwendet wird. Sie dienen zur Netzregelung wie beispielsweise der Bereitstellung von Regelleistung: Wenn mehr Strom produziert als verbraucht wird, wird mit der überschüssigen Energie Luft unter Druck in einen Speicher gepumpt; bei Strombedarf wird mit der Druckluft in einer Gasturbine Strom produziert.
Nach der englischen Bezeichnung Compressed Air Energy Storage werden diese Kraftwerke auch abgekürzt CAES-Kraftwerke genannt.
Weltweit werden bislang nur wenige Speicherkraftwerke dieses Typs betrieben: Das Kraftwerk Huntorf in Deutschland und das Kraftwerk McIntosh in den USA sowie in der Schweiz eine Versuchsanlage in einem nicht mehr benötigten Transportstollen aus der Bauzeit des Gotthard-Basistunnels. Im September 2022 wurde in Zhangjiakou (China) ein Kraftwerk mit einer Leistung von 100 MW in Betrieb genommenChina blowing hot on compressed air energy storage. In: asiatimes.com, 4. Oktober 2022. Abgerufen am 4. November 2022., im April 2025 in Nengchu Provinz Hubei mit einer Leistung von 300 MW und 2026 das aktuell weltweit größte Kraftwerk mit 600 MW Leistung in der chinesischen Provinz Jiangsu.
Funktionsweise Druckluftspeicherkraftwerke wurden bisher als Hybrid in Kombination mit einem Gasturbinenkraftwerk zur Bereitstellung von Strom zu Zeiten der Spitzenlast ausgeführt. Im Unterschied zu einem für den gleichen Einsatzzweck entwickelten Pumpspeicherkraftwerk, bei dem Wasser aus einem hochgelegenen Speichersee über Fallrohre nach unten fließt und dabei Turbinen und damit Generatoren antreibt, nutzt ein Druckluftspeicherkraftwerk die Energie, die in komprimierter Luft steckt.
Bei der Einspeicherung der Luft in die Kaverne wird ihr Druck in einem Verdichter deutlich erhöht, was zu einem deutlichen Temperaturanstieg führt. Dies muss durch die Ableitung von Wärme ausgeglichen werden, um Schädigungen an der Kaverne zu vermeiden. Bei der Ausspeicherung wird die Luft über eine Entspannungsturbine geleitet und der Druck vermindert, wodurch die Temperatur sinkt. Die an der Turbine abgegebene Leistung wird an einen angekuppelten Generator gegeben. Werden die beiden Wärmeströme über einen Wärmespeicher gekoppelt, so spricht man von einer adiabaten Anlage. Die bisher in Huntorf und McIntosh installierten Anlagen geben jedoch bei der Einspeicherung die Verdichterwärme an die Umgebung ab und heizen bei der Ausspeicherung die Luft vor der Entspannung durch das Verbrennen von Erdgas auf (diabate Anlage).
Da Spitzenlastkraftwerke den größten Teil der Zeit stillstehen bzw. im Fall von Speicherkraftwerken geladen werden, können sie nur rentabel betrieben werden, wenn der Strom in Spitzenlastzeiten zu hohen Preisen abgenommen wird. Die Gesamtkosten werden damit sehr stark von den Installationskosten der Anlage bestimmt.
Ein wesentliches Merkmal eines Druckluftspeicherkraftwerkes – wie auch von anderen Spitzenlast- und Speicherkraftwerken – ist es, dass sie sehr schnell gestartet werden können. Innerhalb von drei Minuten steht z. B. in Huntorf bei Elsfleth 50 % und nach ca. zehn Minuten 100 % der Leistung zur Verfügung.
Zudem ist die Anlage schwarzstartfähig, das heißt, die Anlage kann nach einem großflächigen Blackout zum Wiederaufbau des Netzbetriebes beitragen.
Wirkungsgrad Bei diabaten Druckluftspeichern geht ein großer Teil der Energie verloren und muss durch das Zufeuern von Erdgas ausgeglichen werden. Durch eine Speicherung der Wärme (adiabater Speicher) erhöht sich der Wirkungsgrad allerdings steigt auch der bauliche und Unterhaltungsaufwand.
Um im Kraftwerk Huntdorf 1 kWh elektrische Energie zu erzeugen, müssen 0,8 kWh el. Energie und 1,6 kWh Gas aufgebracht werden. Kraftwerke vom Typ „Adiabaten Speicherkraftwerke“ (AA-CAES) kommen ohne fossile Brennstoffe aus und benötigen für die Erzeugung von einer kWh Spitzenlaststrom etwa 1,4 kWh Schwachlaststrom.
Bedeutung Druckluftspeicherkraftwerke könnten in Zukunft durch die Energiewende und den daraus resultierenden Zubau von Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen, der mit einem erhöhten Energiespeicherbedarf einhergeht, eine größere Bedeutung bekommen. Sie können wie Pumpspeicherkraftwerke zur Stromveredelung benutzt werden. Um ähnlich viel Regelenergie zur Verfügung zu stellen, brauchen Pumpspeicherkraftwerke entweder große Volumina und damit sehr viel Fläche oder große Höhenunterschiede.
Druckluftspeicher benötigen ausgehöhlte, luftdichte Salzstöcke und sind deshalb ebenso wie Pumpspeicherkraftwerke an geologisch geeignete Standorte gebunden. An der deutschen Nordseeküste gibt es viele Salzstöcke, die ausgespült werden könnten, um dadurch Kavernen für Druckluftspeicheranlagen zu schaffen.
Dabei verspricht man sich angesichts des stetigen Ausbaus der Windenergie sowie der Photovoltaik vom breiten Einsatz von Energiespeichern eine Verstetigung dieser schwankenden (volatilen) „dargebotsabhängigen Energieformen“. Fehlende Wind- oder Solarenergie könnte aus den Speichern ergänzt werden, und die kurzzeitigen, aber sehr hohen Produktionsspitzen könnten in die Speicher eingespeist werden, was die Netzverträglichkeit von Wind- und Solarenergie erhöht. Günstig ist dabei, dass sich in der Nähe der gegenwärtigen (Küstenbereich) und künftigen (Nord- und Ostsee) Produktionsschwerpunkte der Windstromproduktion viele geologisch geeignete Stätten befinden. Die EU fördert ein europaweites Forschungsprojekt zu Druckluftspeichern.
Systematisierung Im strengen Wortsinn besteht ein Druckluftspeicherkraftwerk lediglich aus einem strombetriebenen Kompressor, dem Druckluftspeicher als großvolumigem, luftdicht verschlossenem Behälter, einer Turbine und einem Generator. Der Kompressor verdichtet Luft und presst sie in den Behälter. Die später ausströmende Druckluft treibt die Turbine an. Der daran angeschlossene Generator erzeugt Strom. Diese elementare Ausführung würde in der Praxis zu erheblichen Problemen und einem ineffizienten Betrieb führen. Sie wird daher stets um zusätzliche Komponenten erweitert.
Druckluft-Gas-Kombikraftwerk Die Kompression der Luft führt automatisch zu einer Erhöhung ihrer Temperatur, siehe adiabatische Zustandsänderung. Je nach Druck können weit über 1.000 °C erreicht werden. Um die Anlage davor zu schützen, wird ihre Wärmeenergie über Wärmeübertrager an die Umgebung abgegeben und geht somit für die weitere Nutzung verloren. Eine weitere Abkühlung findet durch den unvermeidlichen Temperaturausgleich mit der Wandung des Druckluftspeichers (Kaverne) in der Zeit bis zur Wiederentnahme statt. Aus beiden Prozessen resultieren erhebliche Effizienzverluste.
Umgekehrt würde die (bereits abgekühlte) Luft bei Expansion in der Turbine stark abkühlen. Die in der Luft befindliche Restfeuchte würde gefrieren und die Turbine vereisen. Um dies zu vermeiden, wird die Druckluft beim Eintritt in die Turbine mit einem brennbaren Gas gemischt und das Gemisch gezündet. Die entstehenden heißen Abgase treiben die Turbine an.
Somit handelt es sich um ein Gasturbinenkraftwerk, bei dem die Arbeit des zur Turbine gehörigen Verdichters von der gespeicherten Druckluft übernommen wird. Das Kraftwerk Huntorf gehört in diese Kategorie. In einem solchen Kraftwerk wird dementsprechend Energie gespeichert, der spezielle Nutzen eines solchen Kraftwerkes liegt in der Bereitstellung von Regelenergie. Durch den Betrieb der Turbine ohne angekoppelten Kompressor kann darüber hinaus eine deutlich höhere Leistung zur Verfügung gestellt werden als dies in einem konventionellen Gaskraftwerk erfolgen kann.
Adiabatisches Druckluftspeicherkraftwerk Bei dem adiabat(isch)en Druckluftspeicherkraftwerk (engl. Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage – AA-CAES) wird die Wärme der komprimierten Druckluft in einem Wärmespeicher zwischengespeichert. Dieser ist als Feststoffspeicher ausgeführt, ähnlich einem Cowper.
Wird die Luft wieder entspannt, durchläuft sie vorher den Wärmespeicher und wird so wieder erhitzt. Es wird kein Erdgas zur Erwärmung der Luft gebraucht. So könnte ein deutlich höherer Nutzungsgrad erreicht werden. Voraussetzung ist aber, dass die Zeitspanne zwischen Auf- und Entladung des Speichers nur kurz ist. Während der Expansion in der Turbine kühlt die Luft auf Umgebungstemperatur ab.
Bei bisher ausgeführten Kraftwerken wird die bei der Komprimierung der Luft entstehende Wärme an die Umgebung abgeführt und ist damit nicht weiternutzbar. Somit arbeitet ein adiabatisches Druckluftspeicherkraftwerk näher an einer adiabatischen Zustandsänderung, der Wirkungsgrad ist höher.
Entwicklungsprojekte Die deutlich höheren Nutzungsgrade von Pumpspeicherkraftwerken von etwa 80 % können aber von Druckluftspeicherkraftwerken aus physikalischen Gründen wohl nie erreicht werden. Dennoch gibt es derzeit Bestrebungen in Deutschland und auch in den USA zum Neubau jeweils mehrerer neuer Druckluftspeicherkraftwerke in Salzstockkavernen oder in den Hohlräumen stillgelegter Bergwerke.
In den Jahren 2003 bis 2005 wurde im Rahmen eines europäischen Forschungsprojektes von Alstom Power Switzerland an einer Weiterentwicklung der Druckluftspeichertechnik gearbeitet (eingestellt).
Isobarer Druckluftspeicher Während der Entnahme der Druckluft aus dem Druckluftspeicher verringert sich der Druck im Speicher und somit der Eingangsdruck der Turbine. Konventionelle Turbinen sind aber für weitgehend konstanten Druck ausgelegt. Um den Druck im Druckluftspeicher während der Entnahme konstant zu halten, kann man ihn unterhalb einer Flüssigkeitssäule positionieren. Das kann dadurch erreicht werden, dass die (unterirdische) Kaverne mit einem oberirdischen Speicherbecken verbunden wird. Während des Einblasens der Luft in die Kaverne verdrängt sie die Flüssigkeit (Wasser oder Salzsole) von dort in den Speichersee, während der Entnahme der Druckluft strömt das Wasser wieder in die Kaverne. Die Druckveränderung reduziert sich auf die Schwankung der Oberfläche des Sees. Das Funktionsprinzip wird bei Erdgaskavernenspeichern bereits praktisch angewendet, beispielsweise vom Erdgasunternehmen Keyera in Fort Saskatchewan (Kanada).
Projekte +Projekt NameOrtTypKommerziellStatusZeitraumLeistung MWKapazität MWhWirkungsgrad %Druck BarSpeicherKraftwerk HuntorfHuntorf, bei Oldenburg, Germanydiabatisch + GasJaAktiv1978-heute321120042