Der Lageenergiespeicher                             Ein Konzept zur kostengünstigen Speicherung                           ...
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Wind- und Solarenergie                                                                             Die Leistung von Wind- ...
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Trend• Globaler Umstieg auf Photovoltaik beginnt!• Finanzkrise beschleunigt, da sichere Rendite in der  Solarstromprodukti...
Der Lageenergiespeicher: Das Grundprinzip          Stromnetz                                                              ...
Die Speicherkapazität                                  r                                                                  ...
Bau eines Lageenergiespeicher                                                    Bohrtürme                           Baust...
Abtrennung Bodenplatte   Bergmännische Ausräumung                            Abdichtung      Basis-              Abraum   ...
Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht                     Basistunnel                                                          ...
Abtrennung Bodenplatte     Abgetrennte Bodenfläche                            Abdichtung      Basis-                      ...
Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen                                    traction                  Bohrlöcher        ...
Aussenschacht                                                            Versorgungs-Aufgrund der                         ...
Schachtform                                                            Versorgungs-  Aufgrund des                         ...
Abdichtung Seitenwände                                                            Versorgungs-                            ...
Heindl 2011                                                                                 19      Prof. Dr. Eduard Heind...
Das Dichtungsystem                                                                                   Ausschnitt           ...
Zylinder PositionierungVier-Quadranten-Kontrolle                                                                          ...
Beispiele für Größen und Kosten (Darstellung maßstäblich)                                                                 ...
Technische Daten Radius [m]                           62,5                   125                    250                500...
Felswände                    300m                                                               1000m                     ...
Leistungsdaten Radius [m]                                62,5            125          250               500Energie [GWh]  ...
Wasser - GeneratorRadius [m]                                                 62,5            125                  250     ...
Preisbildung                                                                 Preis [€/MWh]                                ...
Wirkungsgrad von Speichern                                                                                   Power to     ...
Wirtschaftlichkeit: Mögliche EinnahmenRadius [m]                                 62,5                 125             250 ...
Wirtschaftlichkeit: Systemkosten*Beispiel: 500m Radius, Nettokapazität: 1600GWh                                           ...
Wirtschaftliche Betrachtung   Investitionen   Radius [m]                                             62,5              125...
Hybrider Lageenergiespeicher        Lageenergie                             Stromnetz                       Gasnetz       ...
Zusammenfassung der Vorteile       Speicherkapazität jenseits von 1000 GWh denkbar       Effizienz: 80-85% bekannter Wer...
Vielen Dank für Ihr Interesse!                                                 Fragen?                            www.Lage...
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Lageenergiespeicher 12-12-2012 d

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Aktueller Stand der Entwicklung des Lageenergiespeichers.
Siehe auch www.lageenergiespeicher.de

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Lageenergiespeicher 12-12-2012 d

  1. 1. Der Lageenergiespeicher Ein Konzept zur kostengünstigen Speicherung großer Mengen elektrischer EnergieProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  2. 2. Professor Dr. Eduard Heindl Diplom Physiker und Diplom Ingenieur Erfinder des Lageenergiespeichers *1961 Mühldorf/Inn Unternehmer Heindl Internet AG Heindl Server GmbH A3M AG geplant Heindl Energy GmbH Hochschullehrer Hochschule Furtwangen LB Hochschule Geislingen Kontakt Hochschule Furtwangen Robert-Gerwig-Platz 1 D-78120 Furtwangen Germany eduard@heindl.deProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  3. 3. Globale Entwicklung der Photovoltaik Das weltweite Wachstum liegt bei 70% pro Jahr, wobei sogar die Wachstumsrate selbst ansteigt. Ursache: Massiver Preisverfall bei PV Modulen von 5.000€/kW auf 500€/kW in fünf Jahren.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  4. 4. Tagesgang: Stromverbrauch und Erzeugung 280GW Pumpspeicher- kapazität in Deutschland: „Kostenlose Energie“, 40GWh da variable Kosten = 0 Verbrauch 60GW Energiemangel Energiemangel Grundlast: Kohle, Kernenergie Tagesstromproduktion: 1600GWh Solarenergie, Das weltweite Wachstum liegt bei 70% pro Jahr, wobei sogar die Wachstumsrate selbst ansteigt. Wind Ursache: Massiver Preisverfall bei PV Modulen von 5.000€/kW auf 500€/kW in fünf Jahren. 0:00 Uhr 12:00 24:00 Uhr Zeit 4Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  5. 5. Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind Sonstige Wind Solar Unterdeckung 100TWh Überschuss 150 TWh speichernProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  6. 6. Wind- und Solarenergie Die Leistung von Wind- und SolarenergieWind schwanken Winter Frühling Sommer Herbst Speicher für mindestens siebenSonne Tage* erforderlich! 147kWh/Person Aufgrund der metrologisch und astronomisch bedingten Schwankungen von Wind und Sonne sind für eine Versorgung aus EE aufgrund von Großwetterlagen Speicher von enormer Kapazität nötig. *Lueder von Bremen, EWEC 2009 Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  7. 7. Entwicklung installierter Wind- und Solarkraft in Deutschland; Zeitschiene für Speicherbedarf Bei einer Fortschreibung des 15% Wachstums der Wind- und Solarenergiekapazität werden im Zeitfenster 2015 – 2025 Investitionen in Speicher notwendig, damit eine sichere Versorgung gewährleistet ist.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  8. 8. Trend• Globaler Umstieg auf Photovoltaik beginnt!• Finanzkrise beschleunigt, da sichere Rendite in der Solarstromproduktion• Folgerung: Strom-Speicherbedarf für globale Energieproduktion wächst überproportional• Energiespeicher sind DER Zukunftsmarkt!Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  9. 9. Der Lageenergiespeicher: Das Grundprinzip Stromnetz r E~r4 2r Verbindung Pumpe hmax=r Wasservolumen und Turbine Wasser wird unter eine Felsmasse gepumpt (Bei niedrigen Strompreisen). Die hydraulischen Kräfte heben die Felsmasse. Bei hohem Strompreis wird das Wasser abgeleitet und der Stromerzeugung mit Turbine + Generator zugeführt.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  10. 10. Die Speicherkapazität r Masse ~ r³ Maximale Höhe ~ r l=2r Speicherkapazität: h=r E = 2 π g ρ * r4 Die Masse des Zylinders wächst mit der dritten Potenz des Radius, wenn seine Höhe gleich dem Durchmesser ist. Die Speicherkapazität wächst aber mit der vierten Potenz, da große Zylinder höher gehoben werden können. Da die Baukosten nur von der Oberfläche (~r²) abhängen, fallen die Kosten pro Kilowattstunde Speicherkapazität mit 1/r²Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  11. 11. Bau eines Lageenergiespeicher Bohrtürme Baustellen- straße Bohrlöcher 1. Tunnel Schacht Basistunnel/ Wassereinlass Das Freilegen der Gesteinsmasse erfolgt mit konventionellen Methoden des Bergbaus. Ein Tunnelsystem gewährt den Zugang zu den einzelnen Bauabschnitten.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  12. 12. Abtrennung Bodenplatte Bergmännische Ausräumung Abdichtung Basis- Abraum Schräm- 2. Tunnel tunnel verstopfen maschine Abdichtung Seitenansicht Die Bodenplatte wird, ähnlich wie im Steinkohlebergbau, mit einer Schrämmaschine abgetrennt. Der Abraum verbleibt aber im wesentlich unter Tage zum Abstützen der Zylindermasse.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  13. 13. Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht Basistunnel Geschnittener Ausgebrochenes Fels Material Ursprünglicher Fels Schram- Ma- schine Aufsicht 2. TunnelProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  14. 14. Abtrennung Bodenplatte Abgetrennte Bodenfläche Abdichtung Basis- Aufgebrochenes 2. Tunnel tunnel Material Abdichtung Seitenansicht Die Bodenplatte wird, ähnlich wie im Steinkohlebergbau, mit einer Schrämmaschine abgetrennt. Der Abraum verbleibt aber im wesentlich unter Tage zum Abstützen der Zylindermasse.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  15. 15. Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen traction Bohrlöcher FelsGeschnitteneFläche r Diamant Seilsäge 1. Tunnel SeitenansichtProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  16. 16. Aussenschacht Versorgungs-Aufgrund der tunnelFelsmechanik wird derAußenschachtV-Förmig geschnitten Seilsägen Fels Zylinder Felsen Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht 16Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  17. 17. Schachtform Versorgungs- Aufgrund des tunnel Bergdrucks wird sich der Zylinder nach der Entlastung ausdehnen Graben Fels Zylinder Bergdruck Bergdruck Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht 17Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  18. 18. Abdichtung Seitenwände Versorgungs- tunnel Die Oberflächen des Gesteins werden mit wasserdichter Geomembran-Folie überzogen Abdichtung Fels Zylinder Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht 18Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  19. 19. Heindl 2011 19 Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  20. 20. Das Dichtungsystem Ausschnitt Felssicherung Dichtung Dichtungsring Metall schwimmender Felszylinder Abdichtung, um den Fels trocken zu Wasser im halten Zylinder-Hohlraum Das gesamte System ist gegenüber der Umwelt durch Geomembranen abgedichtet. Der Zylinder trägt einen Dichtungsring, der flexibel auf Unebenheiten reagiertProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  21. 21. Zylinder PositionierungVier-Quadranten-Kontrolle Niederdruck- dichtung 1 bar Hochdruck_ dichtung Pumpe Niederdruck- dichtung x Zylinder x Niederdruck- dichtungProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  22. 22. Beispiele für Größen und Kosten (Darstellung maßstäblich) Deutschland Bayern 120GWh 1600GWh 4€/kWh 4€/kWh 1€/kWh 1€/kWh Nürnberg 8GWh 20€/kWh 20€/kWh Starnberg 0,5 100€/kWh 100€/kWh Die Montage stellt die notwendige Größe dar, um den jeweiligen Strombedarf für einen Tag vollständig abzuspeichern. Die Kosten für eine Kilowattstunde Speicherkapazität sinken dramatisch durch Vergrößern des Systems.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  23. 23. Technische Daten Radius [m] 62,5 125 250 500Durchmesser, Höhe [m] 125 250 500 1.000Volumen Fels [m³] 1.534.000 12.272.000 98.175.000 785.398.000Masse Fels [t] 3.988.000 31.907.000 255.254.000* 2.042.040.000Druck p [Bar] 26 52 103 206Druck oben [Bar] 20 39 78 157Energie (Brutto) **[GWh] 0,5 8 124 1.980 r Abhängigkeit vom Radius: • Druck wächst linear p m=ρV • Masse wächst in der 3. Potenz • Energie wächst in der 4. Potenz* Entspricht etwa der Ladekapazität aller Kontainerschiffe weltweit** Entspricht etwa Tagesproduktion der deutschen Energiewirtschaft 23 Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  24. 24. Felswände 300m 1000m 80mRisin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck) Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia) 24
  25. 25. Leistungsdaten Radius [m] 62,5 125 250 500Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980Wasservolumen [m³] 767.000 6.136.000 49.087.000 392.699.000*Energiedichte [kWh/m³] 0,63 1,26 2,52 5,048 StundenLeistungsentnahme[MW] 60 967** 15.466 247.462 r Abhängigkeit vom Radius: • Energiedichte im Wasser wächst linear • theoretische Leistungsabnahme wächst mit der 4. Potenz V* Entspricht einer Absenkung des Bodensee um einen Meter 25** Typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland
  26. 26. Wasser - GeneratorRadius [m] 62,5 125 250 500Energie (Brutto) [GWh] 0,5 8 124 1.980Wasserablauf 8h [m³/s] 27 213 1.704 13.635Wasserablauf 168h [m³/s](Woche) 1,3 10,1 81 649Wasserablauf 720h [m³/s] (Monat) 0,3 2,4 19 152Turbine/Pumpe 8h [MW] 60 967 15.466 247.462Turbine/Pumpe 168h [MW](Woche) 3 46 736 11.784Turbine/Pumpe 720h [MW] (Monat) 1 11 172 2.750 rAnmerkung:• Leistung wird auf längere Zeiträume verteilt• Wasserablauf und Wasserzulauf gegebenenfalls über Speichersee gedämpft V GProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  27. 27. Preisbildung Preis [€/MWh] Oberes Niveau 125 Grenze: Gasturbine Marge Speicher Zone konventioneller Flexibilität Unteres Niveau 25 Grenze: Elektroheizung Bei hohem Anteil von Wind- und Solarenergie beginnt sich ein Zweiniveausystem im Preis auszubilden. Bei Überschussproduktion werden thermische Verbraucher das untere Niveau bestimmen. Bei Mangel werden Gasturbinen das obere Niveau stabilisieren.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  28. 28. Wirkungsgrad von Speichern Power to Gas Druckluft Speicher Pump- speicher Batterien Der Wirkungsgrad bestimmt den minimalen Verkaufspreis, ab dem ein Speicher im Markt auftreten kann! Annahmen: Keine Abschreibung o.ä. Kosten, Einkaufspreis 30€/MWh, keinerlei Netzabgaben, etc.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  29. 29. Wirtschaftlichkeit: Mögliche EinnahmenRadius [m] 62,5 125 250 500Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980Wert einer Speicherladungbei 100€/MWh [T€] 48 773 12.400 198.000Einnahmen bei 100Speicherzyklen à100€/MWh [Mio.€] 5 77 1.237 19.79720 Jahre 25 Zyklen[Mio.€] 24 386 6.187 98.98520 Jahre 300 Zyklen[Mio.€] 290 4.640 74.239 1.187.817 Zur Berechnung der Wirtschaftlichkeit ist es interessant, den Wert einer Speicherladung zu betrachten. Dieser liegt selbst beim kleinstem System bei 48-tausend Euro. Die Einnahmen entstehen mit jedem Zyklus. Sehr große Systeme können allerdings aus hydrologischen Gründen nur wenige Zyklen pro Jahr fahren. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  30. 30. Wirtschaftlichkeit: Systemkosten*Beispiel: 500m Radius, Nettokapazität: 1600GWh Preis/Gewerk Einheit PreisTunnel 10.000 €/m 73 Mio. €Bohren 500 €/m 157 Mio. €Sägen 10 €/m² 63 Mio. €Abraum 20 €/m³ 126 Mio. €Bodenplatte abtrennen 1.000 €/m² 785 Mio. €Dichtfläche (Edelstahl) 200 €/m² 157 Mio. €Abdichtung 100 €/m² 393 Mio. €Dichtungsring 10.000 €/m 31 Mio. €Summe 1.785 Mio. € *Alle Angaben ohne Turbinen und InfrastrukturProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  31. 31. Wirtschaftliche Betrachtung Investitionen Radius [m] 62,5 125 250 500 Kapazität [GWh] 0.5 8 125 2000 Investitionskosten* [Mio.€] 39 131 472 1,785 Zyklen pro Jahr 300 300 25 6 Mögliche Einnahmen [Mio.€] 290 4.640 6.187 19.797 Investment per kWh* [€] 81 17 4 0,90 Annahme: Preismarge 100 €/MWh *Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur (Speicherkapazität)Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  32. 32. Hybrider Lageenergiespeicher Lageenergie Stromnetz Gasnetz Speicher Kupplung Kupplung Pelton Generator Gasturbine Turbine Die Kombination eines Speichers mit Pelton-Turbine und einer Gasturbine an einem Generator ermöglicht die 100% Verfügbarkeit in einem Kapazitätsmarkt, unabhängig vom SpeicherstandProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  33. 33. Zusammenfassung der Vorteile  Speicherkapazität jenseits von 1000 GWh denkbar  Effizienz: 80-85% bekannter Wert aus PSW  Preis fällt mit 1/r² (<1€/kWh möglich)  Geringer Flächenbedarf (bis zu 2 MWh/m²)  bekannte Technologien  Kein Resourcenproblem  Kein Gebirge nötig  Einfache Entsorgung  Weniger Wasserbedarf als PSW (~1/4)  Schwarzstartfähig  Rotierende Massen (Momentanreserve)Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  34. 34. Vielen Dank für Ihr Interesse! Fragen? www.Lageenergiespeicher.deProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

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