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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
               Heindl Energy GmbH i.G.

     Hochschullehrer
                Hochschule Furtwangen
                LB Hochschule Geislingen

     Kontakt
                   Hochschule Furtwangen
                   Robert-Gerwig-Platz 1
                   D-78120 Furtwangen
                   Germany
                   eduard@heindl.de

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Weltweiter Strombedarf
Photovoltaik [MWp]




                             Das weltweite Wachstum liegt bei 70% pro Jahr, wobei sogar die Wachstumsrate selbst ansteigt.
                                                                                                    Datenquelle: Wikipedia
                             Ursache: Massiver Preisverfall bei PV Modulen von 5.000€/kW auf 500€/kW in fünf Jahren.

                     Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Solarenergie
                                                                               Power demand




                                                        Conventional sources




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




Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Wind- und Solarenergie

                                                                            Die Leistung von Wind-
                                                                               und Solarenergie
Wind                                                                              schwanken



        Winter           Frühling           Sommer               Herbst

                                                                                Speicher für
                                                                             mindestens sieben
Sonne                                                                        Tage erforderlich!
                                                                              150kWh/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.



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Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind


                                                                            Sonstige

                                                              Wind
                   Solar
                                                                  Unterdeckung 100TWh



                Überschuss
                150 TWh                     speichern




   Die vereinfachte Dauerkennlinie ist gut geeignet, um den Speicherbedarf grob abzuschätzen. Hier wurde
   angenommen: 10% Konventionell, 40% Solar linear, 50% Wind linear zwischen Min. und Max.
   (Überproduktion wegen Speicherverlust)
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Entwicklung installierter Wind- und Solarkraft in Deutschland;
      Zeitschiene für Speicherbedarf




                                                                           Zeitfenster für
                                                                                 den
                                                                            Speicherbau




      Bei einer Fortschreibung des 15% Wachstums der Wind- und Solarenergiekapazität werden im Zeitfenster
      2016 – 2028 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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1kWh




       Heindl 2012
Heindl 2011                                                                           Hochschule Furtwangen




                          Speicher für 7 Tage
                          Pro Person 2,2 Tonnen
                          Bleiakkumulatoren

                          Preis:                                                 25.000€

      Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Methan als Speicher




                     25%                                                   75%


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Platzbedarf für Speichersee


                         Pumpspeicherkraftwerk
                         Kapazität für 7 Tage
                         Deutscher Strombedarf
                         (15m² pro Einwohner)




           Heindl 2012                           13
Strombedarf pro Einwohner in D
• 21 kWh Strom pro Tag
• 147 kWh Strom pro Woche
• 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:
                   2.000Heindl 2012 ... 10.400 Mrd.€ !!
                         Mrd.€                            14
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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r



                                                                l=2r

                                                                               h=r



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Masse ~ r³                                                                  r
Höhe ~ r
Speicherkapazität:
E ~ g * m ρ**h 4
  =2πg        r                                                  l=2r
Baukosten:
b ~ r²                                                                          h=r


Kosten per kWh~1/r²
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Vorteile des Lageenergiespeichers
            Speicherkapazität jenseits von 1000 GWh denkbar
            Effizienz: mit 80-85% auf Niveau von Pumpspeicherkraftwerken
            Preis pro gespeicherter kWh fällt mit 1/r² (<1€/kWh möglich)
            Geringer Flächenbedarf (bis zu 2 MWh/m²)
            Weniger Wasserbedarf als PSW (~1/4)
            Kein Gebirge nötig
            Einfache Entsorgung nach Betriebsende (mehrere Jahrzehnte)
            bekannte Technologien
            Schwarzstartfähig




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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
                                  Heindl 2012         20
Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht

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




                                 2. Tunnel
  Aufsicht
                                       Heindl 2012            21
Abtrennung Bodenplatte
• Abgetrennte Bodenfläche


                 Abdichtung



   Basis-                       Aufgebrochenes   2. Tunnel
   tunnel                           Material



                   Abdichtung

 Seitenansicht
                                 Heindl 2012          22
Abtrennen der Bodenplatte
                           Abdichtung


               Basis-    Abraum          Schräm-                      Tunnel
               tunnel   verstopfen       maschine


                                 Abdichtung


                           Abdichtung


               Basis-           Vollständig mechanische               Tunnel
               tunnel          Trennung der Bodenplatte


                                 Abdichtung




      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-
                                   tunnel
Aufgrund der
Felsmechanik wird der
Außenschacht
V-Förmig geschnitten
                                         Seilsägen


                        Fels                         Zylinder

                                                     Felsen
                               Versorgungs-
                                  tunnel             Ausgebrochenes
                                                         Material
                        Seitenansicht
                           Heindl 2012                        25
Schachtform
                                  Versorgungs-
                                     tunnel
Aufgrund des
Bergdrucks wird sich
der Zylinder nach der
Entlastung
ausdehnen                                  Graben


                         Fels                       Zylinder
                                     Bergdruck      Bergdruck


                                 Versorgungs-
                                    tunnel          Ausgebrochenes
                                                        Material
                          Seitenansicht
                             Heindl 2012                        26
Abdichtung Seitenwände
                              Versorgungs-
                                 tunnel
Die Oberflächen des
Gesteins werden mit
wasserdichter
Geomembran-Folie
überzogen                              Abdichtung


                      Fels                          Zylinder


                             Versorgungs-
                                tunnel              Ausgebrochenes
                                                        Material
                      Seitenansicht
                         Heindl 2012                        27
Heindl 2011




                                                                                 28
      Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
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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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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Felswände



                    300m
                                                                             1000m

                                        80m




Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck)   Heindl 2012   Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia)   31
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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
** Entspricht etwa Tagesproduktion der deutschen Energiewirtschaft
† Dichte Fels: ρR=2.600kg/m³                                Heindl 2013                                       35
Berechnung Speicherkapazität
Energie im Fels:
                 Er = 2* π *g* ρR *r4
Energie im Wasser:
                EW = -3/2*π *g* ρW * r4
Energie im System:
            EHHS = (2*ρR -3/2*ρW )* π*g*r4
                                               r

Dichte Fels:     ρR   (2.600kg/m³)
Dichte Wasser:   ρW   (1.000kg/m³)
Erdanziehung:    g    (9,81N/kg)
Radius System:   r                         V
                             Heindl 2013           36
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 Leistungsentnahme
   wächst mit der 4. Potenz

                                                                               V
* Entspricht einer Absenkung des Bodensee um einen Meter                                                37
** Typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland       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
                                       Heindl 2012                                              38
Kostenschätzung für 500 m-Radius
Tunnel                  10.000 €/m                lT = 4πr+2r       73 Mio. €
Bohren                      500 €/m              lD = 8πr²/∆D      157 Mio. €
Sägen                        10 €/m²               AS = 8πr²        63 Mio. €
Abraum                       20 €/m³             VR = 4πr² ∆T      126 Mio. €
Bodenplatte
abtrennen                1.000 €/m²                    AF = πr²    785 Mio. €
Dichtfläche
(Edelstahl)                 200 €/m²               AO = 2πr²       157 Mio. €

Abdichtung                  100 €/m²               AW = 6πr²       393 Mio. €

Dichtungsring           10.000 €/m                     lO = 2πr     31 Mio. €

Summe                                                             2.020 Mio. €

Symbole: ∆D Abstand Bohrlöcher, ∆T Breite des Grabens

                                         Heindl 2012                             39
Wirtschaftliche Betrachtung

Radius [m]                      62,5               125               250                500

Kapazität [GWh]                  0.5                   8             125              2000
Investitionskosten*
[Mio.€]                           43               158               630              2.020
Mögliche
Einnahmen* [Mio.€]              290             4.640              6.187            19.797
Investment
per kWh** [€]                     90                   19           4,29               1,02
Zum Vergleich:         Pumpspeicher           100€/kWh
                       Batterie               500€/kWh
* ∆Preis=0,1€/kWh; Einnahmen über 20 Jahre, Zyklendauer: 62,5m und 125m 24h, 250m 168h, 500m 720h,
**Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur

                                         Heindl 2013                                           40
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

                            Heindl 2012               41
Vielen Dank für Ihr Interesse!

           Fragen?




  www.Lageenergiespeicher.de
             Heindl 2012         42
Kontakt
Hochschule Furtwangen
Prof. Dr. Eduard Heindl
Robert Gerwig Platz 1
78120 Furtwangen
Germany
+49 177 2183578
hed@hs-furtwangen.de
www.lageenergiespeicher.de




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Lageenergiespeicher Lehrertage-2013

  • 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 Heindl Energy GmbH i.G. 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. Weltweiter Strombedarf Photovoltaik [MWp] Das weltweite Wachstum liegt bei 70% pro Jahr, wobei sogar die Wachstumsrate selbst ansteigt. Datenquelle: Wikipedia 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. Solarenergie Power demand Conventional sources Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 5. Vorhandene Speicherkapazität 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! 150kWh/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. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 7. Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind Sonstige Wind Solar Unterdeckung 100TWh Überschuss 150 TWh speichern Die vereinfachte Dauerkennlinie ist gut geeignet, um den Speicherbedarf grob abzuschätzen. Hier wurde angenommen: 10% Konventionell, 40% Solar linear, 50% Wind linear zwischen Min. und Max. (Überproduktion wegen Speicherverlust) Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 8. Entwicklung installierter Wind- und Solarkraft in Deutschland; Zeitschiene für Speicherbedarf Zeitfenster für den Speicherbau Bei einer Fortschreibung des 15% Wachstums der Wind- und Solarenergiekapazität werden im Zeitfenster 2016 – 2028 Investitionen in Speicher notwendig, damit eine sichere Versorgung gewährleistet ist. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 9. 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
  • 10. 1kWh Heindl 2012
  • 11. Heindl 2011 Hochschule Furtwangen Speicher für 7 Tage Pro Person 2,2 Tonnen Bleiakkumulatoren Preis: 25.000€ Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 12. Methan als Speicher 25% 75% Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 13. Platzbedarf für Speichersee Pumpspeicherkraftwerk Kapazität für 7 Tage Deutscher Strombedarf (15m² pro Einwohner) Heindl 2012 13
  • 14. Strombedarf pro Einwohner in D • 21 kWh Strom pro Tag • 147 kWh Strom pro Woche • 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: 2.000Heindl 2012 ... 10.400 Mrd.€ !! Mrd.€ 14
  • 15. 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
  • 16. r l=2r h=r Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 17. Masse ~ r³ r Höhe ~ r Speicherkapazität: E ~ g * m ρ**h 4 =2πg r l=2r Baukosten: b ~ r² h=r Kosten per kWh~1/r² Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 18. Vorteile des Lageenergiespeichers  Speicherkapazität jenseits von 1000 GWh denkbar  Effizienz: mit 80-85% auf Niveau von Pumpspeicherkraftwerken  Preis pro gespeicherter kWh fällt mit 1/r² (<1€/kWh möglich)  Geringer Flächenbedarf (bis zu 2 MWh/m²)  Weniger Wasserbedarf als PSW (~1/4)  Kein Gebirge nötig  Einfache Entsorgung nach Betriebsende (mehrere Jahrzehnte)  bekannte Technologien  Schwarzstartfähig Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 19. 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
  • 20. Abtrennung Bodenplatte • Bergmännische Ausräumung Abdichtung Basis- Abraum Schräm- 2. Tunnel tunnel verstopfen maschine Abdichtung Seitenansicht Heindl 2012 20
  • 21. Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht Basistunnel Geschnittener Ausgebrochenes Fels Material Ursprünglicher Fels Schram- Ma- schine 2. Tunnel Aufsicht Heindl 2012 21
  • 22. Abtrennung Bodenplatte • Abgetrennte Bodenfläche Abdichtung Basis- Aufgebrochenes 2. Tunnel tunnel Material Abdichtung Seitenansicht Heindl 2012 22
  • 23. Abtrennen der Bodenplatte Abdichtung Basis- Abraum Schräm- Tunnel tunnel verstopfen maschine Abdichtung Abdichtung Basis- Vollständig mechanische Tunnel tunnel Trennung der Bodenplatte Abdichtung 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
  • 24. Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen traction Bohrlöcher Fels Geschnittene Fläche r Diamant Seilsäge 1. Tunnel Seitenansicht Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 25. Aussenschacht Versorgungs- tunnel Aufgrund der Felsmechanik wird der Außenschacht V-Förmig geschnitten Seilsägen Fels Zylinder Felsen Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht Heindl 2012 25
  • 26. Schachtform Versorgungs- tunnel Aufgrund des Bergdrucks wird sich der Zylinder nach der Entlastung ausdehnen Graben Fels Zylinder Bergdruck Bergdruck Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht Heindl 2012 26
  • 27. Abdichtung Seitenwände Versorgungs- tunnel Die Oberflächen des Gesteins werden mit wasserdichter Geomembran-Folie überzogen Abdichtung Fels Zylinder Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht Heindl 2012 27
  • 28. Heindl 2011 28 Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 29. 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
  • 30. 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
  • 31. Felswände 300m 1000m 80m Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck) Heindl 2012 Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia) 31
  • 32. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 33. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 34. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  • 35. 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 ** Entspricht etwa Tagesproduktion der deutschen Energiewirtschaft † Dichte Fels: ρR=2.600kg/m³ Heindl 2013 35
  • 36. Berechnung Speicherkapazität Energie im Fels: Er = 2* π *g* ρR *r4 Energie im Wasser: EW = -3/2*π *g* ρW * r4 Energie im System: EHHS = (2*ρR -3/2*ρW )* π*g*r4 r Dichte Fels: ρR (2.600kg/m³) Dichte Wasser: ρW (1.000kg/m³) Erdanziehung: g (9,81N/kg) Radius System: r V Heindl 2013 36
  • 37. 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 Leistungsentnahme wächst mit der 4. Potenz V * Entspricht einer Absenkung des Bodensee um einen Meter 37 ** Typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland Heindl 2012
  • 38. 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 Heindl 2012 38
  • 39. Kostenschätzung für 500 m-Radius Tunnel 10.000 €/m lT = 4πr+2r 73 Mio. € Bohren 500 €/m lD = 8πr²/∆D 157 Mio. € Sägen 10 €/m² AS = 8πr² 63 Mio. € Abraum 20 €/m³ VR = 4πr² ∆T 126 Mio. € Bodenplatte abtrennen 1.000 €/m² AF = πr² 785 Mio. € Dichtfläche (Edelstahl) 200 €/m² AO = 2πr² 157 Mio. € Abdichtung 100 €/m² AW = 6πr² 393 Mio. € Dichtungsring 10.000 €/m lO = 2πr 31 Mio. € Summe 2.020 Mio. € Symbole: ∆D Abstand Bohrlöcher, ∆T Breite des Grabens Heindl 2012 39
  • 40. Wirtschaftliche Betrachtung Radius [m] 62,5 125 250 500 Kapazität [GWh] 0.5 8 125 2000 Investitionskosten* [Mio.€] 43 158 630 2.020 Mögliche Einnahmen* [Mio.€] 290 4.640 6.187 19.797 Investment per kWh** [€] 90 19 4,29 1,02 Zum Vergleich: Pumpspeicher 100€/kWh Batterie 500€/kWh * ∆Preis=0,1€/kWh; Einnahmen über 20 Jahre, Zyklendauer: 62,5m und 125m 24h, 250m 168h, 500m 720h, **Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur Heindl 2013 40
  • 41. 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 Heindl 2012 41
  • 42. Vielen Dank für Ihr Interesse! Fragen? www.Lageenergiespeicher.de Heindl 2012 42
  • 43. Kontakt Hochschule Furtwangen Prof. Dr. Eduard Heindl Robert Gerwig Platz 1 78120 Furtwangen Germany +49 177 2183578 hed@hs-furtwangen.de www.lageenergiespeicher.de 43