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

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1 Abschlussbericht energietechnisches Projekt Beitrag der Stülpmembranspeichertechnologie für den Strombedarf bei einer 100% regenerativen Versorgung der Metropolregion Nürnberg Kurztitel: Themenfeld: Versorgung der Europäischen Metropolregion Nürnberg mit Strom aus Speichertechnologien, welche aus 100 prozentig regenerativer Erzeugung aufgeladen werden und einen längeren Erzeugungsdefizitzeitraum überbrücken. Name: Matrikel-Nr.: Hochschule: Fakultät: Kontaktdaten: Gegengelesen von: Technische Hochschule Nürnberg Maschinenbau und Versorgungstechnik Schobdach 9, Wassertrüdingen Julian Ochsenkiel Nürnberg den

2 Inhaltliche Kurzbeschreibung des Projekts Die Projektarbeit soll den Beitrag von Stülpmembranspeichern bei der Speicherung von Energie im Stromsektor erforschen. Es wird dabei auf den nötigen Speicherbedarf der Metropolregion Nürnberg eingegangen. Dieser wird über die Bedarfs- und Potentialanalyse ermittelt und durch Gegenüberstellung dieser Analysen herausgearbeitet. Verwendet wurden dafür die Daten aus dem Jahr 2016 beziehungsweise Außerdem wird auf die Auslegung einer Anlage und die dazu gehörende Standortwahl eingegangen. Um den Umfang des Projekts dabei im Rahmen zu halten wurde nur ein Teilgebiet der Europäischen Metropolregion Nürnberg betrachtet. Für das Produktionspotential wurde der Anteil von Laufwasserenergie sowie Biomasseenergie als konstant betrachtet und bei Solar- und Windenergie von einem Mix von 30% Solar und 70% Wind ausgegangen. Die dabei versorgten Menschen wurden auf rund beziffert. Die Ergebnisse der Analysen und er Auslegung zeigen, dass bei der Vollversorgung der Metropolregion mit der Stülpmembranspeichertechnologie eine Gesamtflächenbedarf von rund 1200 Hektar nötig ist. Dies entspricht circa 0,055% der Fläche der EMN. Für den Strombedarf ergab sich im Mittel eine benötigte Leistung von 254 Megawatt. Die Erzeugung belief sich auf einen Mittelwert von rund 892 Megawatt. Dabei wurden auch die Tatsache betrachtet, dass der Speicher die Versorgung über eine längere Zeit, rund 132 Stunden, mit nur kleinen Ladephasen überbrücken muss. Der Speicher bietet dabei jedoch nicht die Kapazität zum saisonalen Ausgleich des Strommarkts. Außerdem wurde von einem optimalen Mix aus Wind und Sonne ausgegangen. I

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltliche Kurzbeschreibung des Projekts... I Abbildungsverzeichnis... III Tabellenverzeichnis... III Formelverzeichnis... III Abkürzungsverzeichnis... IV 1. Einleitung Problembeschreibung Daten und Fakten Zielsetzung Forschungsfragen Datenanalyse Rastergebietsauswahl Bedarfsanalyse Potentialanalyse Analyseabgleich Positionierung und Dimensionierung Standortwahl Auslegung einer Anlage Fazit Quellenangaben Anhang Bevölkerungszahl EMN Bevölkerungszahl Rastergebiet Gesteinsdichte nach FU Berlin II

4 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Aufbau des Stülpmembranspeichers... 3 Abbildung 2: Google Earth mit EMN und MDN Gebietsoverlay... 5 Abbildung 3: Ausgewähltes Rastergebiet mit MDN Gebietsoverlay... 6 Abbildung 4: Strombedarf im Rastergebiet über ein Jahr... 7 Abbildung 5: Stromerzeugungspotential im Rastergebiet als Tagesmittel... 8 Abbildung 6: Konträre Lastverläufe von Wind- und Solarenergie... 8 Abbildung 7: Residuallastverhalten über Jahresstunden... 9 Abbildung 8: Geologische Übersichtskarte von Bayern Abbildung 9: Möglicher Standort Raitersaich Abbildung 10: Möglicher Standort Niederndorf bei Burghasslach Abbildung 11: Allgemeine skizzenhafte Bemaßung des Stülpmembranspeichers Abbildung 12: Einsatzgebiete von Turbinen Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Ermittelte Bedarfsdaten aus dem Residualverhalten Tabelle 2: Festlegung / Annahmen für die Berechnung Tabelle 3: Ergebnisse für beispielhafte Auslegung Formelverzeichnis (1) Nutzenergie... 2 (2) Kolbenenergie (3) Kolbenvolumen (4) Kolbenenergie mit Kolbenvolumen (5) Wasservolumen (6) Wasserenergie (7) Effektivenergie (8) Effektivenergie mit Radius zu Längen Verhältnis (9) Kolbenradius (10) Gesamtflächenbedarf (11) Außenzylinder Querschnittsfläche (12 Druck in unterer Druckzone (13) Kolbenabtriebskraft III

5 Abkürzungsverzeichnis Zeichen Bezeichnung Einheit NASA National Aeronautics and - Space Administration MERRA 2 Modern Era - Retrospectiveanalysis for Research and Application 2 EMN Europäische - Metropolregion Nürnberg MDN Main-Donau- - Netzgesellschaft RG Rastergebiet - MW Megawatt - kv Kilovolt - GWh Gigawattstunden - h Stunden - MWh Megawattstunden - tdef Defizitzeit h d Tag - Pzu Leistungsaufnahme MW Pab Leistungsabgabe MW π PI - g Gravitationskonstante m/s² E Energie J Eeff Effektivenergie J Ew Energie des Wassers J Ek Energie des Kolbens J Vw Volumen des Wassers m³ Vk Volumen des Kolbens m³ hk Hub des Kolbens m hw Hub des Wassers m ρk Dichte des Kolbens kg/m³ ρw Dichte des Wassers kg/m³ PWEA Leistung der W/m² Windenergieanlagen PSEA Leistung der W/m² Solarenergieanlagen Poly Polynom - ƞges Gesamtwirkungsgrad % lz Länge des Zylinders m rk Radius des Kolbens m Ages Gesamtfläche m² IV

6 1. Einleitung Die Energiewende ist im vollen Gange und spielt eine zunehmend größere Rolle. Vorallem in Industrie- und Bevölkerungsstarken Gebieten, wie die Europäische Metropolregion Nürnberg. Im Zuge des internationalen Parisers Klimaabkommens, welches das Ziel hat, die weltweite Erderwärmung auf unter zwei Grad zu begrenzen, hat sich auch die Bundesrepublik Deutschland dazu verpflichtet verbindlich CO 2 einzusparen (vgl. BMWI, Abkommen von Paris). Aufgrund dessen beschloss die Metropolregion Nürnberg im Januar 2012 einen Klimapakt. Dieser sieht die Einsparung von 80 Prozent der CO 2 -Emmisionen bis 2050 vor (vgl. Heymann, 2015, Aktualisierung der Endenergiebilanz der Europäischen Metropolregion Nürnberg 2013, S.8), zudem soll eine 100 prozentig regenerative Stromerzeugung erfolgen. Aus diesem Grund, sollen von den energietechnischen Maschinenbaustudenten der Technischen Hochschule Nürnberg Forschungen in unterschiedlichen Bereichen des Energiemanagements und der CO 2 -Einsparung betrieben werden, um Informationen für eine optimale Umsetzung dieser Ziele zu generieren. Sie bearbeiten Themen wie eine Intelligente Stromversorgung durch Block-Chain-Systemen, CO 2 -Ersparnis im Mobilitätssektor, oder die Potentialanalyse von Windkraftwerken und erstellen mögliche Konzepte, wie die die Versorgung aus regenerativen Energien und die Emissionseinsparung realisiert werden können. Ein weiteres Thema dieser energietechnischen Projektarbeiten widmet sich dem Beitrag der Stülpmembranspeichertechnologie im Stromsektor. Dabei soll ermittelt werden, welchen Bedarf an Speicherkapazität die Metropolregion bei einer prozentigen Versorgung aus regenerativen Energien besitzt und wie eine Anlage umzusetzen wäre Problembeschreibung Eine große Problematik bei der vollständigen Versorgung aus regenerativen Energien ist das inkonstante Angebot dieser. Zwar sind Biomasse- und Laufwasseranteile annähernd konstant über das ganze Jahr hinweg, jedoch fluktuiert das Angebot von Energie aus Photovoltaik und Windkraftanlagen stark. Zudem bestehen saisonale Produktionsunterschiede, bei welchen ein Ausgleichsbedarf besteht. Durch einen intelligenten Mix aus Wind- und Solarenergie, die sich jahreszeitlich betrachtet konträr Verhalten, kann der Speicherbedarf zwar weitestgehend minimiert werden, jedoch kommt es trotzdem zu Zeiträumen, an denen ein Defizit zwischen Erzeugung und Verbrauch auftritt. Diese Zeitspannen müssen aus Überschüssen von ertragreicheren Perioden überbrückt werden. Geotechnische Speichersysteme zur Speicherung von Potentialenergie sind hierbei eine bewährte Strategie. Die Stülpmembranspeichertechnologie könnte eine weitere Lösung der Problematik im Bereich geotechnischer Energiespeicherung sein und soll deshalb in dieser Arbeit untersucht werden. 1

7 1.2. Daten und Fakten Die Metropolregion weist eine Fläche von rund Quadratkilometer und eine Einwohnerzahl von circa 3,5 Millionen auf und das Bruttoinlandsprodukt beträgt rund 129 Mrd. (vgl. Europäische Metropolregion Nürnberg, 2017, Daten und Fakten). Der Stromverbrauch in der EMN beträgt im Jahr 2013 ca. 21,35 Millionen Megawattstunden (...),wobei in diesem Wert auch der private und industriell-gewerbliche Stromverbrauch enthalten ist (Heymann, 2015, S.36). Die Speicherung von potentialer Energie mithilfe von Pumpspeichern kommt seit Anfang des 20. Jahrhunderts zum Einsatz (...) [und] besitzen heute mit Abstand das größte Speicher und Leistungsvermögen (Sterner & Stadler, 2017, Energiespeicher, S.520). Die potentielle Energie ist dabei das Produkt aus dem Volumen (V) des gespeicherten Mediums, der Dichte (ρ) des Speichermediums, der Erdbeschleunigung (g) und der Höhendifferenz (Δh). Hierzu kommt noch der Gesamtwirkungsgrad (ƞ ges ). Die erzeugbare Leistung (P) ist dabei die zeitliche Ableitung der Energie (E nutz ) (vgl. Sterner, 2017, S ). Eine Tonne Wasser auf 410 Meter angehoben generiert bei einen Turbinenwirkungsgrad von 90% rund eine Kilowattstunde elektrische Leistung. = ƞ =1000kg 9,81 ² 410m 0,9 = 1,005kWh ( mit g = 9,81 ² ) (1) Bei der Stülpmembranspeichertechnologie wird die Speicherung der Energie durch das hydraulische Anheben eines Kolbens aus Untergrundmaterial durch ein flüssiges inkompressible Medium wie Wasser realisiert. Durch die höhere Dichte von Gesteinen (ρ mittel = 2,6 kg/l) und Beton (ρ = 2,4-2,8 kg/l) als bei Wasser ( = 1 kg/l ) ergibt sich eine größere Energiekapazität bei gleichem Volumen. Die Abbildung 1 zeigt den Aufbau des Stülpmembranspeichers. Der Speicher besitzt zwei Kammern, eine Druckseite (4) unterhalb des Erdkolbens (2) und eine obere Druckzone (3) mit statischen Druck. Die Kammern werden durch den Erdkolben und die Stülpmembran (1) voneinander getrennt. Die ganze Anlage befindet sich dabei platzsparend unter der Erdoberfläche und kann dezentral realisiert werden. Die Energieumsetzung wird durch eine Pumpenturbine (5) und einen Generator (6) realisiert. Zudem bietet der Speicher, durch installieren von PV-Anlagen (8) auf seiner Oberseite, die Möglichkeit selbst zur Stromerzeugung beizutragen. Die Stülpmembranspeichertechnologie ist ein modernes Verfahren und wurde erst vor einigen Jahren von Herrn Prof. Dr. Ing. Matthias Popp patentiert. Es wurden seither etliche Projekt- und Bachelorarbeiten zur technischen Realisierung und zu Gefahrenpotentiale, mit Rat und Assistenz von Herrn Popp erstellt und auf seiner Homepage der Technischen Hochschule Nürnberg veröffentlicht. (Vgl. Popp, 2013, Stülpmembranspeicher) 2

8 1.) Stülpmembran 2.) Erdkolben 3.) obere Druckzone 4.) untere Druckzone 5.) Pumpenturbine 6.) Generator 7.) Stützkörper 8.) Solarmodule Abbildung 1: Aufbau des Stülpmembranspeichers Datenquelle: Popp, 2013, 2013 [23] 1.3. Zielsetzung Das Ziel der Arbeit ist die Erforschung, welchen Beitrag die Stülpmembranspeichertechnologie bei der Energiespeicherung im Stromsektor leisten kann und welches Speichervolumen bei einer 100 prozentigen regenerativen Versorgung nötig ist. Dabei soll die Speicherkapazität auch einen längeren Zeitraum überbrücken und die Metropolregion Nürnberg mit ausreichend Strom versorgen können. Desweiteren werden mögliche, sinnvolle Standorte ermittelt. ermittelt. Zusätzlich soll eine Anlage beispielhaft ausgelegt werden. 2. Forschungsfragen Welche Erzeugungsdefizitzeiträume sind aus historischer Sicht maximal zu erwarten? Welche Speicherkapazität würde die regenerative Selbstversorgung der Metropolregion Nürnberg erfordern? Was sind sinnvolle Standorte in der Metropolregion? Metropolre Welche LeistungsaufnahmeLeistungsaufnahme und Abgabevermögen wäre vorzusehen? Wie müsste eine Anlage ausgelegt werden? 3

9 3. Datenanalyse Die Analysen von Verbrauchs- und Erzeugungsdaten bilden die Basis, um den Beitrag der Stülpmembranspeichertechnologie in der Metropolregion Nürnberg ermitteln zu können. Sie werden im Analyseabgleich miteinander aufgewogen und durch diesen Vergleich die theoretisch maximal benötigte Speicherbedarf sowie Defizitzeitraum ermittelt. Die Potenzialanalyse soll dabei die möglichen Erträge von Strom aus einem bestimmen Mix von Wind- und Solarenergie bestimmen. Diese wird in einem vorher ausgewählten Rastergebiet innerhalb des Bereichs der Metropolregion durchgeführt. Außerdem fliest die Stromproduktion durch Wasserkraft und Biomasse mit ein. In der Bedarfsanalyse wird der benötigte Strombedarf des gleichen Rastergebiets ermittelt Rastergebietsauswahl Um den Arbeitsumfang in einem angemessenen Rahmen zu halten, wird wie bereits erwähnt, nur ein Rastergebiet der Metropolregion betrachtet. Dazu wird als Erstes in Google Earth das Raster der MERRA2 Datenbank der NASA eingefügt, was die Abbildung 2 zeigt. Zudem werden die Gebiete der EMN (grau) und der Main-Donau-Netzgesellschaft (gelb) als ein Overlay eingefügt, um diese leichter erkennen zu können. Die Einteilung von MERRA2 orientiert sich dabei an den Längen- und Breitengrade der Erde und ein Gebiet wird immer durch seine Mittelpunktskoordinate beschrieben. Für diese Arbeit wurde das rot umrahmte Gebiet westlich von Nürnberg ausgewählt. Es besitzt die Koordinaten Ost und Nord in seinem Zentrum. Es wurde erkoren, da es komplett in der Metropolregion liegt und die benötigten Strombedarfswerte und Erzeugungspotentiale gut zu ermitteln sind. Zudem besitzt es ein ausgewogenes Verhältnis von Stadt- und Landgebieten, was für die Standorte von Wind- und Solarenergieanlagen und damit für die Erzeugung von regenerativen Strom ein Kriterium darstellt. Eine Möglichkeit die analysierten Werte hochzurechnen, ist die Verhältnisumrechnung über Flächen. Jedoch sind die zu erwartenden Ergebnisse aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung von Industrie und Ballungsgebieten unzureichend genau. Die Umrechnung über das Einwohnerverhältnis ist eine weitere Variante, diese birgt ebenfalls eine gewisse Ungenauigkeit, ist aber immer noch die geeignetere Methode. Das liegt daran, dass zumeist die Bevölkerungszahl und Industriestandorte miteinander gekoppelt sind. 4

10 Abbildung 2: Google Earth mit EMN und MDN Gebietsoverlay Datenquellen: Google Earth (2018) [21], Europäische Metropolregion Nürnberg(2017)[20] & Main-Donau Netzgesellschaft(2018) [22] Nach der Genesis Online Datenbank des Bayerischen Landesamt für Satistik und der Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie hat die Metropolregion eine Gesamtbevölkerungszahl von Einwohnern zum Stichtag (Anhang 8.1.). Das ausgewählte Raster misst dabei eine Anzahl von Menschen (Anhang 8.2.), was 8,4% der EMN entspricht. [2, 16] 3.2. Bedarfsanalyse Für die Ermittlung des benötigten Strombedarfs muss das ausgewählte Rastergebiet näher betrachtet werden. Die Abbildung 3 zeig es nochmals vergrößert mit dem Overlay des Main-Donau- Netzgebiets. In dem Bereich übernimmt zum größten Teil die Main-Donau-Netzgesellschaft (gelb unterlegtes Areal) die Versorgungsarbeit. Neben Ihr wird der Nordosten durch die Netzdienste Oberfranken des Bayernwerks versorgt, was hier durch den lilafarbenen Rahmen dargestellt ist. Desweiteren gibt es noch mehrere Ort welche durch kleinere Versorger ihren Strom beziehen, wie Ansbach, Bad Windsheim und Herzogenaurach. Diese werden jedoch Aufgrund der Verbrauchsdatenerreichbarkeit den zwei großen Gebieten zugerechnet. Herzogenaurach und Obermichelbach werden dem Bayernwerk zugezählt, die Anderen der MDN. 5

11 Abbildung 3: Ausgewähltes Rastergebiet mit MDN Gebietsoverlay Datenquellen: Google Earth (2018) [21], Europäische Metropolregion Nürnberg(2017) [20], Main-Donau Netzgesellschaft(2018) [22] & Bayernwerk (2017)[19] Das Bayernwerk versorgt in seinem Netzgebiet Einwohner (Bayernwerk, Netzstrukturdaten) und die Main-Donau-Netzgesellschaft Bewohner (Main-Donau- Netzgesellschaft, Netzkennzahlen). Daraus ergeben sich die Einwohnerverhältnisse zum Rastergebiet von 0,01571 für das Bayernwerk und 0,1671 für die EMN. Mit Hilfe dieser Verhältniskennzahlen kann der Stromverbrauch der Netzversorger und somit des ausgewählt Rasters ermittelt werden. Die verwendeten Verbrauchsdaten beruhen auf den Pflichtveröffentlichungen nach 17 Abs. 2 Nr. 2 und 6 der Netzbetreiber. Die Abbildung 4 zeig den Lastverlauf im Strombedarf über ein Jahr hinweg. Der mittlere Verbrauch liegt bei 254,34 MW. Auch zu erkennen ist, dass die Last in den Wintermonaten zunimmt und bis auf ein Maximum von rund 350 MW ansteigt. Im Sommer hingegen fällt sie auf ihr Minimum von rund 165 MW in der Lastphase. Wird der Lastverlauf näher betrachtet, ergeben sich die Minima als Wochenenden. 6

12 Leistung [MW] Strombedarf im Rastergebiet Zeitachse Abbildung 4: Strombedarf im Rastergebiet über ein Jahr Datenquelle: Main-Donau Netzgesellschaft(2017)[12,13,14] & Bayernwerk(2017)[4] Rechnet man den mittleren Verbrauch auf die gesamte Metropolregion hoch ergibt sich ein Wert von 3,027 Gigawatt Potentialanalyse Für die Analyse des aus regenerativen Energien erzeugbaren Stromangebots werden unter anderem die MERRA2 Daten, sowie Daten des Energieatlas Bayern herangezogen. Die Produktion von Biomasseanlagen wird dabei durch das Recherchemodul des Kartenteils des Energieatlas ermittelt. Verwendet wurde das letzte verfügbare Jahr, was 2016 ist. Da in der restlichen Potentialbetrachtung das Jahr 2017 herangezogen wird, könnte es zu kleineren Abweichungen kommen, jedoch wird aufgrund der Unabhängigkeit von Wetterlagen von einer nahezu Konstanten Produktion ausgegangen, weshalb dieser Fehler nicht ins Gewicht fällt. Die Erzeugungswerte sind dabei die Stromproduktion in MWh und die zugehörigen Volllaststunden des Jahres (2016) angegeben und werden damit auf einen durchschnittliche Produktion von 74,786 Megawatt umgerechnet. Die Potentialdaten für Wind- und Solarenergie werden aus der entsprechenden Versorgungsanalyse der Kommilitonen Julian Ochsenkiel und Florian Fichtner entnommen. Das Leistungspotential von Wasserkraft wird aus der Plichtveröffentlichung EEG-Kennzahlen der MDN entnommen und auf das Rastergebiet über das Einwohnerverhältnis hoch gerechnet. Die installierte Leistung liegt hier bei 0,805 MW. Die Abbildung 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Erzeugungspotentials in mittleren Tagesleistungen. Die Anteile von Biomasse und Wasserkraft werden dabei als konstant angenommen, Windkraft und Solarenergie stehen in einem Verhältnis von 70% Wind und 30% Sonne zueinander. Zu erkennen ist auch, dass die großen Erzeugungsspitzen von der Solarenergie ausgehen. Die Graphik 6 zeigt die stündlich erzeugte Leistung von Wind und Solar über ein Jahr hinweg. Zudem enthält es Polynomische Trendlinien des Verlaufs. 7

13 Stromerzeugungspotential aus erneuerbaren Energien in Tagen Summe Biomasse Wasserkraft P-Wind P-Solar 600 Erzeugte Leistung [MW] Zeitachse Abbildung 5: Stromerzeugungspotential im Rastergebiet als Tagesmittel Datenquellen: Nasa (2018) [15], Energieatlas Bayern [7] & Main Donau Netzgesellschaft (2017) [11] Leistung [MW] Lastverlauf Wind und Solar PWEA Wind [MW] PSEA [MW] Poly. (PWEA Wind [MW]) Poly. (PSEA [MW]) Zeitachse [h] Abbildung 6: Konträre Lastverläufe von Wind- und Solarenergie Datenquelle: Nasa, 2018, MERRA2 Daten [15] 8

14 Die Stunden der Zeitachse stellen dabei die fortlaufenden Stunden des Jahres dar, beginnend am um 0.00 Uhr. Zu sehen ist, dass die Produktion durch die Sonneneinstrahlung in den Sommermonaten bedeutend zunimmt, in den kalten Monaten jedoch eher der Wind für die Stromerzeugung sorgt. Dies zeigen auch die gegenläufigen polynomen Trendlinien für Wind (grün) und Solar (rot). Die mittlere Produktionsleistung beträgt 892 MW Analyseabgleich Im weiteren Schritt wird aus dem Erzeugungspotenzial und dem Verbrauch die Differenzlast gebildet. Die Abbildung 7 zeigt das zeitliche Verhalten über die Jahresstunden hinweg. Eine negative Residualleistung bedeutet dabei ein Überschuss in der Stromproduktion und somit Ladephasen für einen Speicher, positive Zeiträume hingegen beschreiben den Bedarf und somit die Entladung. Differenzlast [MW] Differenzlastverhalten Zeitachse [h] Abbildung 7: Residuallastverhalten über Jahresstunden Datenquellen: Nasa (2018) [15], Main-Donau Netzgesellschaft (2017)[12,13,14] & Bayernwerk(2017)[4] Aus der Residuallast und seinem Verlauf lassen sich jetzt Größen wie das Maximale Leistungsauf- und abgabevermögen ermitteln. Zudem können Werte wie zum Beispiel das benötigte Speichervolumen errechnet werden. Die Tabelle 1 zeigt alle aus dem Residualverhalten generierten Daten für das Rastergebiet. 9

15 Tabelle 1: Ermittelte Bedarfsdaten aus dem Residualverhalten Maximales Aufnahmevermögen P zu [MW] 814,53 Maximales Abgabevermögen P ab [MW] 309,15 Maximal zu erwartender Defizitzeitraum t def [h] 132 Maximal zu erwartender Defizitzeitraum t def [d] 5,5 Speicherkapazität für diesen Zeitraum [MWh] Genutzte Gesamtzeit in einen Jahr t nutz [h] 4714 Die Speicherkapazität ist dabei das Produkt aus dem maximalen Defizitzeitraum in Stunden und der mittleren Verbrauchsleistung. Auch wenn die Zeitreihe der Residualleistung genauer, auch über kleinere Ladephasen hinweg, betrachtet wird, ergeben sich keine größeren nötigen Speichervolumen. Dies liegt unter anderem daran, dass die Erzeugung nie ganz ausbleibt und damit den Bedarf zu einen Anteil mit deckt. Das hier vereinfacht angesetzte Volumen weist deshalb auch eine Reserve von rund 3500 MWh zur präziseren Betrachtung auf. Der Nutzungsgrad der Anlage liegt bei ca. 53 %. Rechnet man den Speicherbedarf der 132 Stunden auf die gesamte Metropolregion über das Einwohnerverhältnis hoch, so ergibt sich ein Wert von rund 400 Gigawattstunden. 10

16 4. Positionierung und Dimensionierung Stülpmembranspeicher gehören zu der Gruppe der mechanischen Energiespeicher mit festen Speichermedien. Damit besitzen sie im Vergleich mit normalen Pumpspeicherwerken ein höheres Speichervolumen bei gleichem Flächenbedarf. Im Folgenden werden neben der Standortwahl noch weitere Kennwerte eines Speichers rechnerisch Dargelegt Standortwahl Die Wahl eines Standortes ist ein nicht außer Acht zu lassender Abschnitt in der Auslegung einer Anlage. Denn durch das Auswählen eines sinnvollen Ortes können wesentlich Kosten im Bau eingespart werden, was zu einer besseren Wirtschaftlichkeit führt. Im folgenden sind einige Kriterien aufgezählt, welche dies unterstützen sollen. Bodenbeschaffenheit - optimal ist Gestein mit ebener Schichtung und wenig Zerklüftungen wie kompakte Sand- und Kalksteine (Sterner, 2017, S.567) Anschlussmöglichkeiten - ist ausreichend Infrastruktur Elektrizitätsnetz vorhanden? (z.b. Im 110 kv Netz, Umspannwerke in der Nähe) Platzbedarf - gibt ausreichend Fläche? Sind gesperrte Gebiete wie Naturschutzgebiete oder militärische Sperrgebiete vorhanden? ggf. die Nähe zu Energieerzeugungsanlagen Gesellschaftliche und politische Akzeptanz - Gibt es Widerstände gegen einen möglichen Bau? Ggf. die Nähe zu einem Nahwärmenetz um die Wärmespeicherkapazität mit zu nutzen. Die wichtigsten Punkte sind dabei die Beschaffenheit des Bodens, der Platzbedarf sowie die Einstellung der Gesellschaft und Politik. Die Position von Umspannwerken kann unter anderem über den Kartenteil des Energieatlas Bayern ermittelt werden. Über die Internetseite des Landesamt für Umwelt in Bayern kann durch den Reiter Bezug und der Verlinkung zum Bayernatlas die Naturschutzgebiete sowie andere Schutzgebiete in diesen geladen werden. Zudem stellt es geologisches Kartenmaterial des Bayerischen Geologischen Landesamts zur Verfügung, die Abbildung 8 zeigt hierzu die Übersichtskarte für die Bodenbeschaffenheit in Bayern. Die Freie Universität stellt auf Basis verschiedener Quellen eine Liste von Gesteinsdichten zur Verfügung, welche im Anhang 8.3 zu finden ist. Die Bestimmung der benötigten Freifläche für einen Stülpmembranspeicher wird dabei durch Google Earth vorgenommen, indem ein Kreis mit benötigten Flächenbedarf eingefügt wird und die entsprechenden Gebiete nach einer geeigneten Position auf unbesiedelten Areal absucht. Als Faustformel gilt hier für die Speicherkapazität von 10 Gigawattstunden ein Flächenbedarf von 30 Hektar und einen Radius von 310 Metern. 11

17 Abbildung 8: Geologische Übersichtskarte von Bayern Quelle: Bayerisches Geologisches Landesamt, 1994, Geologische Übersichtskarten [18] Über die Akzeptanz lässt sich zum Zeitpunkt der Arbeit keine Aussage machen, deshalb ist dieser Aspekt bei den vorgeschlagenen Standorten nicht berücksichtigt. Genauso werden die Nahwärmenetze aufgrund der Themenstellung nicht mit einbezogen. Die Abbildungen 9 und 10 zeigen zwei mögliche Standorte für einen Stülpmembranspeicher mit einer Speicherkapazität von 10GWh. Der Erste liegt in Raitersaich nahe Buchschwabach im Landkreis Fürth. Hier sind die beiden Umspannwerke Raitersaich und Müncherlbach angesiedelt und zudem eine große Anzahl an Photovoltaikanlagen sowie mehrere Windkraftanlagen. Der Zweite befindet sich in Niederndorf bei Burghaslach im Landkreis Neustadt Aisch - Bad Windsheim. Auch hier befinden sich Solarenergieanlagen in der Nähe, zudem liegen in einen Umkreis von 10 km 18 Windräder. Über das Umspannwerk Niederndorf kann das Speicherkraftwerk versorgt werden. Beide befinden sich im Gebiet von Sandstein- bzw. Gipskeuper was eine Dichte von kg/m³ ausweist. 12

18 Abbildung 9: Möglicher Standort Raitersaich Quelle: Google Earth (2018) [21] Abbildung 10: Möglicher Standort Niederndorf bei Burghasslach Quelle: Google Earth (2018) [21] 13

19 4.2. Auslegung einer Anlage Für die Auslegung einer Anlage ist wichtig zu wissen, dass das Arbeitsvermögen in Form von potentieller Energie des Erdkolbens gespeichert wird, welcher um eine bestimmte Höhe hydraulisch angehoben wird. Das Wasser dient hier lediglich als Arbeitsmedium. Die Kolbenenergie ergibt sich als = h (2) Der Kolben beschreibt zwei zusammen gesetzte Körper, einen Zylinder mit einer Halbkugel am unteren Ende, mit dem Volumen " =#$ % & ' (+ 2 3 & $, Der Hub - wird dabei auf. / festgelegt. Damit ergibt sich für die Energiegleichung des Kolbens (3) = 0$ % & ' ²+ 2 3 & $, ' 1 (4) Nicht genutzt werden kann die potentielle Energie 2 des Wassers, welches von unterhalb des Erdkolbens über diesen gepumpt wird, bezogen auf seinen Schwerpunkt. Zusammen mit dem Wasservolumen " 2 = $ % & ' Und dem Hub - 2 von 1. / folgt = $ % & ' ² (5) (6) Aus der Wasserenergie und die Energie des Kolben setzt sich die effektive nutzbare Speicherenergie 344 = & ' $ % 0 0' $ 1 ' 1 zusammen. Mit dem Verhältnis. / = ergibt sich (7) 344 = & 4 9 $ 9 #2 ( (8) 14

20 Somit kann der Radius bestimmt werden als ; $ = : 4 & #2 ( Damit ist die Länge. / sowie die Hübe - und - 2 ebenfalls bestimmbar. (9) Der Flächenbedarf < =>? des Speichers ist vereinfacht betrachtet die Kreisfläche des Kolbens, zusätzlich wird der Radius verdoppelt um genügend Platz für Aushubmaterial zu gewährleisten. Der Gesamtflächenbedarf errechnet sich A3 =4$ ² & (10) Die Querschnittsfläche A za des Außenzylinders wird mit dem Kolbenradius r k und der Spaltbreite s B =#C+$ (² & (11) Der Druck in der unteren Druckzone p du berechnet sich aus dem Schweredruck des Kolbens und dessen Auftriebs D E =# ( #' $ ( Damit resultiert eine Kolbenabtriebskraft F ab von (12) F BG = D B Für weitere Bestimmungen von werden Berechnungsgrundlagen der Geometrie verwendet. (13) Die Abbildung 11 zeigt skizzenhaft die wichtigsten Bemaßungen der Anlagen. Die Maße sind dabei allgemein gehalten. 15

21 Abbildung 11:: Allgemeine skizzenhafte skizzenhafte Bemaßung des Stülpmembranspeichers Beispielhafte Auslegung Für das ausgewählte Rastergebiet wurde ein Stülpmembranspeicher beispielhaft berechnet und die Ergebnisse in der Tabelle 3 zusammengefasst. Das Hauptkriterium für den Speicher ist eine Kapazität von Megawattstunden. Megawattstunden Auf dieser Bedingung sollen Flächenbedarf, Volumen, Massen, der effektiv nutzbare Druck sowie Abtriebskraft bestimmt werden. Zudem werden die Herstellungskosten osten der Anlage abgeschätzt und auf die versorgbaren Einwohner beziehungsweise auf die Kilowattstunde umgelegt. Als weitere Bedingung für den Speicher ist die, in dem Punkt 4.2 (Analyseabgleich Analyseabgleich) bestimmte maximale Speicherkapazität von 132 Stunden. Die Dichte des Kolbens wird wie unter dem Punkt 5.1 (Standortwahl) beschrieben, mit einen Wert von 2600 kg/m³ ermittel. Des Weiteren wurden verschiedene Annahmen getroffen sowie Werte festgelegt, welche in Tabelle 2 aufgelistet sind. 16

22 Tabelle 2: 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 Speicherkapazität E gef MWh Spaltbreite S spalt 1 m Anteil der Stützkörperfläche x stütz 20 % Kantenlänge Stützkörper l stütz 2,5 m Höhe Stützkörper h stütz 1,8 m Anteil über Erde x ue 15 % Betonwandbreite S beton 0,6 m Zulässige Zugspannung Stahl Ϭ zul,st 355 N/mm² Seitenbeiwert Bewehrung x sb 1 % Annahme Bewehrung Halbkugel a bew,hk 120 kg/m³ pro Kubikmeter Annahme Bewehrung Stützkörper a bew,stütz 120 kg/m³ pro Kubikmeter Zulässige Zugspannung Membran Ϭ zul,mem 35 N/mm² Volumenanteil Stahl in der X st,mem 35 % Membran 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 Kautschukkosten /t Spezifische Grunderwerbskosten - 22 /m² Spezifische Kraftwerkskosten /MW Spezifische Erdbaukosten - 5 /m³ Spezifische Spaltaushubkosten - 20 /m³ Zuschlag für die Herstellung - 40 % Nachfolgend werden die Ergebnisse der beispielhaften Auslegung in Tabelle 3 wiedergegeben. 17

23 Tabelle 3: Ergebnisse für beispielhafte Auslegung Bezeichnung Formelzeichen Wert Einheit 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 Anzahl der Stützkörper a stütz Bewehrungsgesamtmasse m bew t Kautschuk Gesamtmasse m gu t Gesamtvolumen Beton V beton m³ Tagesladungen t max 5,5 d Anzahl versorgbarer Menschen x person Wärmeanlagenlänge l schlau 319 km Werden die Ergebnisse noch mit den spezifischen Kosten verrechnet, so ergeben sich Herstellungsgesamtkosten von rund 340 Millionen Euro. Das sind Euro pro versorgter Einwohner oder 34 Euro pro Kilowattstunde. Für die Versorgung der gesamten Metropolregion mit ihren rund 400 Gigawattstunden Bedarf (bei 132 Stunden Überbrückungsdauer) wären 40 solcher Anlagen nötig. diese besäßen einen Gesamtflächenbedarf von 1200 Hektar, was 0,055 % der Fläche der EMN entspricht. Aufgrund des hohen Drucks von rund 32 Bar, was eine Fallhöhe von 320 Metern entspricht und des geringen Volumenstroms ist hier die Turbinenauswahl mitentscheidend. Die Abbildung 12 zeig die Einsatzgebiete von Wasserturbinen in Abhängigkeit von Volumenstrom und Fallhöhe. Abbildung 12: Einsatzgebiete von Turbinen Quelle: Quaschning, 2018, Regenerative Energiesysteme, S.338, [24] 18

24 Geeignete Turbinen sind die Francis sowie die Pelton Turbine. Der Vorteil der Francis ist, dass sie gleichermaßen auch als Pumpe genutzt werden kann, sie benötigt jedoch höhere Volumenströme. Bei der Pelton Turbine müsste eine Pumpe als eigene Einheit hinzu geschalten werden, hierzu kann auch die Bachelorarbeit von Leonard Westphal 2017, der sich mit explizit diesem Thema beschäftigt hat, herangezogen werden. 5. Fazit Die Stülpmembranspeichertechnologie bietet durchaus ein Potential um den energetischen Wandel der Europäischen Metropolregion Nürnberg mit umzusetzen. Die Vorteile wie die höhere Speicherkapazität, die Flexibilität der Speicherfüllung sowie Entleerung und der hohe Wirkungsgrad sprechen dabei genauso für den Speicher, wie die Möglichkeit zur Nutzung als Wärmespeicher. Im Stromsektor muss aber beachtet werden, dass der Speicher keine Langzeitspeicherung zum saisonalen Ausgleich darstellt. Hierfür sind andere System wie die Methanisierung besser geeignet. Des Weiteren sollte ein intelligenter Mix von Solar- und Windenergie angestrebt werden um die benötigte Speicherkapazität sowie die Leistungsaufnahme so gering wie möglich zu halten. Zudem sollte das Projekt mit ausreichender Öffentlichkeitsarbeit getragen werden um die Akzeptanz der Bevölkerung zu gewehrleisten. Weitere Vorteile sind der geringe Platzbedarf, die Abwendung von Gefahren wie Dammbruch oder Abdichtungsprobleme und die unterirdische, diskrete Umsetzung der Anlage (vgl. Popp, 2013 Stülpmembranspeicher). Es ist somit durchaus eine zweistellige prozentuelle Beteiligung der Stülpmembranspeichertechnologie an der Stromspeicheraufgabe vorzustellen. Um den Beitrags des Stülpmembranspeichers an der Energiewende weiter zu betrachten bieten folgende Fragestellungen eine Basis: Wie könnte die Wärmespeicherkapazität besser genutzt werden und der Speicher an ein Nahwärmenetz angebunden werden. Wäre eine Kombination mit einem Biomassekraftwerk möglich. 19

25 6. Quellenangaben Literaturquellen: [1] Sterner & Stadler, 2017, Energiespeicher (2.Aufl.), Köln, Springer Verlag. Internetquellen: [2] Bayerisches Landesamt für Statistik, Genesis-Online-Datenbank, Bevölkerung Gemeinden, Aufgerufen am von [3] Bayerische Landesamt für Umwelt, Naturschutzgebiete, Aufgerufen am von aef2334&profil=WMS [4] Bayernwerk,2017, Netzstrukturdaten, Aufgerufen am von [5] Bayernwerk, 2017, Veröffentlichungen, 17 Abs. 2 Nr , Aufgerufen am von [6] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Abkommen von Paris, Aufgerufen am von [7] Energieatlas Bayern, Kartenteil Recherche, Aufgerufen am [8] Europäische Metropolregion Nürnberg, 2017, Daten und Fakten, Aufgerufen am von wnloads/karten/180124_emn_factsheet_dt.pdf [9] Freie Universität Berlin, Gesteinsdichten, Aufgerufen am von [10] Heymann, 2015, Aktualisierung der Endenergiebilanz der Europäischen Metropolregion Nürnberg 2013, Abgerufen am von [11] Main-Donau-Netzgesellschaft, 2017, EEG-Kennzahlen, Aufgerufen am von Jahresmeldung_2016_fuer_die_MDN_Main-Donau_Netzgesellschaft_mbH.xlsx [12] Main-Donau-Netzgesellschaft, 2017, Netzkennzahlen, Aufgerufen am von [13] Main-Donau-Netzgesellschaft, 2017, 17 Abs. 2 Nr. 3 Höchstentnahmelast, Excel-Datei, Aufgerufen am von 20

26 [14] Main-Donau-Netzgesellschaft, 2017, 17 Abs. 2 Nr. 6 Dezentrale Netzeinspeisung je Netzebene, Excel-Datei, Aufgerufen am von [15] Nasa, 2018, MERRA2-Datenbank, Aufgerufen am von [16} Popp, 2013, Stülpmembranspeicher, Aufgerufen am von [17] Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie, Einwohnerzahl und Bevölkerungsdichte, Aufgerufen am von Bildquellen: [18] Bayerisches Geologisches Landesamt, 1994, Geologische Übersichtskarten und Schriften, Aufgerufen am von IC(BILDxKEY:% %27,BILDxCLASS:%27Artikel%27,BILDxTYPE:%27PDF%27) [19] Bayernwerk, 2017, Netzkarte, Aufgerufen am von [20] Europäische Metropolregion Nürnberg, 2017, Karten, Aufgerufen am von wnloads/karten/emn_karte_neu_inkl_sonneberg.jpg [21] Google Earth, 2018 [22] Main-Donau-Netzgesellschaft, 2018, Netzgebiet, Aufgerufen am von [23] Popp, 2013, Stülpmembranspeicher Aufbau, Aufgerufen am von [24] Quaschning, 2018, Regenerative Energiesysteme, S

27 7. Anhang 7.1. Bevölkerungszahl EMN Quelle: Bayerisches Landesamt für Statistik, Genesis-Online-Datenbank, Bevölkerung Gemeinden [2] Volkszählung und Bevölkerungsfortschreibung: Gemeinden, Bevölkerung (Volkszählungen und aktuell), Stichtag Bevölkerung (Anzahl) Fortschreibung des Kreise Bevölkerungsstandes Amberg (Krfr.St) Weiden i.d.opf. (Krfr.St) Amberg-Sulzbach (Lkr) Neumarkt i.d.opf. (Lkr) Tirschenreuth (Lkr) Bamberg (Krfr.St) Bayreuth (Krfr.St) Coburg (Krfr.St) Hof (Krfr.St) Bamberg (Lkr) Bayreuth (Lkr) Coburg (Lkr) Forchheim (Lkr) Hof (Lkr) Kronach (Lkr) Kulmbach (Lkr) Lichtenfels (Lkr) Wunsiedel i.fichtelgebirge (Lkr) Ansbach (Krfr.St) Erlangen (Krfr.St) Fürth (Krfr.St) Nürnberg (Krfr.St) Schwabach (Krfr.St) Ansbach (Lkr) Erlangen-Höchstadt (Lkr) Fürth (Lkr) Nürnberger Land (Lkr) Neustadt a.d.aisch-bad Windsheim (Lkr) Roth (Lkr) Weißenburg-Gunzenhausen (Lkr) Haßberge (Lkr) Kitzingen (Lkr) Sonneberg (Lkr) Quelle: Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie, Einwohnerzahl und Bevölkerungsdichte (C)opyright 2018 Bayerisches Landesamt für Statistik Stand: / 08:46:43 Summer der Einwohner in der EMN

28 7.2. Bevölkerungszahl Rastergebiet Quelle: Bayerisches Landesamt für Statistik, Genesis-Online-Datenbank, Bevölkerung Gemeinden [2] Bevölkerung (Volkszählungen und aktuell), Stichtag Bevölkerung (Anzahl) Fortschreibu ng des Gemeinden Bayerns (einschl. Bevölkerung gemeindefreie Gebiete sstandes Buch a.wald Colmberg, M Dietenhofen, M Flachslanden, M Geslau Heilsbronn, St Lehrberg, M Leutershausen, St Lichtenau, M Neuendettelsau Oberdachstetten Petersaurach Rügland Sachsen b.ansbach Weihenzell Windelsbach Windsbach, St Adelsdorf Aurachtal Gremsdorf Großenseebach Hemhofen Herzogenaurach, St Heßdorf Höchstadt a.d.aisch, St Lonnerstadt, M Oberreichenbach Röttenbach Vestenbergsgreuth, M Weisendorf, M Ammerndorf, M Cadolzburg, M Großhabersdorf Langenzenn, St Obermichelbach Puschendorf Roßtal, M Seukendorf Tuchenbach Veitsbronn Wilhermsdorf, M Bad Windsheim, St Baudenbach, M Burgbernheim, St Burghaslach, M Dachsbach, M Diespeck Emskirchen, M Ergersheim Gerhardshofen Gutenstetten Hagenbüchach Illesheim Ipsheim, M Langenfeld Marktbergel, M Markt Bibart, M Markt Erlbach, M Markt Nordheim, M Markt Taschendorf, M Münchsteinach Neuhof a.d.zenn, M Neustadt a.d.aisch, St Obernzenn, M Oberscheinfeld, M 1135 Gemeinden Bayerns (einschl. gemeindefreie Gebiete Fortschreibu ng des Bevölkerung sstandes Scheinfeld, St Sugenheim, M Trautskirchen Uehlfeld, M Wilhelmsdorf Rohr Castell Wiesenbronn 1064 (C)opyright 2018 Bayerisches Landesamt für Statistik Stand: / 16:20: Summe Rastergebiet Summe Bayernwerk des RG Summe MDN des RG

29 7.3. Gesteinsdichte nach FU Berlin Quelle: Freie Universität Berlin, Gesteinsdichten, Granit 2,50 2,70 JS 3787 Gestein ρ min [gcm -3 ] ρ max [gcm -3 ] Quell e Gesteinssäule * Syenit 2,55 2,70 JS 3787 Diorit 2,47 3,03 VNK 3374 Quarzit 2,60 2,70 JS 3787 Gabbro 2,50 3,30 VNK 3098 Chloritschiefer 2,50 2,92 VNK 3502 Dunit 2,98 3,76 RC 2719 Amphibolit 2,79 3,14 RC 3256 Peridotit 2,86 3,30 JS 3098 Eklogit 3,20 3,40 JS 3007 Pyroxenit 2,88 3,40 JS 3007 Orthogneis 2,30 3,10 VNK 3298 Rhyolith 2,20 2,50 JS 4090 Phyllit 2,60 2,83 JS 3613 Basalt 2,20 3,20 JS 3195 Glimmerschiefe r 2,73 3,19 RC 3205 Obsidian 2,33 2,41 RC 4237 Gneis 2,50 2,95 JS 3466 Tuff 1,50 2,86 VNK 3575 Marmor 2,67 2,75 RC 3718 Tonstein 1,30 2,30 JS 4445 Sandstein 2,00 2,80 JS 3652 Grauwacke 2,67 2,70 RC 3787 * Höhe [m] für 0,1 GPa und ρ max [gcm -3 ] Quellen VNK: Kobranova, V.N. (1989) Petrophysics. MIR Publishers, Springer Verlag RC: Carmichael, R.S. (1984) Handbook of physical properties of rocks, Vol. III. CRC Press, Florida JS: Schön, J.H. (1996) Physical properties of rocks - fundamentals and principles of Petrophysics, in: Handbook of Geophysical Exploration, Seismic Exporation, Vol. 18. Helbig, K. & Treitel, S. (eds.) Mergel 1,20 3,00 VNK 3408 Kalkstein 1,55 2,75 RC 3718 Dolomit 2,40 2,90 JS 3526 Gips 2,00 2,98 VNK 3431 Anhydrit 2,30 3,00 VNK 3408 Halit 2,10 2,20 RC