Chinesisches Team optimiert Gasinjektionsstrategie für Druckluftspeicherung – Speicherrate steigt auf 87,5 %

de.wedoany.com-Bericht: Am 28. September führte ein Forschungsteam der Hunan University of Technology eine Untersuchung des Injektionsprozesses eines unterirdischen Druckluftspeichersystems in Kavernen durch. Durch die Erstellung eines gekoppelten numerischen Modells von Schacht und Speicherkaverne wurden die Veränderungen von Temperatur, Druck und Wärmeverlust unter verschiedenen Bedingungen hinsichtlich Injektionsdurchfluss, Schachtdurchmesser und Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gesteins simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass unter der Bedingung gleicher Gesamtinjektionsmasse und einer Injektionsdauer von 8 Stunden durch Anwendung einer linear ansteigenden Injektionsstrategie die Speicherrate der Kaverne von 85,5 % bei konstantem Durchfluss auf 87,5 % erhöht werden kann. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in „Case Studies in Thermal Engineering" veröffentlicht.

Das Forschungsmodell berücksichtigt gleichzeitig den Lufttransport im Schacht, die realen thermophysikalischen Eigenschaften der Luft, Turbulenz, gekoppelten Wärmeaustausch zwischen Gas und Feststoff sowie den Wärmeleitungsprozess im umgebenden Gestein und wurde mit Betriebsdaten des deutschen Druckluftspeicherkraftwerks Huntorf validiert. Das Modell vereinfacht die Speicherkaverne von Huntorf zu einem Zylinder mit einem Radius von 20 Metern und einer Höhe von 112,2 Metern. Im Vergleich zu den Messdaten beträgt die maximale Temperaturabweichung der Simulationsergebnisse 2,66 K und die maximale Druckabweichung 0,30 MPa.

In den nachfolgenden Parametersimulationen legte das Forschungsteam eine kugelförmige Speicherkaverne mit einem Radius von 40 Metern und einem Volumen von 268.000 Kubikmetern zugrunde, die mit einem 30 Meter langen Schacht verbunden ist. Es wurden vier Injektionsmodi verglichen, darunter eine lineare Erhöhung des Durchflusses von 10 kg/s auf 150 kg/s, eine segmentierte Injektion mit 110 kg/s in den ersten 5 Stunden und 30 kg/s in den letzten 3 Stunden, eine schrittweise Durchflusserhöhung mit Unterbrechungen sowie eine konstante Injektion mit 80 kg/s. Bei allen vier Modi blieb die gesamte in 8 Stunden injizierte Luftmasse gleich.

Die Simulationsergebnisse zeigen, dass im Vergleich zum Konstantdurchflussmodus die linear ansteigende Injektion die durchschnittliche Lufttemperatur in der Kaverne um etwa 1 K und den durchschnittlichen Druck um 0,13 MPa erhöht, die von der Druckluft gewonnene Arbeit um etwa 12,7 % steigt und gleichzeitig die von der Kavernenwand an das umgebende Gestein übertragene Wärmemenge um etwa 11 % zunimmt. Unter diesen Bedingungen erhöht sich die endgültige Speicherrate um 2 Prozentpunkte. Das Forschungsteam testete außerdem vier Schachtdurchmesser von 0,5 Metern, 1 Meter, 1,5 Metern und 2 Metern. Bei einer Erhöhung des Schachtdurchmessers von 0,5 Metern auf 2 Meter sank der Wärmeverlust der Schachtwand von 8,5×10^8 J auf 2,5×10^8 J, und die durchschnittliche Temperatur der in die Kaverne eintretenden Luft stieg um etwa 1 K.

Auch die thermophysikalischen Eigenschaften des umgebenden Gesteins wurden in die Simulation einbezogen. Das Team führte Berechnungen mit den Wärmeleitfähigkeiten von Basalt mit 2,17 W/(m·K), Granit mit 2,90 W/(m·K) und Quarzit mit 5,53 W/(m·K) durch. Beim Wechsel des umgebenden Gesteins von Basalt zu Quarzit erhöhte sich der Wärmeleitungsverlust um etwa 7 %. Die Untersuchung ergab zudem, dass bei einer Vereinfachung der Kavernenwand als adiabate Bedingung zum Ende der Injektion die durchschnittliche Temperatur und der Druck um 1,7 K bzw. 0,05 MPa überschätzt werden; zum Ende der Ausspeisung vergrößerten sich die entsprechenden Überschätzungen auf 2,2 K und 0,06 MPa.

Diese Untersuchung befasste sich mit der Energiespeicherleistung in der Injektionsphase unterirdischer Speicherkavernen. Die Ergebnisse stammen aus numerischen Simulationen, und die Effizienz von Oberflächenanlagen wie Verdichtern und Expansionsmaschinen wurde nicht in die genannten Speicherraten von 85,5 % und 87,5 % eingerechnet. Das Forschungsteam führte diesmal schwerpunktmäßig den Vergleich von drei Parametergruppen durch: Injektionsmodus, Schachtgröße und Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gesteins. Zudem wurde das Modell anhand der tatsächlichen Betriebsdaten von Huntorf hinsichtlich der berechneten Temperatur- und Druckergebnisse validiert.