Lageenergiespeicher 12-12-2012 d

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


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.


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

Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind

Sonstige

Wind
Solar
Unterdeckung 100TWh

Überschuss
150 TWh speichern


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

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.


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!


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.


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


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.


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.


Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht

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

Aufsicht

2. Tunnel


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.


Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen
traction Bohrlöcher

Fels
Geschnittene
Fläche

r Diamant
Seilsäge

1. Tunnel
Seitenansicht


Aussenschacht
Versorgungs-
Aufgrund der tunnel

Felsmechanik wird der
Außenschacht
V-Förmig geschnitten
Seilsägen

Fels Zylinder

Felsen
Versorgungs-
tunnel Ausgebrochenes
Material
Seitenansicht
16

Schachtform
Versorgungs-
Aufgrund des tunnel
Bergdrucks wird sich
der Zylinder nach der
Entlastung
ausdehnen Graben

Fels Zylinder
Bergdruck Bergdruck

Versorgungs-
Material
Seitenansicht
17

Abdichtung Seitenwände
Versorgungs-
tunnel
Die Oberflächen des
Gesteins werden mit
wasserdichter
Geomembran-Folie
überzogen Abdichtung

Fels Zylinder

Versorgungs-
Material
Seitenansicht
18

Heindl 2011

19

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


Zylinder Positionierung

Vier-Quadranten-Kontrolle
Niederdruck-
dichtung
1 bar

Hochdruck_
dichtung

Pumpe
Niederdruck-
dichtung x Zylinder x
Niederdruck-
dichtung


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.


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

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


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.


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.


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.


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


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)


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


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)


Vielen Dank für Ihr Interesse!

Fragen?

www.Lageenergiespeicher.de

Lageenergiespeicher 12-12-2012 d

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