Beitrag der Stülpmembranspeichertechnologie für den Strombedarf bei einer 100% regenerativen Versorgung der Metropolregion Nürnberg

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1 Energiekonferenz TH Nürnberg & N-Ergie Beitrag der Stülpmembranspeichertechnologie für den Strombedarf bei einer 100% regenerativen Versorgung der Metropolregion Nürnberg Referent: Kevin Gerstberger Kontakt:

2 Gliederung 1. Motivation 2. Die Stülpmembranspeichertechnologie Allgemeines / Aufbau Funktionsweise 3. Die Datenanalyse Rastergebietsauswahl Vergleich von Potential und Verbrauch 4. Positionierung und Dimensionierung Standortwahl Auslegung 5. Literatur und Quellenverzeichnis Kevin Gerstberger 1

3 Motivation Pariser Klimaabkommen Klimapakt der EMN 80 % CO 2 -Einsparung bis % regenerative Stromerzeugung Problem Fluktuierendes Energieangebot durch Wind und Solar Überbrücken der Defizitzeiträume Kevin Gerstberger 2

4 Die Stülpmembranspeichertechnologie Allgemeines / Aufbau Geotechnisches Speichersystem Patentiert von Dr. Matthias Popp (2013) Etliche Forschungsarbeiten zur Umsetzung einer Anlage Nutzung zur Speicherung von potentieller und Wärmeenergie Funktionsweise Hydraulisches anheben eines Erdkolbens durch Wasser 1.) Stülpmembran 2.) Erdkolben 3.) obere Druckzone 4.) untere Druckzone 5.) Pumpenturbine 6.) Generator 7.) Stützkörper 8.) Solarmodule Geringerer Platzbedarf durch höhere Dichte Abttrennen der Druckzonen durch die Stülpmembran Abbildung 1: Aufbau des Stülpmembranspeichers Datenquelle: Popp, 2013, [10] Energieumsetzung durch eine Pumpenturbine Kevin Gerstberger 3

5 Die Datenanalyse Rastergebietsauswahl Geographische Lage Ausgeglichenes Verhältnis zwischen Stadt- und Landgebiete Hochrechnen der Verbrauchs- und Erzeugungsdaten über das Einwohnerverhältnis Einwohner im Gebiet Menschen Abbildung 2: Google Earth mit EMN und MDN Gebietsoverlay Datenquellen: Google Earth (2018) [5], Europäische Metropolregion Nürnberg(2017)[4] & Main-Donau Netzgesellschaft(2018) [8] Kevin Gerstberger 4

6 Die Datenanalyse Vergleich von Potential und Verbrauch Tägliche Nutzung des Speichers ist Notwendig für den Ausgleich In den Wintermonaten gibt es einen Höheren Ausgleichsbedarf Mittleres Produktionspotential Maximale Leistungsaufnahme Maximales Leistungsabgabe Längster Defizitzeitraum Benötigte Speicherkapazität 892 MW 815 MW 310 MW 132 Stunden MWh Residu uallast [MW] Residuallastverhalten Zeitachse [h] Abbildung 3: Residuallastverhalten über Jahresstunden Datenquellen: Nasa(2018) [9], Main-Donau Netzgesellschaft (2017)[6,7,8] & Bayernwerk(2017)[3] Kevin Gerstberger 5

7 Positionierung und Dimensionierung Standortwahl Kluge Standortwahl erhöht die Wirtschaftlichkeit Kriterien für die Wahl: Speicherkapazität 10 GWh Bodenbeschaffenheit (kompakter Sand- und Kalkstein) Ausreichend Platzbedarf (ca.30 Hektar) Ist Netzanschluss / Infrastruktur Vorhanden Energieerzeugungsanlagen in der Nahe Gesellschaftliche und politische Akzeptanz Kevin Gerstberger 6

8 Positionierung und Dimensionierung Abbildung 4: Möglicher Standort Raitersaich Quelle: Google Earth (2018) [5] Abbildung 5: Geologische Übersichtskarte von Bayern Quelle: Bayerisches Geologisches Landesamt, 1994, Geologische Übersichtskarten [1] Kevin Gerstberger 7

9 Positionierung und Dimensionierung Abbildung 6: Allgemeine skizzenhafte Bemaßung des Stülpmembranspeichers Kevin Gerstberger 8

10 Positionierung und Dimensionierung Auslegung - Annahmen Tabelle 1: Festlegung / Annahmen für die Berechnung Festlegung / Annahme Formelzeichen Wert Einheit Dichte Wasser ρ w kg/m³ Dichte Untergrund ρ un kg/m³ Dichte Kautschuk ρ gu 960 kg/m³ Dichte Stahl ρ st kg/m³ Geforderte E gef MWh Speicherkapazität Spaltbreite S spalt 1 m Anteil über Erde x ue 15 % Betonwandbreite S beton 0,6 m Zulässige Zugspannung Ϭ zul,st 355 N/mm² Stahl Seitenbeiwert Bewehrung x sb 1 % Zulässige Zugspannung Ϭ zul,mem 35 N/mm² Membran Volumenanteil Stahl in der X st,mem 35 % Membran Zuschlag für die - 40 % Herstellung Festlegung / Annahme Formelzeichen Wert Einheit Maximale Speicherdauer t max 132 h Verbrauch pro Kopf P kopf 750 W/Kopf Abstand zwischen den z rohr 0,5 m Wärmerohren Durchmesser Wärmerohre d rohr 30 mm Wandstärke Wärmerohre s rohr 2,5 mm Spezifische Betonkosten /m³ Spezifische Stahlkosten /t Spezifische /t Kautschukkosten Spezifische - 22 /m² Grunderwerbskosten Spezifische /MW Kraftwerkskosten Spezifische Erdbaukosten - 5 /m³ Spezifische - 20 /m³ Spaltaushubkosten Kevin Gerstberger 9

11 Positionierung und Dimensionierung Auslegung - Ergebnisse Fazit: Ergebnisstabelle Herstellungskosten rund 340 Mio. Euro 40 Anlagen für die gesamte EMN notwendig Gesamtplatzbedarf 1200 Hektar (0,055% der EMN) Hoher Wirkungsgrad und Speicherkapazität Flexibles und platzsparendes Speichersystem kein saisonaler Ausgleichsspeicher zusätzliche Nutzung als Wärmespeicher möglich Zweistelliger prozentueller Anteil an der Stromspeicheraufgabe realistisch Tabelle 2: Ergebnisse für beispielhafte Auslegung Bezeichnung Formelzeichen Wert Einheit Geforderte E gef MWh Speicherkapazität Erdkolbenradius r k 154 m Gesamthöhe der Anlage h ges 360 m Gesamtflächenbedarf A ges 30 Hektar Kolbenabtriebskraft F ab MN Druck in der unteren Druckzone p u 32 bar Spaltaushubvolumen V spalt m³ Aushubvolumen V aushub m³ Höhe der Anböschung h bösch 56 m Bewehrungsgesamtmasse m bew t Kautschuk Gesamtmasse m gu t Gesamtvolumen Beton V beton m³ Tagesladungen t max 5,5 d Anzahl versorgbarer x person Menschen Wärmeanlagenlänge l schlau 319 km Kevin Gerstberger 10

12 Literatur und Quellenverzeichnis [1] Bayerisches Geologisches Landesamt, 1994, Geologische Übersichtskarten und Schriften, Aufgerufen am von F%27) [2] Bayernwerk, 2017, Netzkarte, Aufgerufen am von [3] Bayernwerk,2017, Netzstrukturdaten, Aufgerufen am von [4] Europäische Metropolregion Nürnberg, 2017, Karten, Aufgerufen am von [5] Google Earth, 2018 [6} Main-Donau-Netzgesellschaft, 2017, 17 Abs. 2 Nr. 3 Höchstentnahmelast, Excel-Datei, Aufgerufen am von [7] Main-Donau-Netzgesellschaft, 2017, 17 Abs. 2 Nr. 6 Dezentrale Netzeinspeisung je Netzebene, Excel-Datei, Aufgerufen am von [8] Main-Donau-Netzgesellschaft, 2017, Netzkennzahlen, Aufgerufen am von [9] Nasa, 2018, MERRA2-Datenbank, Aufgerufen am von [10] Popp, 2013, Stülpmembranspeicher Aufbau, Aufgerufen am von [11] Popp, 2013, Stülpmembranspeicher, Aufgerufen am von Kevin Gerstberger 11

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