Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Der Lageenergiespeicher
Ein Konzept zur kostengünstigen Speicherung großer Mengen elektrischer Energie
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Professor Dr. Eduard Heindl
Diplom Physiker und Diplom IngenieurErfinder des Lageenergiespeichers*1961 Mühldorf/Inn
UnternehmerHeindl Internet AGHeindl Server GmbHA3M AGgeplant Heindl Energy GmbH
HochschullehrerHochschule FurtwangenLB Hochschule Geislingen
KontaktHochschule FurtwangenRobert-Gerwig-Platz 1D-78120 [email protected]
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
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.
4
Grundlast: Kohle, Kernenergie Tagesstromproduktion: 1600GWh
60GW
280GW
0:00 Uhr 24:00 Uhr Zeit
„Kostenlose Energie“, da variable Kosten = 0
Solarenergie,Wind
Verbrauch
12:00
Pumpspeicher-kapazität in
Deutschland: 40GWh
Energiemangel Energiemangel
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Unterdeckung 100TWh
Überschuss150 TWh
Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind
speichern
SolarWind
Sonstige
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
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!147kWh/Person
Winter Frühling Sommer Herbst
Die Leistung von Wind- und Solarenergie
schwankenWind
Sonne
*Lueder von Bremen, EWEC 2009
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
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
• 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
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
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
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Die Speicherkapazität
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
E = 2 π g ρ * r4
h=r
l=2r
rMasse ~ r³Maximale Höhe ~ r
Speicherkapazität:
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
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
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Abtrennung Bodenplatte
Bergmännische Ausräumung
Schräm-maschine
Abraumverstopfen
Seitenansicht
Abdichtung
Abdichtung
2. TunnelBasis-tunnel
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
Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht
2. Tunnel
Ursprünglicher Fels
Ausgebrochenes Material
Schram-Ma-
schine
Geschnittener Fels
Basistunnel
Aufsicht
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Abtrennung Bodenplatte
Abgetrennte Bodenfläche
Abdichtung
Abdichtung
2. TunnelAufgebrochenes Material
Basis-tunnel
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
Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen
1. Tunnel
traction
r
Geschnittene Fläche
Diamant Seilsäge
Fels
Bohrlöcher
Seitenansicht
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Aussenschacht
Aufgrund der Felsmechanik wird der Außenschacht V-Förmig geschnitten
16
Seilsägen
Seitenansicht
Versorgungs-tunnel
Ausgebrochenes Material
FelsenVersorgungs-
tunnel
ZylinderFels
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Schachtform
Aufgrund des Bergdrucks wird sich der Zylinder nach der Entlastung ausdehnen
17
Graben
Seitenansicht
Versorgungs-tunnel
Versorgungs-tunnel Ausgebrochenes
Material
Fels ZylinderBergdruck Bergdruck
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Abdichtung Seitenwände
Die Oberflächen des Gesteins werden mit wasserdichter Geomembran-Folie überzogen
18
Abdichtung
Seitenansicht
Versorgungs-tunnel
Versorgungs-tunnel Ausgebrochenes
Material
Fels Zylinder
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Heindl 2011
19
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
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
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Vier-Quadranten-Kontrolle
Zylinder
Niederdruck-dichtung
1 bar
x x
Niederdruck-dichtungNiederdruck-
dichtung
Hochdruck_dichtung
Pumpe
Zylinder Positionierung
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
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
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Radius [m] 62,5 125 250 500Durchmesser, Höhe [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 p [Bar] 26 52 103 206Druck oben [Bar] 20 39 78 157
Energie (Brutto)[GWh]
0,5 8 124
** 1.980
23
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
Technische Daten
Felswände
24Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck)
1000m
Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia)
80m
300m
Radius [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
25
Abhängigkeit vom Radius:• Energiedichte im Wasser wächst linear• theoretische Leistungsabnahme
wächst mit der 4. Potenz
r
V* Entspricht einer Absenkung des Bodensee um einen Meter** Typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland
Leistungsdaten
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Wasser - Generator
Radius [m] 62,5 125 250 500Energie (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
Anmerkung:• Leistung wird auf längere Zeiträume verteilt• Wasserablauf und Wasserzulauf
gegebenenfalls über Speichersee gedämpft
r
V G
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Preis [€/MWh]
Preisbildung
Oberes NiveauGrenze: Gasturbine
Unteres NiveauGrenze: Elektroheizung25
125
Mar
ge S
peic
her
Zone konventioneller Flexibilität
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
Wirkungsgrad von Speichern
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.
Pump-speicher
Batterien
DruckluftSpeicher
Power toGas
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Wirtschaftlichkeit: Mögliche Einnahmen
Radius [m] 62,5 125 250 500Energie [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
Wirtschaftlichkeit: Systemkosten*
Beispiel: 500m Radius, Nettokapazität: 1600GWh
GewerkPreis/
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
*Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur (Speicherkapazität)
Annahme: Preismarge 100 €/MWh
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Hybrider Lageenergiespeicher
PeltonTurbine
Kupplung Kupplung
Die Kombination eines Speichers mit Pelton-Turbine und einer Gasturbine an einem Generator ermöglicht die 100% Verfügbarkeit in einem Kapazitätsmarkt, unabhängig vom Speicherstand
LageenergieSpeicher
Gasnetz
Gasturbine
Stromnetz
Generator
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)
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Vielen Dank für Ihr Interesse!
Fragen?
www.Lageenergiespeicher.de
Top Related