lageenergiespeicher lehrertage-2013
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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 AGHeindl Energy GmbH i.G.
HochschullehrerHochschule FurtwangenLB Hochschule Geislingen
KontaktHochschule FurtwangenRobert-Gerwig-Platz 1D-78120 [email protected]
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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
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Power demand
Conventional sources
Solarenergie
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Vorhandene Speicherkapazität
speichern und
später nutzen
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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
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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)
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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
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• 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
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Hochschule FurtwangenHeindl 2011
Speicher für 7 Tage Pro Person 2,2 TonnenBleiakkumulatoren
Preis: 25.000€
unrealistisch
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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.€ !!
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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
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h=r
r
l=2r
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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
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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
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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
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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
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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
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Heindl 2011
28
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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
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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
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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
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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
Heindl 2012 41
Vielen Dank für Ihr Interesse!
Fragen?
www.Lageenergiespeicher.deHeindl 2012 42
Kontakt
Hochschule FurtwangenProf. Dr. Eduard HeindlRobert Gerwig Platz 178120 FurtwangenGermany+49 177 [email protected]
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