Lageenergiespeicher 12-12-2012 d

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 AGgeplant Heindl Energy GmbH

HochschullehrerHochschule FurtwangenLB Hochschule Geislingen

KontaktHochschule FurtwangenRobert-Gerwig-Platz 1D-78120 [email protected]


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

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


Unterdeckung 100TWh

Überschuss150 TWh

Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind

speichern

SolarWind

Sonstige


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


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

Solarstromproduktion• Folgerung: Strom-Speicherbedarf für globale

Energieproduktion wächst überproportional

• Energiespeicher sind DER Zukunftsmarkt!

Trend


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


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:


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

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.


Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht

2. Tunnel

Ursprünglicher Fels

Ausgebrochenes Material

Schram-Ma-

schine

Geschnittener Fels

Basistunnel

Aufsicht


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.


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

16

Seilsägen

Seitenansicht

Versorgungs-tunnel

Ausgebrochenes Material

FelsenVersorgungs-

tunnel

ZylinderFels


Schachtform

Aufgrund des Bergdrucks wird sich der Zylinder nach der Entlastung ausdehnen

17

Graben

Seitenansicht

Versorgungs-tunnel

Versorgungs-tunnel Ausgebrochenes

Material

Fels ZylinderBergdruck Bergdruck


Abdichtung Seitenwände

Die Oberflächen des Gesteins werden mit wasserdichter Geomembran-Folie überzogen

18

Abdichtung

Seitenansicht

Versorgungs-tunnel

Versorgungs-tunnel Ausgebrochenes

Material

Fels Zylinder


Heindl 2011

19


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


Vier-Quadranten-Kontrolle

Zylinder

Niederdruck-dichtung

1 bar

x x

Niederdruck-dichtungNiederdruck-

dichtung

Hochdruck_dichtung

Pumpe

Zylinder Positionierung


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


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


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


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.


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


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.


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


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


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


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

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Lageenergiespeicher 12-12-2012 d