Das Projekt Lageenergiespeicher LES
Das Projekt Lageenergiespeicher LES
Das Projekt Lageenergiespeicher LES
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Der <strong>Lageenergiespeicher</strong>:<br />
Lösung des Stromspeicher-Problems?<br />
Tour de Mayen<br />
Prof. Dr. rer. nat. Eduard Heindl Hochschule Furtwangen University,<br />
Progressia-Podium, Biel, 26. Februar 2013<br />
Tour d’Aï
Heindl 2013<br />
Installierte Solarenergie weltweit<br />
jp us<br />
au<br />
Welt 2012: 101GW<br />
de<br />
it<br />
fr<br />
2
Heindl 2012<br />
Wind<br />
Winter Frühling Sommer Herbst<br />
Solar<br />
schwanken<br />
Speicher für<br />
sieben Tage<br />
erforderlich!<br />
147kWh/Person<br />
3
Solarenergie<br />
Conventional sources<br />
Power<br />
demand
Vorhandene<br />
Speicherkapazität
Heindl 2013<br />
Speicherbedarf [de]<br />
Bundesnetz<br />
Agentur<br />
2012<br />
2010
Heindl 2012<br />
Platzbedarf für Speichersee<br />
Pumpspeicherkraftwerk<br />
Kapazität für 7 Tage<br />
Deutscher Strombedarf<br />
(15m² pro Einwohner)<br />
7
Heindl 2013<br />
Vorteile:<br />
Ringwallspeicher nach Popp<br />
• Konventionelle Technik<br />
• Bau mit Maschinen aus dem Braunkohleabbau möglich<br />
Nachteile:<br />
• Sehr große Landschaften<br />
müssen überflutet<br />
werden (
Heindl 2013<br />
Vorteile:<br />
• Geringer Flächenverbrauch<br />
• Nutzung alter Bergwerksschächte<br />
möglich<br />
Nachteile:<br />
• Energie ~ h²,<br />
sehr tiefe Schächte ~2000m nötig<br />
• Neubau von Schächten unrentabel<br />
• Pro Schacht nur 100MWh,<br />
etwa 1% eines normalen<br />
Pumpspeicherwerks<br />
Gravity Power<br />
Bild: http://meteolcd.wordpress.com/2011/04/21/energy-storage-for-intermittent-producers/<br />
9
Heindl 2013<br />
Vorteile:<br />
• Geringer Flächenverbrauch<br />
• Nutzung alter Bergwerke<br />
Nachteile:<br />
• Geringes Volumen<br />
• Wasser dringt in den Berg<br />
ein<br />
• Abdichtung sehr aufwendig<br />
• Wechsellast für Schächte<br />
problematisch<br />
Alte Bergwerke<br />
• Potenzial in Deutschland: max. 40GWh<br />
Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Beck<br />
<strong>Projekt</strong>leiter, Energie-Forschungszentrum Niedersachsen/<br />
10
Heindl 2012<br />
Grundprinzip des <strong>Lageenergiespeicher</strong>s<br />
Stromnetz r<br />
Pumpe<br />
und Turbine<br />
Verbindung<br />
o Bei niedrigen Strompreis: Wasser wird unter eine Felsmasse gepumpt<br />
o Die hydraulischen Kräfte heben die Felsmasse<br />
o Bei hohem Strompreis: Stromerzeugung mit Turbine + Generator<br />
2r<br />
E~r 4<br />
Wasservolumen<br />
h max=r<br />
11
Heindl 2012<br />
l=2r<br />
Wichtigster<br />
Vorteil<br />
Speicherkapazität<br />
r<br />
h=r<br />
Masse ~ r³<br />
Maximale Höhe ~ r<br />
Speicherkapazität:<br />
E = 2 π g ρ * r 4<br />
Kosten ~ r²<br />
Je größer der Radius, desto günstiger die<br />
Speicherung einer kWh (~1/r²)<br />
12
l=2r<br />
r<br />
h=r
Masse ~ r³<br />
Höhe ~ r<br />
Speicherkapazität:<br />
storage capacity:<br />
E = ~ 2 g * π m g ρ * h r4 Baukosten:<br />
b ~ r²<br />
l=2r<br />
Kosten per kWh~1/r²<br />
r<br />
h=r
Heindl 2012<br />
1. Tunnel<br />
Basistunnel/<br />
Wassereinlass<br />
Baustellenstraße<br />
Konstruktion<br />
Bohrtürme<br />
Bohrlöcher<br />
Schacht<br />
15
Heindl 2012<br />
Abtrennung Bodenplatte<br />
• Bergmännische Ausräumung<br />
Basis-<br />
tunnel<br />
Seitenansicht<br />
Abdichtung<br />
Abraum<br />
verstopfen<br />
Abdichtung<br />
Schräm-<br />
maschine<br />
2. Tunnel<br />
16
Heindl 2012<br />
Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht<br />
Basistunnel<br />
Ausgebrochenes<br />
Material<br />
Aufsicht<br />
Schram-<br />
Ma-<br />
schine<br />
Geschnittener<br />
Fels<br />
2. Tunnel<br />
Ursprünglicher<br />
Fels<br />
17
Heindl 2012<br />
Abtrennung Bodenplatte<br />
• Abgetrennte Bodenfläche excavated<br />
material<br />
Basis-<br />
tunnel<br />
Seitenansicht<br />
Abdichtung<br />
Abdichtung<br />
Aufgebrochenes<br />
Material<br />
2. Tunnel<br />
18
Heindl 2012<br />
Seitenwände mit Diamant-Seilsägen<br />
Geschnittene<br />
Fläche<br />
1. Tunnel<br />
Seitenansicht<br />
traction<br />
abtrennen<br />
r<br />
Fels<br />
Bohrlöcher<br />
Diamant<br />
Seilsäge<br />
19
Heindl 2012<br />
Aufgrund der<br />
Felsmechanik wird<br />
der Außenschacht<br />
V-Förmig geschnitten<br />
Aussenschacht<br />
Fels<br />
Versorgungstunnel<br />
Seitenansicht<br />
Seilsägen<br />
Versorgungstunnel<br />
Zylinder<br />
Felsen<br />
Ausgebrochenes<br />
Material<br />
20
Heindl 2012<br />
Aufgrund des<br />
Bergdrucks wird<br />
sich der Zylinder<br />
nach der Entlastung<br />
ausdehnen<br />
Schachtform<br />
Versorgungstunnel<br />
Graben<br />
Fels Zylinder<br />
Bergdruck Bergdruck<br />
Versorgungstunnel<br />
Ausgebrochenes<br />
Seitenansicht<br />
Material<br />
21
Heindl 2012<br />
Die Oberflächen des<br />
Gesteins werden mit<br />
wasserdichter<br />
Geomembran-Folie<br />
überzogen<br />
Abdichtung Seitenwände<br />
Versorgungstunnel<br />
Abdichtung<br />
Fels Zylinder<br />
Versorgungstunnel<br />
Ausgebrochenes<br />
Seitenansicht<br />
Material<br />
22
Heindl 2011<br />
23
Heindl 2012<br />
Die Abdichtung ist von zentraler Bedeutung<br />
Metall<br />
Abdichtung,<br />
um den Fels<br />
trocken zu<br />
halten<br />
Dichtungsring<br />
schwimmender<br />
Felszylinder<br />
Wasser im<br />
Zylinder-Hohlraum<br />
Felssicherung<br />
24
Heindl 2012<br />
Fels außen<br />
Dichtung<br />
Stahl<br />
Stahl<br />
Dichtung<br />
Gelenk für<br />
bewegliche<br />
Dichtung<br />
Podest<br />
Zylinder<br />
25
Heindl 2012<br />
rock<br />
Setup: Multi-sealing<br />
v<br />
v<br />
v<br />
v<br />
podest<br />
piston<br />
26
Heindl 2012<br />
Sicherheit<br />
<strong>Das</strong> System bekommt ein Sicherheitssystem das auf physikalischen Gesetzen beruht<br />
blähend unter<br />
Wasserberührung<br />
Blockade<br />
aufgrund hohen<br />
Durchflusses<br />
floating piston<br />
Wasser im<br />
Zylinder-Hohlraum<br />
1. Zusatz<br />
Dichtungsring<br />
2. Zusatz<br />
Dichtungsring<br />
27
Heindl 2012<br />
Technische Daten<br />
Radius [m] 62,5 125 250 500<br />
Druck [Bar] 26 52 103 206<br />
Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980<br />
Stromverbrauch<br />
1Tag<br />
Größe<br />
maßstäblich<br />
Wetzikon Bern 7-Tage Finnland CH<br />
Deutschland<br />
28<br />
Bildquelle: Wikipedia, Google earth
Heindl 2012<br />
300m<br />
Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck)<br />
Felswände<br />
80m<br />
1000m<br />
29<br />
Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia)
Heindl 2012<br />
Wasser - Generator<br />
Radius [m] 62,5 125 250 500<br />
Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980<br />
Wasserablauf 8h [m³/s] 27 213 1.704 13.635<br />
Wasserablauf 168h [m³/s](Woche) 1,3 10,1* 81 649<br />
Wasserablauf 720h [m³/s] (Monat) 0,3 2,4 19 152<br />
Turbine/Pumpe 8h [MW] 60 967 15.466 247.462<br />
Turbine/Pumpe 168h [MW](Woche) 3 46 736 11.784<br />
Turbine/Pumpe 720h [MW] (Monat) 1 11 172 2.750<br />
Anmerkung:<br />
• Leistung wird auf längere Zeiträume verteilt<br />
• Wasserablauf und Wasserzulauf<br />
gegebenenfalls über Speichersee<br />
gedämpft<br />
* Wasserentnahme Schluchseewerke am Rhein<br />
V<br />
r<br />
G<br />
30
Heindl 2012<br />
Radius [m]<br />
Wirtschaftliche Betrachtung<br />
Kapazität [GWh]<br />
Investitionskosten*<br />
[Mio.€]<br />
62,5<br />
0.5<br />
39<br />
125<br />
8<br />
131<br />
250<br />
125<br />
472<br />
500<br />
2000<br />
1,785<br />
Mögliche<br />
Einnahmen [Mio.€] 290 4.640 6.187 19.797<br />
Investment<br />
per kWh* [€]<br />
81<br />
17<br />
*Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur<br />
4<br />
0,90<br />
31
Heindl 2012<br />
Pilotprojekt<br />
Relativ kurzfristig möglich<br />
Aufbau im Rahmen einer<br />
Beckensanierung<br />
Option: Speichersanierung<br />
150 m<br />
1,2 GWh<br />
75m<br />
Bereits wirtschaftliche Größe<br />
Flächen verfügbar
Heindl 2012<br />
Zusammenfassung der Vorteile<br />
Speicherkapazität jenseits von 1000 GWh denkbar<br />
Effizienz: 80-85% bekannter Wert aus PSW<br />
Kein Resourcenproblem<br />
Kein Gebirge nötig<br />
Einfache Entsorgung<br />
Geringer Flächenbedarf (bis zu 2 MWh/m²)<br />
Weniger Wasserbedarf als PSW (~1/4)<br />
bekannte Technologien<br />
Preis fällt mit 1/r² (
Heindl 2012<br />
Vielen Dank für Ihr Interesse!<br />
Fragen?<br />
www.<strong>Lageenergiespeicher</strong>.de<br />
34
Hochschule Furtwangen<br />
Prof. Dr. Eduard Heindl<br />
Robert Gerwig Platz 1<br />
78120 Furtwangen<br />
Germany<br />
+49 177 2183578<br />
hed@hs-furtwangen.de<br />
www.lageenergiespeicher.de<br />
Kontakt<br />
35
Heindl 2012<br />
Übersicht Standortbedingungen<br />
• Geologische Bedingungen: möglichst kompaktes,<br />
einheitliches Gestein mit geringer Neigung zur Zerklüftung.<br />
Kein Gebirge erforderlich!<br />
• Hydrologische Bedingungen: Der <strong>Lageenergiespeicher</strong><br />
benötigt wie Pumpspeicher die Nähe zu einem Wasserzu- und<br />
Abfluss, jedoch keine großflächigen Ober- und Unterbecken. Nur ein<br />
Becken oder ein unterirdisches Wasserreservoir ist ausreichend.<br />
• Marktbedingungen: der <strong>Lageenergiespeicher</strong> arbeitet optimal<br />
in Stromnetzen und -märkten mit hohem Anteil erneuerbarer<br />
Energien, deren Kosten bei überschüssiger Erzeugung gering sind.<br />
Der <strong>Lageenergiespeicher</strong> eignet sich für den weltweiten Einsatz<br />
36
Heindl 2012<br />
Zusammenfassung (I) <strong>Lageenergiespeicher</strong><br />
• Speicherkapazität: sehr groß!<br />
Kein anderes Speicherkonzept weist eine derart große<br />
Speicherkapazität auf.<br />
• Wirtschaftlichkeit: durch die Tatsache, dass die<br />
Speicherkapazität mit dem Radius in der 4ten Potenz steigt, die<br />
Baukosten jedoch nur in der zweiten, wird der <strong>Lageenergiespeicher</strong><br />
mit zunehmender Größe günstig. Bei 500 Meter Radius 50 Mal<br />
günstiger als heutige Pumpspeicher.<br />
• Technologie: es werden bewährte und ausgereifte Technologien<br />
kombiniert, aber nicht neu „erfunden“.<br />
1. Bohr und Tunneltechnologie<br />
2. Dichtungsmechanik<br />
Marktführer der beiden Bereiche bestätigen die Machbarkeit<br />
37
Heindl 2012<br />
Zusammenfassung (II) <strong>Lageenergiespeicher</strong><br />
• Flächenbedarf: mit 0,5 m²/MWh sehr gering,<br />
zum Vergleich 50 m²/MWh bei Pumpspeichern<br />
• Wasserbedarf: rund ¼ des Bedarfs bei Pumpspeichern<br />
• Ökologie:<br />
– Eingriff in die Landschaft vergleichsweise gering<br />
– gehobener Zylinder verändert das Landschaftsbild<br />
nur zeitweise<br />
– kein Einsatz von Chemikalien notwendig<br />
• Akzeptanz: angesichts der obigen Vorteile ist mit einer<br />
vergleichsweise hohen Akzeptanz bei der Bevölkerung<br />
zu rechnen<br />
38
Heindl 2012<br />
Weitere Entwicklung<br />
• Investorensuche für Detailplanung (1. Halbjahr 2012)<br />
• Vorbereitung Forschungsverbund zur Klärung technischer Fragen<br />
zur Umsetzung; Begin in 2012<br />
• Suche nach Pilotstandorten im In- und Ausland (bis 2013)<br />
• Bauvorbereitung Pilotspeicher ab 2014<br />
• Erster kommerzieller Speicher: frühestens ab 2018<br />
Für Pilotvorhaben werden Energieversorger gesucht<br />
(möglichst als Konsortium)<br />
39
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