Geomechanische Untersuchungen zum Tragverhalten von Druckluftspeicherkavernen

Aus Sicht der geomechanischen Tragwerksanalyse unterscheiden sich die für die Zwischenspeicherung von Windenergie geplanten Druckluftspeicherkavernen von den für die Speicherung fossiler Energieträger seit Jahrzehnten eingesetzten Erdgas- und Erdölspeicherkavernen wie folgt:

1. Die Frequenz, mit der der Kaverneninhalt umgeschlagen wird (Wechsel zwischen Einspeisung = Innendruckerhöhung und Ausspeisung = Innendruckabsenkung), ist aufgrund der fluktuierenden Windenergie bei Druckluftspeichern deutlich höher als bei den regelmäßig zur saisonalen Speicherung eingesetzten Erdgasspeicherkavernen.
2. Der wirtschaftlich sinnvolle maximale Innendruck ist bei Druckluftspeicherkavernen signifikant geringer als bei Erdgasspeicherkavernen. Bestimmend für den Maximaldruck der Druckluftspeicher ist der maximal zulässige Turbineneingangsdruck. Für zur Zeit am Markt verfügbare Anlagen ist der Turbineneingangsdruck durch ein zulässiges Druckspiel von ca. 30 bar Minimaldruck bis 80 bar Maximaldruck gegeben.
3. Die maximal erforderliche Ausspeicherrate bzw. der erforderliche Volumenstrom ist bei Druckluftspeicherkavernen deutlich größer als bei Erdgasspeicherkavernen. Während bei Erdgasspeicherkavernen in der Größenordnung 100.000 m³/h bzw. in der Folge eine Innendruckabsenkungsrate von ca. 1 MPa/d im Rahmen der Tragwerksanalyse zu berücksichtigen sind, ist im Rahmen der Tragwerksanalyse für volumengleiche Druckluftkavernen eine Innendruckänderungsrate von maximal ca. 0,1 MPa/h bis 1 MPa/h, d.h. eine 20- bis 25-fach höhere Rate anzusetzen.
4. Die isentrope Abhängigkeit zwischen Fluidtemperatur und Fluiddruck resultiert bei Verwendung von Luft als Speichermedium in einer gegenüber Erdgas deutlich größeren Temperaturänderung bei Druckänderung.
5. Die gegenüber Erdgasspeicherkavernen insgesamt deutlich größeren Volumenströme bei Druckluftspeicherkavernen führen zu einem entsprechend vergrößerten Verschleiß der Förderrohrtour. In der Konsequenz ist innerhalb der Lebensdauer der Druckluftspeicherkavernen die Notwendigkeit einer Erneuerung des Förderrohrstranges als regulärer Betriebslastfall und nicht wie bei Erdgasspeicherkavernen als Sonderlastfall zu kalkulieren.

Aus den unter (1.) bis (5.) zusammengestellten besonderen Anforderungen einer Druckluftspeicherung in Salzkavernen resultieren signifikant höhere Beanspruchungen in dem die Kaverne umgebenden Salzgebirge durch die Druckwechsel selbst und durch die induzierten Temperaturgradienten im konturnahen Salzgebirge. Ziel der im Rahmen der Konzeptstudie durchgeführten rechnerischen Analysen zum Tragverhalten von Druckluftkavernen war es vor diesem Hintergrund, die Konsequenzen der gegenüber Gaskavernen veränderten Belastungsrandbedingungen auf das resultierende Spannungs- und Verformungsfeld in Raum und Zeit zu quantifizieren und hinsichtlich ihrer Zulässigkeit bezüglich Standsicherheit, Dichtigkeit und Gebrauchsfähigkeit zu bewerten.