Lageenergiespeicher Lehrertage-2013

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 IngenieurErfinder des Lageenergiespeichers*1961 Mühldorf/Inn

UnternehmerHeindl Internet AGHeindl Server GmbHA3M AGHeindl Energy GmbH i.G.

HochschullehrerHochschule FurtwangenLB Hochschule Geislingen

KontaktHochschule FurtwangenRobert-Gerwig-Platz 1D-78120 [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

30% jährliches Wachstum

Phot

ovol

taik

[MW

p]

Datenquelle: Wikipedia


Power demand

Conventional sources

Solarenergie


Vorhandene Speicherkapazität

speichern und

später nutzen


Wind- und Solarenergie

Aufgrund der metrologisch und astronomisch bedingten Schwankungen von Wind und Sonne sindfür 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

schwankenWind

Sonne


Unterdeckung 100TWh

Überschuss150 TWh

Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind

speichern

SolarWind

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 2016 – 2028 Investitionen in Speicher notwendig, damit eine sichere Versorgung gewährleistet ist.

Zeitfenster für den

Speicherbau


• 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!

Trend

Heindl 2012

1kWh


Hochschule FurtwangenHeindl 2011

Speicher für 7 Tage Pro Person 2,2 TonnenBleiakkumulatoren

Preis: 25.000€

unrealistisch


Methan als Speicher

25% 75%

unsinnig

Platzbedarf für Speichersee

Heindl 2012 13

Speicher-becken1200km²11TWh400m Fallhöhe10m Pegel

PumpspeicherkraftwerkKapazität für 7 TageDeutscher Strombedarf(15m² pro Einwohner)

unrealis

tisch

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 Person25.000€ (2,2t) ... 130.000 €

Heindl 2012 14unre

alistis

ch

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

WasservolumenPumpe und Turbine

Verbindung


h=r

r

l=2r


h=r

r

l=2r

Masse ~ r³Höhe ~ r

Kosten per kWh~1/r²

Speicherkapazität:E ~ g * m * h

Baukosten:b ~ r²

r³r

Speicherkapazität:E = 2 π g ρ * r4


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


Bau eines Lageenergiespeicher

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

1km

SchachtBasistunnel/

Wassereinlass

1. Tunnel

1km

Baustellen-straße

Bohrtürme

Bohrlöcher

Abtrennung Bodenplatte

• Bergmännische Ausräumung

Heindl 2012 20

Schräm-maschine

Abraumverstopfen

Seitenansicht

Abdichtung

Abdichtung

2. TunnelBasis-tunnel

Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht

Heindl 2012 21

2. Tunnel

Ursprünglicher Fels

Ausgebrochenes Material

Aufsicht

Schram-Ma-

schine

Geschnittener Fels

Basistunnel

Abtrennung Bodenplatte

• Abgetrennte Bodenfläche

Heindl 2012 22

Abdichtung

Abdichtung

2. TunnelAufgebrochenes Material

Seitenansicht

Basis-tunnel


Abtrennen der Bodenplatte

Die Bodenplatte wird, ähnlich wie im Steinkohlebergbau, mit einer Schrämmaschine abgetrennt.Der Abraum verbleibt aber im wesentlich unter Tage zum Abstützen der Zylindermasse.

Schräm-maschine

Abraumverstopfen

Abdichtung

Abdichtung

TunnelBasis-tunnel

Abdichtung

Abdichtung

TunnelBasis-tunnel

Vollständig mechanischeTrennung der Bodenplatte


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

Heindl 2012 25

Seilsägen

Seitenansicht

Versorgungs-tunnel

Ausgebrochenes Material

FelsenVersorgungs-

tunnel

ZylinderFels

Schachtform

Aufgrund des Bergdrucks wird sich der Zylinder nach der Entlastung ausdehnen

Heindl 2012 26

Graben

Seitenansicht

Versorgungs-tunnel

Versorgungs-tunnel Ausgebrochenes

Material

Fels ZylinderBergdruck Bergdruck

Abdichtung Seitenwände

Die Oberflächen des Gesteins werden mit wasserdichter Geomembran-Folie überzogen

Heindl 2012 27

Abdichtung

Seitenansicht

Versorgungs-tunnel

Versorgungs-tunnel Ausgebrochenes

Material

Fels Zylinder


Heindl 2011

28


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

schwimmenderFelszylinder

Wasser im Zylinder-Hohlraum

FelssicherungAusschnitt 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)

Starnberg0,5

100€/kWh

Nürnberg 8GWh20€/kWh

Bayern120GWh4€/kWh

1600GWh1€/kWh

Deutschland

20€/kWh

4€/kWh 1€/kWh

100€/kWh

Felswände

Heindl 2012 31Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck)

1000m

Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia)

80m

300m

Technische DatenRadius [m] 62,5 125 250 500Durchmesser [m] 125 250 500 1.000Volumen 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* 2.042.040.000Druck† [Bar] 26 52 103 206Druck 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=ρVp

* 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

LeistungsdatenRadius [m] 62,5 125 250 500Energie [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 - GeneratorRadius [m] 62,5 125 250 500Energie [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

Heindl 2012 38

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

gegebenenfalls über Speichersee gedämpft

r

V G

Kostenschätzung für 500 m-Radius

Tunnel10.000

€/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. €

Dichtungsring10.000

€/m lO = 2πr 31 Mio. €

Summe 2.020

Mio. €

Heindl 2012 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€/kWhBatterie 500€/kWh

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

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Vielen Dank für Ihr Interesse!

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www.Lageenergiespeicher.deHeindl 2012 42

Kontakt

Hochschule FurtwangenProf. Dr. Eduard HeindlRobert Gerwig Platz 178120 FurtwangenGermany+49 177 [email protected]

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