Der Lageenergiespeicher                        Lösung des Stromspeicher-Problems?                                         ...
Der Lageenergiespeicher:    Lösung des Stromspeicher-Problems?Prof. Dr. rer. nat. Eduard          Heindl Hochschule Furtwa...
Heindl 2012                     Fragen     • Grundprinzip des hydraulischen       Lageenergiespeichers     • Bau eines Lag...
Heindl 2012          Grundprinzip des Lageenergiespeichers                Stromnetz                                      r...
Heindl 2012                   Speicherkapazität                  r                Masse ~   r³                            ...
Heindl 2012                                Konstruktion                                      Bohrtürme                  Ba...
Heindl 2012                   Abtrennung Bodenplatte     • Bergmännische Ausräumung                        Abdichtung     ...
Heindl 2012       Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht              Basistunnel                                        Geschni...
Heindl 2012                   Abtrennung Bodenplatte                                      excavated     • Abgetrennte     ...
Heindl 2012               Seitenwände abtrennen                                     Bohrlöcher                  Baustraße ...
Heindl 2012              Aussägen des Felszylinders mit                   Diamant Seilsägen                               ...
Heindl 2012                          Diamant Seilsägen                                          Bohrlöcher                ...
Heindl 2012                   Aussenschacht                                Versorgungs-                                   ...
Heindl 2012                        Schachtform                                 Versorgungs-                               ...
Heindl 2012              Abdichtung Seitenwände                               Versorgungs-                                ...
Heindl 2012                          Zylinder freigelegt                    Baustraße              1. Tunnel              ...
Heindl 2011              17
Heindl 2012      Die Abdichtung ist von zentraler Bedeutung                                                  Felssicherung...
Heindl 2012                 Dichtung                  Metall                             Gelenk für                       ...
Heindl 2011              Setup: Multi-sealing                           v     rock                           v            ...
Heindl 2012                     Zylinder Positionierung     • Vier Quadranten Kontrolle                                   ...
Heindl 2012                               Sicherheit Das System bekommt ein Sicherheitssystem das auf physikalischen Geset...
Heindl 2012                              Technische Daten     Radius [m]                        62,5                  125 ...
Heindl 2012                                  Felswände                     300m                                           ...
Heindl 2012                                  Leistungsdaten     Radius [m]                            62,5                ...
Heindl 2012                        Wasser - Generator   Radius [m]                                   62,5       125       ...
Heindl 2012     Speicherbedarf pro Einwohner in D     • 21 kWh Strom pro Tag     • 147 kWh Strom pro Woche (vermuteter Bed...
Heindl 2012                         Wirtschaftlichkeit    Radius [m]              62,5         125         250         500...
Heindl 2012     Kostenschätzung für 500 m-Radius     Tunnel                    10.000 €/m      73 Mio. €     Bohren       ...
Heindl 2012              Wirtschaftliche Betrachtung        Radius [m]              62,5           125         250      50...
Heindl 2012     Wirtschaftlichkeit Speicherkraftwerk                               Randbedingungen:                       ...
Heindl 2012              Rendite Erdgaskraftwerk                                Randbedingungen:                          ...
Heindl 2012              Rendite Erdgaskraftwerk                                Randbedingungen:                          ...
Heindl 2012              Speicherbedarf [de]
Heindl 2012              Option: Speichersanierung                               150 m                                    ...
Heindl 2012          Beispiel: Speicherbecken Atdorf                                     14 GWh                           ...
Heindl 2012              Vision               1km                       37
Heindl 2012              Think Big!                   1km                             500m   1600GWh*               *netto...
Heindl 2012                Übersicht Standortbedingungen     • Geologische Bedingungen: möglichst kompaktes,         einhe...
Heindl 2012     Zusammenfassung (I) Lageenergiespeicher     • Speicherkapazität: sehr groß!         Kein anderes Speicherk...
Heindl 2012    Zusammenfassung (II) Lageenergiespeicher     • Flächenbedarf: mit 0,5 m²/MWh sehr gering,        zum Vergle...
Heindl 2012                    Weitere Entwicklung     • Investorensuche für Detailplanung (1. Halbjahr 2012)     • Vorber...
Heindl 2012      Zusammenfassung der Vorteile        Speicherkapazität jenseits von 1000 GWh denkbar        Effizienz: 8...
Heindl 2012              Vielen Dank für Ihr Interesse!                         Fragen?                www.Lageenergiespei...
KontaktHochschule FurtwangenProf. Dr. Eduard HeindlRobert Gerwig Platz 178120 FurtwangenGermany+49 177 2183578hed@hs-furtw...
Nächste SlideShare
Wird geladen in …5
×

Lageenergiespeicher Vortrag VDI Konferenz 2012 mit Audio

1.277 Aufrufe

Veröffentlicht am

Mit der Energiewende, die im Kern ein Umbau der Energieversorgung von fossilen und nuklearen hin zu erneuerbaren Energien ist, tritt das Problem der Energiespeicherung hervor. Es werden bisher nicht gehandhabte Speicherkapazitäten im TWh Bereich benötigt, das ist das Dreihundertfache der bisher verfügbaren Kapazität. Eine Lösung, die hier untersucht wird, ist der hydraulische Lageenergiespeicher. Er beruht auf dem Anheben einer großen Felsmasse und kann auf einem Quadratkilometer Fläche 2 TWh Strom speichern.

Funktionsprinzip des Lageenergiespeichers
Das Grundprinzip des Lageenergiespeichers ist sehr einfach, eine große Masse wird hydraulisch angehoben und absorbiert dabei Energie aus dem Stromnetz, wird die Masse wieder abgesenkt, wird das Hydraulikmedium, in diesem Fall Wasser, über eine Turbine geleitet und erzeugt Strom, der in das Netz eingespeist werden kann. Damit dieses Prinzip wirtschaftlich wird, sind extrem große Massen erforderlich.
Damit eine sehr große Masse ohne unverhältnismäßig großen Aufwand gewonnen werden kann, wird beim hydraulischen Lageenergiespeicher vorhandener Fels, wie er im Boden in nahezu beliebiger Masse vorhanden ist, freigelegt. Dazu dient das spezielle Bauverfahren für den Speicher.

Bau des Speichers
Für den Bau des Speichers ist es zunächst notwendig, einen Untergrund zu nutzen, der aus gutem Fels besteht. So ist der Schwarzwald als ein Granitfenster mit geringer Zerklüftung geologisch sehr gut für den Bau eines Lageenergiespeichers geeignet.

Betrieb des Speichers
Steht auf dem Strommarkt überschüssiger Strom aus Wind oder Solarenergie günstig zur Verfügung, wird Wasser aus einem naheliegenden Gewässer über eine Druckpumpe, völlig analog zu konventionellen Pumpspeicherkraftwerken, unter den Zylinder gepumpt. Selbst ein Zylinder mit einer Gesteinssäule von 1000 m benötigt nur 200 Bar Druck zum Anheben, dies ist ein in der Technik beherrschbarer Wert. Steht auf dem Strommarkt kein günstiger Strom zur Verfügung, wird die Pumpe abgeschaltet und das Wasservolumen mit Schotten abgedichtet. Damit hat der Speicher keinerlei Speicherverluste während des Ruhezustands.
In Zeiten von Strommangel und damit hoher Marktpreise, wird über eine Turbine das Wasser aus der Druckkammer unterhalb des Zylinders abgelassen und Strom in das Netz eingespeist. Der Wirkungsgrad des Systems liegt dabei über 80%, berechnet aus der abgegebenen Strommenge an das Netz gegenüber der eingespeisten Strommenge. Dies ist der gleiche Wirkungsgrad, den auch Pumpspeicher erreichen.

Vorteile des Konzepts
• Flächenbedarf: mit 2 MWh/m² um Faktor 100 besser als Pumpspeicher
• Wasserbedarf: ¼ gegenüber Pumpspeicher
• Speicherkosten: „beliebig“ niedrig
• Extrem große Speicherkapazität möglich
• Ökologisch unbedenklich da keine Chemie, nur „Wasser und Fels“

Veröffentlicht in: Technologie
0 Kommentare
1 Gefällt mir
Statistik
Notizen
  • Als Erste(r) kommentieren

Keine Downloads
Aufrufe
Aufrufe insgesamt
1.277
Auf SlideShare
0
Aus Einbettungen
0
Anzahl an Einbettungen
4
Aktionen
Geteilt
0
Downloads
13
Kommentare
0
Gefällt mir
1
Einbettungen 0
Keine Einbettungen

Keine Notizen für die Folie

Lageenergiespeicher Vortrag VDI Konferenz 2012 mit Audio

  1. 1. Der Lageenergiespeicher Lösung des Stromspeicher-Problems? 1Referent: Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  2. 2. Der Lageenergiespeicher: Lösung des Stromspeicher-Problems?Prof. Dr. rer. nat. Eduard Heindl Hochschule Furtwangen University,2. VDI-Fachkonferenz Stationäre Energiespeicher für Erneuerbare Energien, Karlsruhe, 21. Juni 2012
  3. 3. Heindl 2012 Fragen • Grundprinzip des hydraulischen Lageenergiespeichers • Bau eines Lageenergiespeichers • Eigenschaften des Speichers aus technischer Sicht • Wirtschaftlichkeit des Speicherkonzepts • Mögliche Standorte und Geschäftsmodell 3
  4. 4. Heindl 2012 Grundprinzip des Lageenergiespeichers Stromnetz r E~r4 2r Verbindung Pumpe hmax=r Wasservolumen und Turbine o Bei niedrigen Strompreis: Wasser wird unter eine Felsmasse gepumpt o Die hydraulischen Kräfte heben die Felsmasse o Bei hohem Strompreis: Stromerzeugung mit Turbine + Generator 4
  5. 5. Heindl 2012 Speicherkapazität r Masse ~ r³ Maximale Höhe ~ r l=2r Speicherkapazität: h=r E= 2πgρ*r4 Kosten ~ r² Wichtigster Vorteil Je größer der Radius, desto günstiger die Speicherung einer kWh (~1/r²) 5
  6. 6. Heindl 2012 Konstruktion Bohrtürme Baustellen- straße Bohrlöcher 1. Tunnel Schacht Basistunnel/ Wassereinlass 6
  7. 7. Heindl 2012 Abtrennung Bodenplatte • Bergmännische Ausräumung Abdichtung Basis- Abraum 2. Tunnel Schräm- tunnel verstopfen maschine Abdichtung Seitenansicht 7
  8. 8. Heindl 2012 Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht Basistunnel Geschnittener Ausgebrochenes Fels Material Ursprünglicher Fels Schram- Ma- schine 2. Tunnel Aufsicht 8
  9. 9. Heindl 2012 Abtrennung Bodenplatte excavated • Abgetrennte Bodenfläche material Abdichtung Basis- Aufgebrochenes 2. Tunnel tunnel Material Abdichtung Seitenansicht 9
  10. 10. Heindl 2012 Seitenwände abtrennen Bohrlöcher Baustraße Obere Säge 1.Tunnel Untere Säge Seilsägen 10
  11. 11. Heindl 2012 Aussägen des Felszylinders mit Diamant Seilsägen Bohrlöcher Antrieb Fels Geschnittene Fläche r Diamant Seilsäge 1. Tunnel Seitenansicht 11
  12. 12. Heindl 2012 Diamant Seilsägen Bohrlöcher traction Fels Geschnittene Fläche r Diamant Seilsäge 1. Tunnel Seitenansicht 12
  13. 13. Heindl 2012 Aussenschacht Versorgungs- tunnel Aufgrund der Felsmechanik wird der Außenschacht V-Förmig geschnitten Seilsägen Fels Zylinder Felsen Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht 13
  14. 14. Heindl 2012 Schachtform Versorgungs- tunnel Aufgrund des Bergdrucks wird sich der Zylinder nach der Entlastung ausdehnen Graben Fels Zylinder Bergdruck Bergdruck Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht 14
  15. 15. Heindl 2012 Abdichtung Seitenwände Versorgungs- tunnel Die Oberflächen des Gesteins werden mit wasserdichter Geomembran-Folie überzogen Abdichtung Fels Zylinder Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht 15
  16. 16. Heindl 2012 Zylinder freigelegt Baustraße 1. Tunnel Die Wände und der Boden des 2. Tunnel Zylinders sind jetzt von der Umgebung abgetrennt 16
  17. 17. Heindl 2011 17
  18. 18. Heindl 2012 Die Abdichtung ist von zentraler Bedeutung Felssicherung Dichtungsring Metall schwimmender Felszylinder Abdichtung, um den Fels trocken zu Wasser im halten Zylinder-Hohlraum 18
  19. 19. Heindl 2012 Dichtung Metall Gelenk für bewegliche Dichtung Stahl Fels außen Podest Dichtung Zylinder 19
  20. 20. Heindl 2011 Setup: Multi-sealing v rock v podest v v piston 20
  21. 21. Heindl 2012 Zylinder Positionierung • Vier Quadranten Kontrolle Niederdruck- dichtung 1 bar Hochdruck_ dichtung Pumpe Niederdruck- dichtung x Zylinder x Niederdruck- dichtung 21
  22. 22. Heindl 2012 Sicherheit Das System bekommt ein Sicherheitssystem das auf physikalischen Gesetzen beruht blähend unter Wasser- 1. Zusatz berührung Dichtungsring floating piston Blockade aufgrund hohen 2. Zusatz Durchflusses Dichtungsring Wasser im Zylinder-Hohlraum 22
  23. 23. Heindl 2012 Technische Daten Radius [m] 62,5 125 250 500 Durchmesser [m] 125 250 500 1.000 Volumen Fels [m³] 1.534.000 12.272.000 98.175.000 785.398.000 Masse Fels [t] 3.988.000 31.907.000 255.254.000* 2.042.040.000 Druck [Bar] 26 52 103 206 Druck oben [Bar] 20 39 78 157 ** Energie [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 23 ** Entspricht etwa Tagesproduktion der deutschen Energiewirtschaft
  24. 24. Heindl 2012 Felswände 300m 1000m 80m 24 Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck) Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia)
  25. 25. Heindl 2012 Leistungsdaten Radius [m] 62,5 125 250 500 Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980 Wasservolumen [m³] 767.000 6.136.000 49.087.000 392.699.000* Energiedichte [kWh/m³] 0,63 1,26 2,52 5,04 8 Stunden Leistungsentnahme [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. Heindl 2012 Wasser - Generator Radius [m] 62,5 125 250 500 Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980 Wasserablauf 8h [m³/s] 27 213 1.704 13.635 Wasserablauf 168h [m³/s](Woche) 1,3 10,1* 81 649 Wasserablauf 720h [m³/s] (Monat) 0,3 2,4 19 152 Turbine/Pumpe 8h [MW] 60 967 15.466 247.462 Turbine/Pumpe 168h [MW](Woche) 3 46 736 11.784 Turbine/Pumpe 720h [MW] (Monat) 1 11 172 2.750 r Anmerkung: • Leistung wird auf längere Zeiträume verteilt • Wasserablauf und Wasserzulauf gegebenenfalls über Speichersee gedämpft V G * Wasserentnahme Schluchseewerke am Rhein 26
  27. 27. Heindl 2012 Speicherbedarf pro Einwohner in D • 21 kWh Strom pro Tag • 147 kWh Strom pro Woche (vermuteter Bedarf) • Batteriepreise – Bleiakku 150€/kWh (Weltvorrat 64 Mio t) – Lithium 1000€/kWh (14 Mio t) • Speicher für eine Woche, Kosten pro Person 25.000€ (2,2t) ... 130.000 € Speicherkosten in Deutschland: 2.000 Mrd.€ ... 10.400 Mrd.€ !! 27
  28. 28. Heindl 2012 Wirtschaftlichkeit Radius [m] 62,5 125 250 500 Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980 Wert einer Speicherladung bei 100€/MWh [T€] 48 773 12.400 198.000 Einnahmen bei 100 Speicherzyklen à 100€/MWh [Mio.€] 5 77 1.237 19.797 20 Jahre 25 Zyklen [Mio.€] 24 386 6.187 98.985 20 Jahre 300 Zyklen [Mio.€] 290 4.640 74.239 1.187.817 28
  29. 29. Heindl 2012 Kostenschätzung für 500 m-Radius Tunnel 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. € 29
  30. 30. Heindl 2012 Wirtschaftliche Betrachtung Radius [m] 62,5 125 250 500 Kapazität [GWh] 0.5 8 125 2000 Investitionskosten* [Mio.€] 39 131 472 1,785 Mögliche Einnahmen [Mio.€] 290 4.640 6.187 19.797 Investment per kWh* [€] 81 17 4 0,90 Preis eines Pumpspeicher- kraftwerks *Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur 30
  31. 31. Heindl 2012 Wirtschaftlichkeit Speicherkraftwerk Randbedingungen: Strom EK = 20€/MWh Strom VK = 140€/MWh Turbine = 200.000€/MW Speicher = 168h SpeicherA = 0,70€/kWh SpeicherA0= 1,6TWh 31
  32. 32. Heindl 2012 Rendite Erdgaskraftwerk Randbedingungen: Gas EK = 77,3€/MWhel Strom VK = 140€/MWh Turbine = 200.000€/MW 32
  33. 33. Heindl 2012 Rendite Erdgaskraftwerk Randbedingungen: Gas EK = 77,3€/MWhel Strom VK = 140€/MWh Turbine = 200.000€/MW 33
  34. 34. Heindl 2012 Speicherbedarf [de]
  35. 35. Heindl 2012 Option: Speichersanierung 150 m 1,2 GWh 75mPilotprojekt Bereits wirtschaftliche GrößeRelativ kurzfristig möglich Flächen verfügbarAufbau im Rahmen einer Beckensanierung
  36. 36. Heindl 2012 Beispiel: Speicherbecken Atdorf 14 GWh 300m 150mpraktisch keine Sichtstörung günstige Pumpsituationgeringer Natureingriff geringster Landschaftsverbrauchkeine Überflutung Interesse Landesregierung BW
  37. 37. Heindl 2012 Vision 1km 37
  38. 38. Heindl 2012 Think Big! 1km 500m 1600GWh* *netto Kapazität 38
  39. 39. Heindl 2012 Übersicht Standortbedingungen • Geologische Bedingungen: möglichst kompaktes, einheitliches Gestein mit geringer Neigung zur Zerklüftung. Kein Gebirge erforderlich! • Hydrologische Bedingungen: Der Lageenergiespeicher benötigt wie Pumpspeicher die Nähe zu einem Wasserzu- und Abfluss, jedoch keine großflächigen Ober- und Unterbecken. Nur ein Becken oder ein unterirdisches Wasserreservoir ist ausreichend. • Marktbedingungen: der Lageenergiespeicher arbeitet optimal in Stromnetzen und -märkten mit hohem Anteil erneuerbarer Energien, deren Kosten bei überschüssiger Erzeugung gering sind. Der Lageenergiespeicher eignet sich für den weltweiten Einsatz 39
  40. 40. Heindl 2012 Zusammenfassung (I) Lageenergiespeicher • Speicherkapazität: sehr groß! Kein anderes Speicherkonzept weist eine derart große Speicherkapazität auf. • Wirtschaftlichkeit: durch die Tatsache, dass die Speicherkapazität mit dem Radius in der 4ten Potenz steigt, die Baukosten jedoch nur in der zweiten, wird der Lageenergiespeicher mit zunehmender Größe günstig. Bei 500 Meter Radius 50 Mal günstiger als heutige Pumpspeicher. • Technologie: es werden bewährte und ausgereifte Technologien kombiniert, aber nicht neu „erfunden“. 1. Bohr und Tunneltechnologie 2. Dichtungsmechanik Marktführer der beiden Bereiche bestätigen die Machbarkeit 40
  41. 41. Heindl 2012 Zusammenfassung (II) Lageenergiespeicher • Flächenbedarf: mit 0,5 m²/MWh sehr gering, zum Vergleich 50 m²/MWh bei Pumpspeichern • Wasserbedarf: rund ¼ des Bedarfs bei Pumpspeichern • Ökologie: – Eingriff in die Landschaft vergleichsweise gering – gehobener Zylinder verändert das Landschaftsbild nur zeitweise – kein Einsatz von Chemikalien notwendig • Akzeptanz: angesichts der obigen Vorteile ist mit einer vergleichsweise hohen Akzeptanz bei der Bevölkerung zu rechnen 41
  42. 42. Heindl 2012 Weitere Entwicklung • Investorensuche für Detailplanung (1. Halbjahr 2012) • Vorbereitung Forschungsverbund zur Klärung technischer Fragen zur Umsetzung; Begin in 2012 • Suche nach Pilotstandorten im In- und Ausland (bis 2013) • Bauvorbereitung Pilotspeicher ab 2014 • Erster kommerzieller Speicher: frühestens ab 2018 Für Pilotvorhaben werden Energieversorger gesucht (möglichst als Konsortium) 42
  43. 43. Heindl 2012 Zusammenfassung der Vorteile  Speicherkapazität jenseits von 1000 GWh denkbar  Effizienz: 80-85% bekannter Wert aus PSW  Kein Resourcenproblem  Kein Gebirge nötig  Einfache Entsorgung  Geringer Flächenbedarf (bis zu 2 MWh/m²)  Weniger Wasserbedarf als PSW (~1/4)  bekannte Technologien  Preis fällt mit 1/r² (<1€/kWh möglich)  Schwarzstartfähig  Rotierende Massen 43
  44. 44. Heindl 2012 Vielen Dank für Ihr Interesse! Fragen? www.Lageenergiespeicher.de 44
  45. 45. KontaktHochschule FurtwangenProf. Dr. Eduard HeindlRobert Gerwig Platz 178120 FurtwangenGermany+49 177 2183578hed@hs-furtwangen.dewww.lageenergiespeicher.de 45

×