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Der Lageenergiespeicher
                             Ein Konzept zur kostengünstigen Speicherung
                                  großer Mengen elektrischer Energie




Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
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.de

Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
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
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
                                                                                                      4
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Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind


                                                                            Sonstige

                                                              Wind
                   Solar
                                                                  Unterdeckung 100TWh



                Überschuss
                150 TWh                     speichern




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Wind- und Solarenergie

                                                                             Die Leistung von Wind-
                                                                                und Solarenergie
Wind                                                                               schwanken



        Winter           Frühling           Sommer               Herbst

                                                                                   Speicher für
                                                                                mindestens sieben
Sonne                                                                           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
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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.

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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!




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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.

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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/r²


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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.


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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.


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Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht

                     Basistunnel
                                                           Geschnittener
     Ausgebrochenes                                        Fels
         Material
                                                                      Ursprünglicher
                                                                      Fels
                                           Schram-
                                             Ma-
                                            schine




                                                                           Aufsicht


                                                      2. Tunnel



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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.


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Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen
                                    traction                  Bohrlöcher



                                                           Fels
Geschnittene
Fläche




                                            r              Diamant
                                                           Seilsäge


         1. Tunnel
 Seitenansicht


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Aussenschacht
                                                            Versorgungs-
Aufgrund der                                                   tunnel

Felsmechanik wird der
Außenschacht
V-Förmig geschnitten
                                                                      Seilsägen


                                               Fels                               Zylinder

                                                                                  Felsen
                                                            Versorgungs-
                                                               tunnel             Ausgebrochenes
                                                                                      Material
                                                 Seitenansicht
                                                                                             16
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Schachtform
                                                            Versorgungs-
  Aufgrund des                                                 tunnel
  Bergdrucks wird sich
  der Zylinder nach der
  Entlastung
  ausdehnen                                                                Graben


                                               Fels                                 Zylinder
                                                                 Bergdruck          Bergdruck


                                                            Versorgungs-
                                                               tunnel               Ausgebrochenes
                                                                                        Material
                                                 Seitenansicht
                                                                                                17
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Abdichtung Seitenwände
                                                            Versorgungs-
                                                               tunnel
    Die Oberflächen des
    Gesteins werden mit
    wasserdichter
    Geomembran-Folie
    überzogen                                                       Abdichtung


                                               Fels                              Zylinder


                                                            Versorgungs-
                                                               tunnel            Ausgebrochenes
                                                                                     Material
                                                 Seitenansicht
                                                                                             18
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Heindl 2011




                                                                                 19
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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 reagiert


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Zylinder Positionierung

Vier-Quadranten-Kontrolle
                                                                                    Niederdruck-
                                                                                      dichtung
                                                                                        1 bar


                  Hochdruck_
                   dichtung

                                                                           Pumpe
                                 Niederdruck-
                                   dichtung                       x          Zylinder              x
 Niederdruck-
   dichtung




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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.

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Technische Daten


 Radius [m]                           62,5                   125                    250                500
Durchmesser, Höhe [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 p [Bar]                                  26                       52                    103             206
Druck oben [Bar]                               20                       39                     78              157
Energie (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
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Felswände




                    300m
                                                               1000m

                                        80m




Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck)   Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia)   24
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
Wasser - Generator


Radius [m]                                                 62,5            125                  250            500
Energie (Brutto) [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

Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
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.

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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.

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Wirtschaftlichkeit: Mögliche Einnahmen


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



       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.

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Wirtschaftlichkeit: Systemkosten*


Beispiel: 500m Radius, Nettokapazität: 1600GWh
                                            Preis/
Gewerk                                     Einheit                         Preis

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. €

   *Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur

Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
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)

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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 Speicherstand




Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
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)

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Lageenergiespeicher 12-12-2012 d

  • 1. Der Lageenergiespeicher Ein Konzept zur kostengünstigen Speicherung großer Mengen elektrischer Energie Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 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.de Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 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. 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 4 Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 5. Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind Sonstige Wind Solar Unterdeckung 100TWh Überschuss 150 TWh speichern Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 6. Wind- und Solarenergie Die Leistung von Wind- und Solarenergie Wind schwanken Winter Frühling Sommer Herbst Speicher für mindestens sieben Sonne 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. 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. 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. 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. 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/r² Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 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. 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. Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht Basistunnel Geschnittener Ausgebrochenes Fels Material Ursprünglicher Fels Schram- Ma- schine Aufsicht 2. Tunnel Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 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. Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen traction Bohrlöcher Fels Geschnittene Fläche r Diamant Seilsäge 1. Tunnel Seitenansicht Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 16. Aussenschacht Versorgungs- Aufgrund der tunnel Felsmechanik wird der Außenschacht V-Förmig geschnitten Seilsägen Fels Zylinder Felsen Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht 16 Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 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 17 Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 18. Abdichtung Seitenwände Versorgungs- tunnel Die Oberflächen des Gesteins werden mit wasserdichter Geomembran-Folie überzogen Abdichtung Fels Zylinder Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht 18 Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 19. Heindl 2011 19 Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 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 reagiert Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 21. Zylinder Positionierung Vier-Quadranten-Kontrolle Niederdruck- dichtung 1 bar Hochdruck_ dichtung Pumpe Niederdruck- dichtung x Zylinder x Niederdruck- dichtung Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 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. Technische Daten Radius [m] 62,5 125 250 500 Durchmesser, Höhe [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 p [Bar] 26 52 103 206 Druck oben [Bar] 20 39 78 157 Energie (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. Felswände 300m 1000m 80m Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck) Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia) 24
  • 25. 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. Wasser - Generator Radius [m] 62,5 125 250 500 Energie (Brutto) [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 Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 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. 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. Wirtschaftlichkeit: Mögliche Einnahmen 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 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. Wirtschaftlichkeit: Systemkosten* Beispiel: 500m Radius, Nettokapazität: 1600GWh Preis/ Gewerk Einheit Preis 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. € *Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 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. 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 Speicherstand Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 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. Vielen Dank für Ihr Interesse! Fragen? www.Lageenergiespeicher.de Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher