Zukünftige Möglichkeiten zur Energiespeicherung in der Nähe des Stadtzentrums von Kapstadt

Erst kürzlich haben Beamte der Stadt Kapstadt ihr Interesse bekundet, erneut ein Kraftwerk zu betreiben

Mit dem Bau eines kohlebefeuerten, dampfbetriebenen Kraftwerks in der Nähe der Werft Victoria und Alfred kam um 1900 elektrische Energie nach Kapstadt. Der Standort bot zwei Vorteile: Das Kraftwerk lag in der Nähe der Entladestelle der Kohleschiffe, die von Durban aus fahren konnten. Der zweite Vorteil bestand darin, dass die unmittelbare Nähe zum Meer eine Meerwasserkühlung der Abdampfkondensatoren ermöglichte. Mehrere Jahre lang besaß die Stadt Kapstadt das Kraftwerk, das 1965 geschlossen wurde und den Betrieb elektrischer Trolleybusse in der Stadt einstellte.

Tafelberg-Pumpspeicher:

Erst kürzlich haben Beamte der Stadt Kapstadt ihr Interesse bekundet, erneut ein Kraftwerk zu betreiben. Derzeit bietet die Topographie von Kapstadt die Möglichkeit, eine Pumpspeicherung für hydraulische Energie unter Nutzung bestehender Stauseen auf und an der Seite des Tafelbergs einzuführen. Der Molteno-Stausee ist Kapstadts ältester Staudamm, während die Staudämme Hely Hutchison und Woodhead zu einem späteren Zeitpunkt in größerer Höhe gebaut wurden. Der Höhenunterschied zwischen dem Molteno-Reservoir und Hely Hutchison ermöglicht die Speicherung von hydraulischer Pumpenergie.

Derzeit betreibt Eskom südöstlich von Kapstadt in der Nähe von Grabouw die 400-MW-Pumpspeicheranlage Palmiet, bei der der Steenbras-Staudamm als oberes Reservoir und ein unteres Reservoir etwa 60 m unter der Erdoberfläche genutzt werden, in dem Pumpturbinen installiert sind. Während die Installation von hydraulischen Pumpspeichern über eine Pipeline zwischen den Stauseen Molteno und Hely Hutchison nur einen kleinen Teil der Produktion von Palmiet liefern würde, könnte diese Speicherkapazität der Stadt Kapstadt einen gewissen Nutzen bringen. Während der Nachtstunden kann es mit kostengünstigem Strom aufgeladen werden.

Untergetauchte Offshore-Energiespeicher an der Küste:

Die Stadt Toronto1 in Kanada liegt am Nordufer des Ontariosees, wo im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts zwischen dem städtischen Energieversorger Toronto Hydro und einem Energiespeicherentwickler namens „Hydrostor“2 eine Unterwasser-Druckluft-Energiespeichertechnologie installiert wurde. Kapstadt ist wie Toronto eine Küstenstadt mit Potenzial für die Nutzung der Unterwasser-Druckluft-Energiespeichertechnologie. Während Toronto von flachem Gelände umgeben ist, bieten die Berge Kapstadts eine Möglichkeit, das Druckluftspeichersystem zu verbessern. Während der Nachtstunden wird Druckluft in Unterwasser-„Ballons“ gepumpt, die am Seegrund befestigt sind.

Während der Spitzenzeiten gelangt mit Erdgas vermischte Druckluft in Brennkammern, die Gasturbinen aktivieren, die elektrische Generatoren antreiben. Toronto hat Zugang zu einer Erdgaslieferpipeline, während Kapstadt keinen solchen Zugang hat. Es kann noch viele Jahre dauern, bis eine transafrikanische Erdgaspipeline gebaut wird, um Erdgas aus unterirdischen Quellen vor der Küste Tansanias und Mosambiks zu transportieren. Kapstadt wird auf Schiffe angewiesen sein, die LNG (Flüssigerdgas) liefern und schwimmende Speicher nutzen. Kapstadt könnte die Unterwasser-Druckluft-Energiespeicherung mithilfe aufblasbarer Hochdruck-„Ballons“ modifizieren und den Bedarf an Erdgas eliminieren.

Option zur Druckluftspeicherung in Kapstadt:

Ein alternatives Konzept besteht darin, die untergetauchten „Ballons“ mit oberirdischen Hochdruckwassertanks zu verbinden, die einen Hochdruckwasserstrom durch hydraulische Turbinen speisen. In Kapstadt könnte es möglich sein, eine geeignete Höhle in den Küstenbergen auszuheben oder eine geeignete Höhle zu vergrößern und Dichtungsmittel aufzutragen, damit sie sowohl Hochdruckluft als auch Hochdruckwasser aufnehmen kann. Unterwasser-„Ballons“ werden Druckluft speichern, die über Hochdruckrohre mit einer Höhle verbunden wird, deren Dach und Wände mit Dichtmittel versehen werden. In der Höhle wird Wasser oder sogar Meerwasser gespeichert.

Bei Verwendung von Trinkwasser wäre eine zweite Kaverne gleicher Größe und in geringerer Höhe erforderlich. Während des Betriebs würde das Wasser in der Höhle mit undurchlässigen Wänden und Decken mit Druckluft beaufschlagt. Druckluft würde einen Wasserstrahl durch hydraulische Turbinen treiben, die elektrische Generatoren antreiben würden. Während des Wiederaufladens würden die hydraulischen Turbinen als Pumpen fungieren und unter Druck stehendes Wasser in die obere Höhle drücken, wodurch Druckluft in die untergetauchten „Ballon“ gedrückt würde. Ein Luftkompressor könnte die abschließende Nachfüllaufgabe des Kompressors übernehmen, um den maximal verfügbaren Luftdruck sicherzustellen.

Höhlenanforderungen:

Eine Kaverne, deren Wände, Dach und Boden mit Dichtungsmasse versehen sind, müsste einem erheblichen Innendruck standhalten, der durch die Verbindung mit mit Druckluft gefüllten Unterwasser-„Ballons“ entsteht. Bei Meerwasser würde eine vertikale Höhe von 500 Metern einem Druck von über 5000 kPa entsprechen. Das Gewicht der Erde über der Kaverne und die „Reibung“ der Erde an den Seiten der Kaverne müssten ausreichen, um einen „Blowout“ zu verhindern. Etwa 160 km westlich von Kapstadt fällt der Meeresboden auf unter 2.000 Meter ab, was einen Spitzendruck von etwa 20.000 kPa ermöglicht.

Bei einer Höhle, die tief unter dem Tafelberg, möglicherweise unterhalb des Meeresspiegels, ausgegraben wurde, müsste eine Versiegelung auf die Oberfläche aufgetragen werden, um sie undurchlässig zu machen und so das Eindringen von Meerwasser und mögliche „Rohrleitungen“ durch schwache Bereiche zu verhindern. Eine Hochdruckleitung würde die Unterwasser-„Ballons“ mit der Höhle verbinden. Siemens bietet hydraulische Pumpturbinen an, die über einer vertikalen Höhe oder „Fallhöhe“ von 600 Metern (6.000 kPa) betrieben werden können, was bedeutet, dass die Unterwasser-„Ballons“ näher an Kapstadt platziert werden müssten. Eine ausreichend große Anzahl an Kavernen könnte eine Speicherkapazität von 1.000 MW bieten, die in Spitzenlastzeiten zur Verfügung stehen könnte.

Umweltfaktoren:

Die Kaphalbinsel im Raum Kapstadt verfügt über eine geologische Grundlage aus porösem oder durchlässigem Gestein. In der gesamten Cape Flats-Region dient dieser poröse, durchlässige Untergrund als Grundwasserleiter mit Trinkwasserspeicherfähigkeit. Die Geologie des Tafelbergs umfasst eine durchlässige, poröse Untergrundstruktur, die als Grundwasserleiter fungiert, der große Mengen Trinkwasser speichert. Jede Höhle unter dem Tafelberg, die für die Speicherung von Hochdruck-Meerwasser erweitert oder speziell für die Speicherung von Hochdruck-Meerwasser ausgegraben wird, würde erfordern, dass ein langlebiges und robustes Dichtmittel auf die Innenfläche der Höhle aufgetragen wird, um Leckagen zu verhindern Versickerung.

Das Dichtmittel erfüllt den doppelten Zweck, Luftdruck- und Wasserlecks zu verhindern. Die jüngste Dürre in Kapstadt hat den Wasserstand einiger Staudämme in Kapstadt stark auf fast 20 % der Kapazität gesenkt. Angesichts der Tatsache, dass zukünftige Dürreperioden unvorhersehbar sind, könnte ein Energiespeichersystem, das Druckluft über Meerwasser nutzt, den kontinuierlichen Betrieb eines solchen Systems in zukünftigen Dürreperioden sicherstellen. Umweltschützer aus der Region Kapstadt würden sich natürlich wünschen, zu jedem Vorschlag beigetragen zu werden, der eine zukünftige Energiespeicherung für die Region vorsieht, bei der Meerwasser unter hohem Druck gespeichert wird.

Schlussfolgerungen:

Die Region Kapstadt bietet großes Potenzial für die Nutzung verschiedener erneuerbarer Energieformen zur Stromerzeugung. Technologien wie Windkraft, die Umwandlung von Meereswellenenergie und die Umwandlung von Meeresströmungsenergie (mithilfe von Unterwasserturbinen) können oft in Zeiten sehr geringer Marktnachfrage Strom erzeugen. Kernkraftwerke (Wärme-Dampf-Kraftwerke) arbeiten optimal, wenn alle thermischen Komponenten auf konstanter Temperatur und konstantem Druck gehalten werden. Die Energiespeicherung ist daher mit diesen Energieerzeugungstechnologien kompatibel. Im Raum Kapstadt besteht Potenzial für eine kleine Pumpspeicheranlage mit mehreren hundert Kilowatt sowie für ein Multi-Gigawatt-Energiespeicherkonzept.

Es besteht Bedarf an weiterer Forschung und weiterer Bewertung zukünftiger Energieerzeugungs- und Energiespeichertechnologien für die Region Kapstadt. Die Realisierbarkeit und Machbarkeit einer umfangreichen Reihe von Unterwasser-„Ballonen“, die Druckluft unter hohem Druck speichern und über eine Unterwasser-Hochdruckpipeline mit Kapstadt verbunden sind, bedarf einer weiteren Bewertung. Die Wartung, Inspektion und Reparatur von Tiefsee-Druckluft-Energiespeichern würde den Einsatz ferngesteuerter Maschinen und Fernüberwachungstechnologie erfordern. Die Entwicklung neuer Technologien im Zusammenhang mit Meeresbohrungen könnte in einer Offshore-Unterwasser-Druckluftspeicheranlage in der Nähe von Kapstadt Anwendung finden.

Über den Autor:

Harry Valentine wurde in Kapstadt geboren und besuchte Grund- und weiterführende Schulen im Bezirk 6 von Kapstadt. Seinen Abschluss als Ingenieur erlangte er im Ausland an der Carleton University.