Effiziente Energiespeicherung (CAES) neu definiert:
Der Flügelscheiben-Expander optimiert Druckluftspeichersysteme für Wind- und Solarenergie

Der Ausbau erneuerbarer Energien ist eine der zentralen Herausforderungen unserer Zeit. Die Notwendigkeit, fossile Energieträger durch nachhaltige Alternativen zu ersetzen, wird immer dringlicher. Doch mit der steigenden Nutzung von Wind- und Solarenergie wachsen auch die Herausforderungen für unsere Stromnetze. In diesem Zusammenhang wird nachfolgend die essenzielle Rolle der Speichertechnik für die Stabilität und Effizienz unseres Energiesystems beleuchtet.

Die Entwicklung erneuerbarer Energien und der Ausbau der Netze

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Energieerzeugung grundlegend gewandelt.
Wind- und Solarenergie haben einen immer größeren Anteil an der Stromversorgung eingenommen. Dies bringt jedoch eine zentrale Herausforderung mit sich: Im Gegensatz zu fossilen Kraftwerken sind erneuerbare Energien nicht konstant verfügbar. Die Stromerzeugung ist wetterabhängig und schwankt im Tages- und Jahresverlauf stark. Ohne ausreichende Speichermöglichkeiten entstehen Lastspitzen, die unser Stromnetz instabil machen können.

Zudem zeigt sich immer deutlicher, dass der Ausbau erneuerbarer Energien aus Wind und Sonne ohne eine zugehörige Speicherinfrastruktur nicht nachhaltig ist. Besonders in den Mittagsstunden, wenn Solaranlagen maximale Leistung erzeugen, kann der erzeugte Strom nicht vollständig genutzt werden. Dies führt zu negativen Strompreisen, bei denen Stromproduzenten sogar Geld zahlen müssen, um Überkapazitäten loszuwerden. Gerade in nördlichen Ländern Europas, die über hohe Kapazitäten an erneuerbaren Energien aus Wasserkraft und Wasserspeicherkraftwerken verfügen, kommt es dadurch zu erheblichen finanziellen Nachteilen. Beispielsweise musste in Deutschland am Osterwochenende 2024 aufgrund eines Überangebots an Wind- und Solarstrom massiv negative Preise am Strommarkt akzeptiert werden.

Die Bedeutung der Speichertechnik für die Energiewende

Speichertechnologien sind der Schlüssel zur Integration erneuerbarer Energien aus Wind und Sonne. Sie ermöglichen es, überschüssigen Strom zwischenzuspeichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder bereitzustellen. Es gibt verschiedene bekannte Speichertechnologien, die je nach Anwendung unterschiedliche Vorteile bieten:

Batteriespeicher: Ideal für kurzfristige Schwankungen und dezentrale Anwendungen wie Haushalte oder Elektrofahrzeuge. Allerdings sind sie aufgrund der begrenzten Speicherkapazität und der hohen Kosten für Materialien wie Lithium und Kobalt nicht die universelle Lösung. Zudem gibt es Umweltprobleme durch den Abbau der Rohstoffe.

Pumpspeicherkraftwerke: Bewährte Technik zur Speicherung großer Energiemengen über längere Zeiträume. Sie haben jedoch einen hohen Flächenbedarf, können nur an geographisch geeigneten Standorten gebaut werden und greifen in ökologische Systeme ein.

Wasserstoffspeicherung: Eine vielversprechende Technologie, die erneuerbaren Strom in Wasserstoff umwandelt und für die Sektor-Kopplung genutzt werden kann. Allerdings ist der Wirkungsgrad noch gering, da die Umwandlungskette mit erheblichen
Energieverlusten verbunden ist.

Die Herausforderung der Dunkelflaute

Ein großes Problem der erneuerbaren Energien ist die sogenannte Dunkelflaute: eine Wetterlage, in der sowohl Wind- als auch Solarenergie nur minimal erzeugt werden. Ohne effiziente Speicherlösungen sind wir in solchen Phasen weiterhin auf konventionelle Kraftwerke angewiesen. Doch je mehr erneuerbare Energiequellen installiert werden, desto größer werden die Versorgungslücken in diesen Dunkelflauten.

Das Paradoxon lautet: Je mehr erneuerbare Energiequellen wir haben, desto größer wird der Bedarf an konventionellen Kraftwerken und der Ausbau an stabilen Netzen. In diesen kritischen Zeiten besteht die größte Herausforderung in der Netzstabilität. Um den Mangel an Wind- und Solarstrom auszugleichen, müssen vermehrt konventionelle Kraftwerke wie Gaskraftwerke, Kohlekraftwerke oder sogar Atomkraftwerke eingesetzt werden. Besonders problematisch ist die sofortige Verfügbarkeit dieser Kraftwerke: Das Hochfahren und Herunterfahren dieser Anlagen benötigt viel Zeit und Energie, was ihre Effizienz erheblich mindert.
Ein aktuelles Beispiel hierfür ist ein Stahlwerk in Deutschland, das aufgrund der extrem hohen Strompreise im Dezember 2024 fast zwei Wochen lang seinen Betrieb einstellen musste. Die Preise stiegen auf bis zu 1.000 Euro pro Megawattstunde, was das wirtschaftliche Weiterbetreiben des Werkes untragbar machte. Solche Situationen zeigen, dass eine vollständige Abhängigkeit von erneuerbaren Energien ohne großflächige Speichertechnologien aktuell nicht realistisch ist. Im Januar 2024 war Deutschland aufgrund einer langen Dunkelflaute auf hohe Gasimporte angewiesen, um die Stromversorgung sicherzustellen, da die erneuerbare Stromproduktion stark zurückging.

Der wachsende Energiebedarf durch Elektromobilität und
Wärmepumpen

Mit der Zunahme der Elektromobilität und der verstärkten Nutzung von Wärmepumpen steigt der Strombedarf erheblich. Elektrofahrzeuge und Wärmepumpen bieten jedoch auch Möglichkeiten zur Netzstabilisierung, indem sie als flexible Verbraucher oder sogar als Speicher in das Stromnetz eingebunden werden. Intelligente Netze und bidirektionales Laden könnten künftig einen wichtigen Beitrag zur Netzstabilität leisten.

Speichertechnik als Schlüssel im Kampf gegen den Klimawandel

Die Dringlichkeit des Klimawandels erfordert schnelle und nachhaltige Lösungen.
Ohne effiziente Speicherlösungen bleibt der Ausbau erneuerbarer Energien begrenzt, da der erzeugte Strom nicht jederzeit genutzt werden kann. Eine gut ausgebaute Speicherinfrastruktur kann dazu beitragen, fossile Kraftwerke schneller abzuschalten und den CO2-Ausstoß drastisch zu reduzieren.
Besonders der flächendeckende Ausbau von Speichern stellt eine wichtige Maßnahme dar, um das bestehende Stromnetz zu entlasten. Während wenige große Speicheranlagen hohe Energiemengen zentral aufnehmen können, erfordern sie oft erhebliche Netzkapazitäten für den Transport von Strom über weite Strecken.
Dezentrale Speicherlösungen hingegen können direkt vor Ort genutzt werden, wodurch der Strom effizienter verteilt wird. Dies verringert Engpässe in den Stromnetzen, minimiert Übertragungsverluste und reduziert den Bedarf an teuren Netzausbaumaßnahmen.
Zudem ermöglichen dezentrale Speicherlösungen eine bessere Anpassung an lokale Gegebenheiten und bieten eine höhere Resilienz gegenüber Störungen oder Ausfällen in einzelnen Netzabschnitten.
Ein vielversprechender Ansatz ist die Integration von Energiespeichern auf der Ebene von Wohnanlagen, Mehrfamilienhäusern bis hin zu Einfamilienhäusern. Durch den Einsatz von Heimspeichern können Haushalte den Eigenverbrauch ihres selbst erzeugten Stroms erhöhen und unabhängiger vom öffentlichen Netz werden. Allerdings sind auch hier Herausforderungen zu beachten:

Bidirektionales Laden von Elektrofahrzeugen: Elektroautos können theoretisch als mobile Speicher dienen, indem sie überschüssigen Strom aufnehmen und bei Bedarf wieder ins Hausnetz einspeisen. Dieses sogenannte bidirektionale Laden erfordert jedoch spezielle Ladeinfrastrukturen und kann den Verschleiß der Fahrzeugbatterie erhöhen, insbesondere wenn häufige Lade- und Entladezyklen auftreten. Zudem könnten einige Hersteller die Batteriegarantie einschränken oder aufheben, wenn das Fahrzeug regelmäßig Energie ins Netz zurück speist.

Stationäre Batteriespeicher im Haushalt: Viele Haushalte setzen auf Lithium-Ionen-Batteriespeicher, um überschüssigen Solarstrom zwischenzuspeichern und so den Eigenverbrauch zu maximieren. Allerdings haben diese Speicher eine begrenzte Lebensdauer von etwa
5 bis 15 Jahren – abhängig von Nutzung und Qualität. Nach dieser Zeit müssen sie ersetzt und fachgerecht entsorgt werden, was nicht nur hohe Kosten verursacht, sondern auch eine erhebliche Umweltbelastung darstellt. Hinzu kommt, dass die für diese Batterien benötigten Rohstoffe wie Lithium und Kobalt begrenzt sind und deren Förderung oft mit erheblichen ökologischen und sozialen Problemen einhergeht. Zudem bergen stationäre Batteriespeicher ein erhöhtes Brandrisiko, was langfristig zu steigenden Versicherungsprämien führen könnte, da Versicherungsgesellschaften dieses Risiko in ihre Bewertung aufnehmen.

Die Zukunft der Energiespeicherung:

Druckluft als nachhaltige Alternative

Um den Herausforderungen der begrenzten Ressourcen und der Umweltbelastung durch
bestehende Speichertechnologien zu begegnen, rücken aktuell alternative Energiespeicherformen in den Fokus. Eine besonders vielversprechende Methode ist die Nutzung von Druckluftspeichern.

Physikalisch betrachtet funktioniert die Druckluftspeicherung nach einem einfachen Prinzip:
Überschüssige Energie wird genutzt, um Luft in einem abgeschlossenen Raum, etwa unterirdischen Kavernen oder speziellen Druckbehältern, zu komprimieren. Diese gespeicherte Energie kann später durch Entspannung der Luft zurückgewonnen werden, indem sie durch Expander-Technik geleitet werden, die wiederum Strom erzeugen.

Druckluftspeicher haben besondere Vorteile: Sie benötigen keine seltenen Rohstoffe, haben eine sehr hohe Lebensdauer und können große Energiemengen speichern.
Im Gegensatz zu Batteriespeichern gibt es keine chemische Alterung, und die Entsorgung stellt kein Umweltproblem dar. Zudem können solche Speicher an sehr vielen Standorten implementiert werden, etwa in stillgelegten Bergwerken oder unterirdischen Hohlräumen, oder dafür angelegte Druckbehälterbatterien.

Diese Technologie könnte somit eine nachhaltige Lösung zur Stabilisierung der Stromnetze bieten und eine umweltfreundliche Ergänzung zu bestehenden Speichersystemen darstellen.

Ein besonders vielversprechendes Konzept ist die Speicherung von Druckluft in unterseeischen Halbkugeln. Dieses Verfahren basiert auf dem Prinzip, große, hohle Kugeln aus Beton auf den Meeresboden abzusenken. Durch den hohen Umgebungsdruck in der Tiefe kann eine erhebliche Menge an Energie in Form von komprimierter Luft gespeichert werden. Bei Bedarf wird die gespeicherte Energie durch Entspannung der Luft freigesetzt, die über eine Turbine geleitet wird, um Strom zu erzeugen. Dieses Konzept nutzt den natürlichen Druckunterschied zwischen dem Inneren der Kugel und dem umgebenden Meerwasser, um eine effiziente Energiespeicherung zu ermöglichen.
Siehe hierzu: https://www.atom.uni-frankfurt.de/publications/files/SchmidtBoecking2013PhysikInUnsererZeit.pdf?utm_source=chatgpt.com

Aktuelle Forschungsprojekte, wie das von Fraunhofer UMSICHT und BOGE KOMPRESSOREN entwickelte „KompEx LTA-CAES® modular“, zielen darauf ab, Druckluftenergiespeicher unabhängig vom Standort einzusetzen.

Durch den Einsatz mariner Pumpspeicher kann große Mengen elektrischer Energie offshore gespeichert werden, wobei das Meer selbst als oberstes Speicherreservoir dient. Fraunhofer-Allianz Siehe hierzu: https://www.energie.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder/energie-speicher/mechanische-energiespeicher.html?utm_source=chatgpt.com

Die Integration dieser innovativen Druckluftspeichertechnologien könnte somit eine nachhaltige Lösung zur Stabilisierung der Stromnetze darstellen und eine umweltfreundliche Ergänzung zu bestehenden Speichersystemen bieten.

Flügelscheiben-Expander als Zukunftstechnologie für effiziente Druckluftspeicheranlagen (CAES)

Die Flügelscheiben-Expander stellen eine zukunftsträchtige Technologie für die Druckspeicherung dar, da sie mit ihrer einzigartigen Architektur die Effizienz erheblich steigern. Die großen Flügel und das dadurch ermöglichte hohe Volumen sowie die ausgeklügelte Kraftübertragung erlauben es, bereits bei geringen Druckunterschieden effizient zu arbeiten und den isothermischen Wirkungsgrad näher an den isentropischen Wirkungsgrad heranzuführen.

Diese Technologie bietet erhebliche Vorteile für kleine und mittlere Energiespeicheranlagen und ist zugleich skalierbar, sodass sie sich für Anwendungen von Kilowattstunden bis hin zu Megawattstunden eignet. Die niedrige Drehzahl und die großen Flügel ermöglichen die Verarbeitung großer Volumina bei minimalen mechanischen und thermischen Verlusten. Diese Eigenschaften machen sie besonders geeignet für Druckspeicheranlagen in dezentralen Systemen, Wohngebäuden oder lokalen Netzwerken.

Durch die geringe Anforderung an Druckunterschiede können Flügelscheiben-Expander in verschiedenen Modularitätsoptionen kombiniert werden, was ihre Anpassung an unterschiedliche Leistungsbedürfnisse erleichtert. Ihre Skalierbarkeit ermöglicht interne Kaskadenschaltungen von Expandereinheiten in unterschiedlichen Konfigurationen (z. B. 4 in Reihe, 2 in Reihe und 2 parallel oder 4 parallel), wodurch nahezu alle denkbaren Leistungsbereiche abgedeckt werden können.

Ein herausragendes Merkmal ist ihre Eignung für die Integration in Windkraftanlagen. Durch die niedrige Drehzahl kann der Expander direkt auf der Hauptachse einer Windkraftanlage montiert werden, ohne verlustbehaftete Übersetzungen. Dies reduziert den Verschleiß und steigert den Gesamtwirkungsgrad, da überschüssige Windenergie effizient in Druckluft gespeichert werden kann.

Vorteile des Flügelscheiben-Expanders in CAES-Technologie

1. Integration in Windkraftanlagen
Direkte Kopplung mit der Hauptachse von Windkraftanlagen ohne verlustbehaftetes Getriebe.
Geringe Geräuschentwicklung durch geringe Drehzahl.

2. Geringe Drehzahl, hohe Effizienz
Minimierte mechanische Verluste und Verschleißerscheinungen.
Kein Bedarf an aufwendigen Getrieben oder Übersetzungen, wodurch Kosten und
Wartungsaufwand gesenkt werden.

3. Große Volumenströme bei niedrigen Druckdifferenzen
Effiziente Umwandlung großer Luftmengen mit minimalem Druckunterschied.
Annäherung an den isentropen Wirkungsgrad durch reduzierte Temperaturverluste.

4. Bidirektionale Funktion als Expander und Kompressor
Kann sowohl Energie aus Druckluft zurückgewinnen als auch als Kompressor zur
Druckluftspeicherung genutzt werden.
Besonders vorteilhaft für dynamische und effiziente CAES-Systeme.

5. Skalierbarkeit durch Kaskadenschaltung
Modulare Bauweise ermöglicht die Anpassung an unterschiedliche Leistungsbereiche.
Flexible Kaskadierung von Expandereinheiten zur optimalen Anpassung an Netzanforderungen.
Maximale Energieeffizienz durch den Einsatz von Temperaturausgleichszwischenspeicher.

6. Langlebigkeit und Wartungsfreundlichkeit
Weniger bewegliche Teile als Kolben- oder Schraubenexpander.
Robuste Bauweise für eine lange Lebensdauer und minimale Wartungsanforderungen.

Arbeitsweise und Vorteile des Flügelscheiben-Expanders:

Die Architektur des Flügelscheiben-Expanders bietet eine effiziente Lösung, indem sie eine
kompakte Bauform mit leistungsstarker Energieübertragung kombiniert. Mit vier großen Flügeln, die auf einer Steuerscheibe montiert sind, ermöglicht diese Konstruktion nicht nur eine geringe Baugröße, sondern auch eine effiziente Übertragung der Energie von der Expansion der Druckluft über die Flügel hin zu einem starken Drehmoment an der Abtriebswelle.

Während des Arbeitstaktes bilden zwei gegenüberliegende Flügel, die in fester Verbindung mit den beiden Steuerscheiben stehen, ein reziprokes Betriebsverhalten. In jedem Winkelschritt wechseln die Flügel dynamisch zwischen aktiver und passiver Rolle, was die Kraftübertragung vom Flügel auf die Abtriebswelle gewährleistet. Das sich ständig ändernde Übersetzungsverhältnis unterstützt diesen Prozess und trägt zu einer gleichmäßigen Kraftübertragung bei.

Bild 3 zeigt den Geschwindigkeitsverlauf der beiden Steuerscheiben (rot und grün), die mit einer Phasenverschiebung von 45° zueinander angeordnet sind. Beide Steuerscheiben drehen sich in die gleiche Richtung. Die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den beiden Steuerscheiben resultiert in einer neuen Relativgeschwindigkeit, die durch die lilafarbene Linie dargestellt wird. Diese Relativgeschwindigkeit in Kombination mit der Flächengröße der Flügel bildet ein großes Volumen, das den Expansions- oder Kompressionsprozess unterstützt.

Ein besonders wichtiger Vorteil dieser Konstruktion ist die Möglichkeit, bei niedrigen Geschwindigkeiten und großem Volumen gleichzeitig Drücke im unteren bis mittleren Bereich zu erzielen. Dies schafft bereits die Grundlage für annähernd isotherme Bedingungen. Durch die Kaskadierung der Expansionsstufen und den Einsatz von Temperaturausgleichszwischenspeichern wird die Wärmeübertragung aus der Umgebung aktiv unterstützt. Dieser Prozess führt zu einer weiteren Annäherung an eine nahezu isotherme Energieübertragung, da die große Kühlfläche der Zwischenspeicher während der Expansion der Druckluft kontinuierlich Wärme aus der Umgebung aufnehmen kann.

Berechnung des Druckverhältnisses bei kaskadierten Expandern:

Die Berechnung der Druckverhältnisse für kaskadierte Expander, die auf einer gemeinsamen Welle laufen und baugleich sind, erfolgt mit der allgemeinen Druckverhältnisformel. Diese Formel beschreibt das gleichmäßige Druckverhältnis zwischen den einzelnen Expansionsstufen und ermöglicht die Bestimmung der notwendigen Abstufungen über die Anzahl der Stufen n. Sie basiert auf der Annahme, dass jede Expansionsstufe einen identischen Druckabfall (bestimmt durch das Verhältnis α aufweist, und dass die Geometrie der Expanderstufen in allen Stufen gleich bleibt.
Die Formel zur Berechnung des Druckverhältnisses lautet:

Diese Formel gewährleistet, dass der Druckabfall in jeder Stufe gleichmäßig erfolgt, sodass jede Expansionsstufe einen gleichwertigen Anteil zur Gesamtentladung des Drucks beiträgt. Ein solches Verfahren ist besonders wichtig in Anwendungen, bei denen mehrere Expansionsstufen auf einer gemeinsamen Welle arbeiten, um eine gleichmäßige Lastverteilung und maximale Effizienz

Ergänzung zur CAES-Druckspeicher-Gesamtanlage:                    Zisternen-Batterien als effiziente und platzsparende Druckluftspeicherlösung

Die Integration von Zisternen-Batterien als Druckluftspeicher stellt eine äußerst wirtschaftliche, skalierbare und effiziente Lösung für die Energiespeicherung dar. Diese innovative Technologie nutzt unterirdisch verbaute Hochdruck-Kunststoffzisternen, die durch Stahlträger und spezielle Beschichtungen verstärkt sind. Die Einbettung der Zisternen in das Erdreich ermöglicht nicht nur ein hohes Volumen und eine außergewöhnliche Druckbeständigkeit, sondern bietet auch eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Hochdruckspeichern.

Bauweise und Einbindung in regenerative Energiequellen

Die Hochdruck-Kunststoffzisternen werden effizient in das Erdreich integriert. Ihre Seitenwände werden durch benachbarte Zisternen, das umgebende Erdreich und zusätzliche Stahlbetonwände stabilisiert, was eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegenüber den Druckkräften gewährleistet. Die Bodenflächen ruhen auf einer tragfähigen Betonplatte, die dafür sorgt, dass die Druckkräfte gleichmäßig aufgenommen und verteilt werden.

Da die Zisternen auf allen Seiten gleich hohen Druckkräften ausgesetzt sind, werden die Dachflächen zusätzlich durch eine schwere Deckenbetonplatte abgedeckt, die die strukturelle Integrität weiter erhöht. Um die Stabilität gegenüber den hohen Druckkräften zu maximieren, werden zwischen den Zisternen Zwischenstützen eingebaut, die eine direkte Verbindung zwischen der Boden- und Fundamentplatte herstellen. Diese Stützen übernehmen eine doppelte Funktion: Sie stabilisieren die Deckenbetonplatte, indem sie deren Lasten aufnehmen, während sie gleichzeitig dem Innendruck der Zisternen entgegenwirken.

Ein weiterer Vorteil dieser Bauweise ist die optimale Nutzung der Deckenbetonplatte. Wartungsöffnungen ermöglichen einen Zugang zu den einzelnen Zisternen, sodass Reparaturen oder Wartungsmaßnahmen schnell durchgeführt werden können. Zudem bietet die große verfügbare Oberfläche eine ideale Fläche für die Installation leistungsstarker Photovoltaikanlagen (PV) und Windräder. Diese erneuerbaren Energieanlagen können direkt in die CAES-Druckspeicher-Gesamtanlage integriert werden, was eine effiziente Kopplung von Wind- und Solarenergie ermöglicht.

Die durch diese Anlagen (Wind und Sonne) gewonnene Energie kann entweder direkt genutzt oder in den Druckluftspeichern gespeichert und bei Bedarf wieder abgerufen werden. Darüber hinaus bietet diese Druckluftspeicherlösung einen signifikanten Vorteil gegenüber traditionellen Batteriespeichern: Sie ist nicht nur über einen sehr langen Zeitraum von 30 Jahren oder mehr ohne nennenswerte Leistungs- oder Kapazitätsverluste nutzbar, wie es bei herkömmlichen Batterien häufig der Fall ist, sondern sie benötigt auch keine regelmäßigen und teuren Wartungs- oder Austauschzyklen.

Zusätzliche Vorteile der Zisternen-Batterien

Die Zisternen-Batterien können topografisch nahezu überall im Erdreich implementiert werden, ohne dass sie sichtbar oder störend wirken. Ihre unterirdische Installation macht sie besonders attraktiv für Gebiete, in denen der Platz begrenzt ist oder in denen die oberirdische Nutzung der Fläche maximiert werden soll. Zudem kann die Oberfläche dieser Anlagen nach der Installation wieder für andere Nutzungen verwendet werden, z.B. für Parkplatz- oder Gartenflächen.
Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist ihre Flexibilität im Hinblick auf zukünftige Energiepolitiken und Energietechnologien.

Die Druckluftspeicher können als bidirektionale Speicher fungieren, was bedeutet, dass sie nicht nur überschüssige Energie speichern, sondern auch in der Lage sind, Strom zuzukaufen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder ins Netz zurückzugeben. Dies macht sie zu einem wertvollen Bestandteil von Smart Grids und ermöglicht eine effiziente Nutzung von Schwankungen im Strommarkt.

Kombinierte Speicher-, Wind- und Solarkraftanlage

Im Windrad integriert, arbeiten ein Flügelscheiben-Expander und ein Generator/Motor zusammen, um die erzeugte Energie gezielt in den unterirdischen Druckluftspeichern zu speichern und bedarfsgerecht bereitzustellen. Dank einer intelligenten Steuerung kann das System flexibel auf verschiedene Energiequellen zugreifen:

- Solarstrom wird entweder direkt genutzt oder über den Motor/Generator mit dem  Flügelscheiben-Expander in Druckluft umgewandelt.
- Windkraft kann unmittelbar ins Netz eingespeist oder ebenfalls zur Speicherung genutzt werden.
- Bei Wind- und Sonnenflaute wird die gespeicherte Druckluft über den Expander in elektrische Energie rückverwandelt.

Ein automatisiertes Schaltsystem optimiert die Energienutzung, indem es je nach Verfügbarkeit und Bedarf zwischen den Energiequellen und Speichermechanismen umschaltet. Ergänzt durch ein Umschaltgetriebe im Windrad, passt sich die Anlage dynamisch an wechselnde Bedingungen an, um maximale Effizienz zu gewährleisten.

Durch die modulare Bauweise der Zisternenspeicher bleibt das System jederzeit erweiterbar. Zusätzliche Zisternen lassen sich durch Reihenschaltungen oder Parallelschaltungen integrieren, sodass die Speicherkapazität flexibel skaliert und kostengünstig an wachsende Anforderungen angepasst werden kann. Diese Flexibilität macht das Konzept zukunftssicher und ideal für eine nachhaltige, dezentrale Energieversorgung.

Technische Vorteile dieser Wind- und Solarkraftanlage mit Zisternenspeicher

1. Hohe Druckbeständigkeit durch Erdreichverstärkung
Das umgebende Erdreich und die Fundamentplatte fungieren als natürliche Stützkonstruktion, wodurch die Druckbelastung gleichmäßig abgefangen wird. Diese Unterstützung sorgt dafür, dass die Materialbelastung über die gesamte Struktur verteilt wird, was die Notwendigkeit für zusätzliche Verstärkungen reduziert und die Stabilität des Systems erhöht.

2. Geringe Materialkosten und einfache Installation
Kunststoffzisternen, verstärkt mit Stahlträgern, können kostengünstiger hergestellt werden als massive Hochdruckbehälter aus Stahl. Durch größere Fertigungsvolumen können sowohl die Produktionskosten als auch die Logistikkosten weiter gesenkt werden. Der Einsatz von recyceltem Kunststoff unterstützt zudem den Umweltgedanken und verringert den CO2-Fußabdruck der gesamten Anlage.

3. Effiziente thermische Integration
Die unterirdische Einbettung der Zisternen sorgt für einen natürlichen Temperaturausgleich. Dieser Vorgang minimiert Wärmeverluste und fördert nahezu isotherme Speicherbedingungen.

4. Skalierbarkeit und Modularität
Die Zisternenbatterie ist ein flexibles Baukastensystem, das es ermöglicht, die Speicherkapazität je nach Bedarf zu erweitern oder an spezifische Standortbedingungen anzupassen. Die Parallelschaltung mehrerer Zisternen ermöglicht eine präzise Steuerung des Druckausgleichs und verbessert die Anpassungsfähigkeit an variable Lastanforderungen. Dies sorgt für eine hohe Betriebsflexibilität und ermöglicht es, das System an zukünftige
Anforderungen zu skalieren.

5. Hohe Effizienz durch Kombination
Die Anlage passt sich intelligent an Wetter und Energiebedarf an: Solar- und Windenergie können direkt genutzt oder als Druckluft gespeichert werden. Bei fehlendem Wind und Sonne wird die gespeicherte Energie in Strom umgewandelt. Eine automatisierte Steuerung und ein Umschaltgetriebe optimieren die
Nutzung für maximale Effizienz.

Beitrag zur Klimaneutralität

Nachhaltige Energiezukunft durch Druckluft-Zisternen-Technologie in
Verbindung mit Flügelscheiben-Expander

Eine klimaneutrale Zukunft erfordert effiziente Speichertechnologien, und die Druckluft-Zisternen im Kombination mit effizienten Flügelscheiben-Expander können dabei eine zentrale Rolle spielen. Diese Technik ermöglicht die Nutzung erneuerbarer Energiequellen, ohne selbst CO2-Emissionen zu verursachen, und tragen so maßgeblich zur Reduktion fossiler Energieträger bei.

CO2-freie Energiespeicherung für eine nachhaltige Welt:

Die Druckluftspeicherung ist ein vollständig emissionsfreier Prozess, da sie erneuerbare Energien nutzt und weder Verbrennungsprozesse noch chemische Reaktionen erfordert.

In abgelegenen Gebieten und Insellösungen ersetzt sie Dieselgeneratoren, wodurch der
CO2-Ausstoß erheblich gesenkt und die Energieunabhängigkeit gestärkt wird.

Durch die Entlastung des Stromnetzes und die Reduktion teurer Spitzenlasten verringert diese Technologie den Bedarf an fossilen Backup-Systemen.

Einfache Produktion und weltweite Umsetzbarkeit:

Im Gegensatz zu vielen Hightech-Speicherlösungen benötigt die Druckluft-Zisternen-Technologie in Verbindung mit Flügelscheiben-Expander weder hochspezialisierte Fachkräfte noch seltene Materialien.

Die benötigten Baustoffe sind überall auf der Welt verfügbar und können sogar aus recycelten Materialien hergestellt werden.

Die einfache Bauweise ermöglicht es, diese Speichertechnologie in nahezu jedem Land
kostengünstig und mit lokal verfügbaren Ressourcen zu realisieren.

Zukunftsfähig, modular und langlebig:

Die Zisternen lassen sich flexibel an verschiedene Anwendungen anpassen, sei es für einzelne Haushalte, Unternehmen oder ganze Regionen.

Ihre modulare Bauweise erlaubt eine schrittweise Skalierung, wodurch sie mit wachsenden Anforderungen problemlos erweitert werden können.

Mit einer Lebensdauer von über 30 Jahren bietet das System eine nachhaltige, langlebige Lösung für die Energiewende.

Diese robuste, weltweit einsetzbare Technologie stellt somit einen entscheidenden Baustein für eine klimaneutrale Energieversorgung dar – einfach, effizient und für alle zugänglich.

Die Animation in Bild 12 zeigt  den Arbeitsablauf eines in Reihe geschalteten kaskadierten Flügelscheiben-Expanders.