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

Der Lageenergiespeicher

Ein Konzept zur kostengünstigen Speicherung großer Mengen elektrischer Energie



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 [email protected]


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.

Weltweiter Strombedarf

Ph

oto

volt

aik

[MW

p]

Datenquelle: Wikipedia


Power demand

Conventional sources

Solarenergie


Vorhandene Speicherkapazität


Wind- und Solarenergie

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.

Speicher für

mindestens sieben

Tage erforderlich!

150kWh/Person

Winter Frühling Sommer Herbst

Die Leistung von Wind-

und Solarenergie

schwanken Wind

Sonne


Stromerzeugung bisher

Einfache Stromerzeugung aus fossilen Energiespeichern wie Öl, Kohle, Gas.

Steuerbare Kraftwerke

Nicht steuerbarer Verbrauch

Netze


Energieversorgung mit fluktuierenden Erneuerbaren Energien

Speicher sind die entscheidende Schnittstelle zwischen Energieernte und Energiebedarf. Wer günstigen Speicher anbieten kann, kann zwischen Erzeuger und Verbraucher vermitteln!

Stromernte Photovoltaik

auf privaten Flächen

Stromernte Wind

verteilte Strukturen

Speicher

Nicht steuerbarer Verbrauch

Steuerbarer Verbrauch

Netze

Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher Bildquelle: Wikipedia

Bildquelle: http://www.chiemsee-alpenland.de

Bildquelle: http://www.mbr-alzey.de


Unterdeckung 100TWh

Überschuss 150 TWh

Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind

speichern

Solar Wind

Sonstige

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)


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.


• Globaler Umstieg auf Photovoltaik beginnt!

• Finanzkrise beschleunigt, da sichere Rendite in der Solar-/Windstromproduktion

Welt 2012: 250GWpWind und 100GWpPV

Folgerungen:

• Strom-Speicherbedarf für globale Energieproduktion wächst überproportional

• Energiespeicher sind der Zukunftsmarkt!

Trend


1kWh


Hochschule Furtwangen Heindl 2011

Speicher für 7 Tage Pro Person 2,2 Tonnen Bleiakkumulatoren Preis: 25.000€


Methan als Speicher

25% 75%

Platzbedarf für Speichersee

Heindl 2012 16

Pumpspeicherkraftwerk

Kapazität für 7 Tage

Deutscher Strombedarf

(15m² pro Einwohner)


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 €

17

Speicherkosten in Deutschland: 2.000 Mrd.€ ... 10.400 Mrd.€ !!


Der Lageenergiespeicher: Das Grundprinzip

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.

hmax=r

Stromnetz r

2r

E~r4

Wasservolumen Pumpe

und Turbine

Verbindung


h=r

r

l=2r


h=r

r

l=2r

Masse ~ r³ Höhe ~ r

Kosten per kWh~1/r²

Speicherkapazität: E ~ g * m * h

Baukosten:

b ~ r²

r³ r

Speicherkapazität:

E = 2 π g ρ * r4


Bau eines Lageenergiespeicher

Das Freilegen der Gesteinsmasse erfolgt mit konventionellen Methoden des Bergbaus. Ein Tunnelsystem gewährt den Zugang zu den einzelnen Bauabschnitten.

Schacht Basistunnel/

Wassereinlass

1. Tunnel

Baustellen-straße

Bohrtürme

Bohrlöcher


Abtrennung Bodenplatte

• Bergmännische Ausräumung

22

Schräm- maschine

Abraum

verstopfen

Seitenansicht

Abdichtung

Abdichtung

2. Tunnel Basis-

tunnel


Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht

23

2. Tunnel

Ursprünglicher

Fels

Ausgebrochenes

Material

Aufsicht

Schram- Ma-

schine

Geschnittener Fels

Basistunnel


Abtrennung Bodenplatte

• Abgetrennte Bodenfläche

24

Abdichtung

Abdichtung

2. Tunnel Aufgebrochenes Material

Seitenansicht

Basis-

tunnel


Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen

1. Tunnel

traction

r

Geschnittene Fläche

Diamant Seilsäge

Fels

Bohrlöcher

Seitenansicht


Aussenschacht

Aufgrund der Felsmechanik wird der Außenschacht V-Förmig geschnitten

27

Seilsägen

Seitenansicht

Versorgungs-tunnel

Ausgebrochenes Material

Felsen Versorgungs-

tunnel

Zylinder Fels


Schachtform

Aufgrund des Bergdrucks wird sich der Zylinder nach der Entlastung ausdehnen

28

Graben

Seitenansicht

Versorgungs-tunnel

Versorgungs-tunnel Ausgebrochenes

Material

Fels Zylinder

Bergdruck Bergdruck


Abdichtung Seitenwände

Die Oberflächen des Gesteins werden mit wasserdichter Geomembran-Folie überzogen

29

Abdichtung

Seitenansicht

Versorgungs-tunnel

Versorgungs-tunnel Ausgebrochenes

Material

Fels Zylinder


Heindl 2011

30


Das Dichtungsystem

Das gesamte System ist gegenüber der Umwelt durch Geomembranen abgedichtet. Der Zylinder trägt einen Dichtungsring, der flexibel auf Unebenheiten reagiert

Metall

Dichtungsring

Abdichtung, um den Fels trocken zu

halten

schwimmender

Felszylinder

Wasser im

Zylinder-Hohlraum

Felssicherung Ausschnitt Dichtung


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.

Beispiele für Größen und Kosten (Darstellung maßstäblich)

Starnberg 0,5

100€/kWh

Nürnberg 8GWh 20€/kWh

Bayern

120GWh 4€/kWh

1600GWh 1€/kWh

Deutschland

20€/kWh

4€/kWh 1€/kWh

100€/kWh

Felswände

Heindl 2012 33 Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck)

1000m

Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia)

80m

300m

operate

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

Heindl 2013 35

Abhängigkeit vom Radius: • Druck wächst linear • Masse wächst in der 3. Potenz • Energie wächst in der 4. Potenz

r

m=ρV p

* Entspricht etwa der Ladekapazität aller Kontainerschiffe weltweit ** Entspricht etwa Tagesproduktion der deutschen Energiewirtschaft † Dichte Fels: ρR=2.600kg/m³

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

Dichte Fels: ρR (2.600kg/m³)

Dichte Wasser: ρW (1.000kg/m³)

Erdanziehung: g (9,81N/kg)

Radius System: r

Heindl 2013 36

r

V

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

Heindl 2012 37

Abhängigkeit vom Radius: • Energiedichte im Wasser wächst linear • theoretische Leistungsentnahme

wächst mit der 4. Potenz

r

V

* Entspricht einer Absenkung des Bodensee um einen Meter ** Typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland


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

38

Anmerkung: • Leistung wird auf längere Zeiträume verteilt • Wasserablauf und Wasserzulauf

gegebenenfalls über Speichersee gedämpft

r

V G


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. €

39

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

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

Heindl 2013 40

* ∆Preis=0,1€/kWh; Einnahmen über 20 Jahre, Zyklendauer: 62,5m und 125m 24h, 250m 168h, 500m 720h, **Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur

Zum Vergleich: Pumpspeicher 100€/kWh Batterie 500€/kWh


Vergleich der Speichertechnik Hoher

Wirkungsgrad Niedrige Kosten

pro kWh

Geringe Umwelt-

belastung

Batterien 90% 500€ Rohstoffe Entsorgung

Power2Gas 25%

Pumpspeicher 80% 100€ Landschafts-verbrauch

10kWh/m²

Lageenergie-speicher

80% <20€ Bis zu 2MWh/m²

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

42


Schüler begeistern

43


Vielen Dank für Ihr Interesse!

Fragen?

www.Lageenergiespeicher.de 44


Kontakt

Hochschule Furtwangen

Prof. Dr. Eduard Heindl

Robert Gerwig Platz 1

78120 Furtwangen

Germany

+49 177 2183578

[email protected]

www.lageenergiespeicher.de

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