Der Lageenergiespeicher

Transkript

1 Der Lageenergiespeicher Ein Konzept zur kostengünstigen Speicherung großer Mengen elektrischer Energie

2 Professor Dr. Eduard Heindl Diplom Physiker und Diplom Ingenieur Erfinder des Lageenergiespeichers *1961 Mühldorf/Inn Unternehmer Heindl Internet AG Heindl Server GmbH A3M AG Heindl Energy GmbH i.g. Hochschullehrer Hochschule Furtwangen LB Hochschule Geislingen Kontakt Hochschule Furtwangen Robert-Gerwig-Platz 1 D Furtwangen Germany eduard@heindl.de

3 Photovoltaik [MW p ] Weltweiter Strombedarf Datenquelle: Wikipedia Das weltweite Wachstum liegt bei 70% pro Jahr, wobei sogar die Wachstumsrate selbst ansteigt. Ursache: Massiver Preisverfall bei PV Modulen von /kw auf 500 /kw in fünf Jahren.

4 Solarenergie Power demand Conventional sources

5 Vorhandene Speicherkapazität

6 Wind- und Solarenergie Wind Die Leistung von Windund Solarenergie schwanken Winter Frühling Sommer Herbst Sonne Speicher für mindestens sieben Tage erforderlich! 150kWh/Person Aufgrund der metrologisch und astronomisch bedingten Schwankungen von Wind und Sonne sind für eine Versorgung aus EE aufgrund von Großwetterlagen Speicher von enormer Kapazität nötig.

7 Stromerzeugung bisher Steuerbare Kraftwerke Nicht steuerbarer Verbrauch Netze Einfache Stromerzeugung aus fossilen Energiespeichern wie Öl, Kohle, Gas.

8 Energieversorgung mit fluktuierenden Erneuerbaren Energien Stromernte Photovoltaik auf privaten Flächen Nicht steuerbarer Verbrauch Stromernte Wind verteilte Strukturen Netze Speicher Steuerbarer Verbrauch Speicher sind die entscheidende Schnittstelle zwischen Energieernte und Energiebedarf. Wer günstigen Speicher anbieten kann, kann zwischen Erzeuger und Verbraucher vermitteln!

9 Bildquelle: Bildquelle: Bildquelle: Wikipedia

10 Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind Sonstige Solar Wind Unterdeckung 100TWh Überschuss 150 TWh speichern 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)

11 Entwicklung installierter Wind- und Solarkraft in Deutschland; Zeitschiene für Speicherbedarf Bei einer Fortschreibung des 15% Wachstums der Wind- und Solarenergiekapazität werden im Zeitfenster Investitionen in Speicher notwendig, damit eine sichere Versorgung gewährleistet ist.

12 Trend Globaler Umstieg auf Photovoltaik beginnt! Finanzkrise beschleunigt, da sichere Rendite in der Solar-/Windstromproduktion Welt 2012: 250GW p Wind und 100GW p PV Folgerungen: Strom-Speicherbedarf für globale Energieproduktion wächst überproportional Energiespeicher sind der Zukunftsmarkt!

13 1kWh

14 Heindl 2011 Hochschule Furtwangen Speicher für 7 Tage Pro Person 2,2 Tonnen Bleiakkumulatoren Preis:

15 Methan als Speicher 25% 75%

16 Platzbedarf für Speichersee Pumpspeicherkraftwerk Kapazität für 7 Tage Deutscher Strombedarf (15m² pro Einwohner) Heindl

17 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 Person (2,2t) Speicherkosten in Deutschland: Mrd Mrd.!! 17

18 Der Lageenergiespeicher: Das Grundprinzip Stromnetz E~r 4 r 2r Verbindung Pumpe und Turbine Wasservolumen h max =r 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.

19 r l=2r h=r

20 Masse ~ r³ Höhe ~ r r Speicherkapazität: E ~ = g 2 * π m g ρ ** h r 4 Baukosten: b ~ r² l=2r h=r Kosten per kwh~1/r²

21 Bau eines Lageenergiespeicher Baustellenstraße Bohrtürme Bohrlöcher 1. Tunnel Basistunnel/ Wassereinlass Schacht Das Freilegen der Gesteinsmasse erfolgt mit konventionellen Methoden des Bergbaus. Ein Tunnelsystem gewährt den Zugang zu den einzelnen Bauabschnitten.

22 Abtrennung Bodenplatte Bergmännische Ausräumung Abdichtung Basistunnel Abraum verstopfen Schrämmaschine 2. Tunnel Abdichtung Seitenansicht 22

23 Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht Basistunnel Ausgebrochenes Material Geschnittener Fels Ursprünglicher Fels Schram- Maschine Aufsicht 2. Tunnel 23

24 Abtrennung Bodenplatte Abgetrennte Bodenfläche Abdichtung Basistunnel Aufgebrochenes Material 2. Tunnel Abdichtung Seitenansicht 24

25 Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen traction Bohrlöcher Geschnittene Fläche Fels r Diamant Seilsäge 1. Tunnel Seitenansicht

26 Aussenschacht Aufgrund der Felsmechanik wird der Außenschacht V-Förmig geschnitten Seilsägen Fels Zylinder Versorgungstunnel Versorgungstunnel Seitenansicht Felsen Ausgebrochenes Material 27

27 Schachtform Aufgrund des Bergdrucks wird sich der Zylinder nach der Entlastung ausdehnen Graben Fels Zylinder Bergdruck Bergdruck Versorgungstunnel Versorgungstunnel Seitenansicht Ausgebrochenes Material 28

28 Abdichtung Seitenwände Die Oberflächen des Gesteins werden mit wasserdichter Geomembran-Folie überzogen Abdichtung Fels Zylinder Versorgungstunnel Versorgungstunnel Seitenansicht Ausgebrochenes Material 29

29 Heindl

30 Das Dichtungsystem Felssicherung Ausschnitt Dichtung Dichtungsring Metall Abdichtung, um den Fels trocken zu halten schwimmender Felszylinder Wasser im Zylinder-Hohlraum Das gesamte System ist gegenüber der Umwelt durch Geomembranen abgedichtet. Der Zylinder trägt einen Dichtungsring, der flexibel auf Unebenheiten reagiert

31 Beispiele für Größen und Kosten (Darstellung maßstäblich) Bayern 120GWh 4 /kwh Deutschland 1600GWh 1 /kwh Nürnberg 8GWh 20 /kwh Starnberg 0,5 100 /kwh 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.

32 Felswände 300m 1000m 80m Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck) Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia) Heindl

33 operate

34 Technische Daten Radius [m] 62, Durchmesser [m] Volumen Fels [m³] Masse Fels [t] * Druck [Bar] Druck oben [Bar] Energie [GWh] 0, ** Abhängigkeit vom Radius: Druck wächst linear Masse wächst in der 3. Potenz Energie wächst in der 4. Potenz p m=ρv r * Entspricht etwa der Ladekapazität aller Kontainerschiffe weltweit ** Entspricht etwa Tagesproduktion der deutschen Energiewirtschaft Dichte Fels: ρ Heindl R =2.600kg/m³

35 Berechnung Speicherkapazität Energie im Fels: E r = 2* π *g* ρ R *r4 Energie im Wasser: E W = -3/2*π *g* ρ W * r4 Energie im System: E HHS = (2*ρ R -3/2*ρ W )* π*g*r4 r Dichte Fels: ρ R (2.600kg/m³) Dichte Wasser: ρ W (1.000kg/m³) Erdanziehung: g (9,81N/kg) Radius System: r V Heindl

36 Leistungsdaten Radius [m] 62, Energie [GWh] 0, Wasservolumen [m³] * Energiedichte [kwh/m³] 0,63 1,26 2,52 5,04 8 Stunden Leistungsentnahme [MW] ** Abhängigkeit vom Radius: Energiedichte im Wasser wächst linear theoretische Leistungsentnahme wächst mit der 4. Potenz r * Entspricht einer Absenkung des Bodensee um einen Meter Heindl ** Typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland V

37 Wasser - Generator Radius [m] 62, Energie [GWh] 0, Wasserablauf 8h [m³/s] Wasserablauf 168h [m³/s](woche) 1,3 10, Wasserablauf 720h [m³/s] (Monat) 0,3 2, Turbine/Pumpe 8h [MW] Turbine/Pumpe 168h [MW](Woche) Turbine/Pumpe 720h [MW] (Monat) Anmerkung: Leistung wird auf längere Zeiträume verteilt Wasserablauf und Wasserzulauf gegebenenfalls über Speichersee gedämpft V r G 38

38 Kostenschätzung für 500 m-radius Tunnel /m l T = 4πr+2r 73 Mio. Bohren 500 /m l D = 8πr²/ D 157 Mio. Sägen 10 /m² A S = 8πr² 63 Mio. Abraum 20 /m³ V R = 4πr² T 126 Mio. Bodenplatte abtrennen /m² A F = πr² 785 Mio. Dichtfläche (Edelstahl) 200 /m² A O = 2πr² 157 Mio. Abdichtung 100 /m² A W = 6πr² 393 Mio. Dichtungsring /m l O = 2πr 31 Mio. Summe Mio. Symbole: D Abstand Bohrlöcher, T Breite des Grabens 39

39 Wirtschaftliche Betrachtung Radius [m] 62, Kapazität [GWh] Investitionskosten* [Mio. ] Mögliche Einnahmen* [Mio. ] Investment per kwh** [ ] ,29 1,02 Zum Vergleich: Pumpspeicher 100 /kwh Batterie 500 /kwh * Preis=0,1 /kwh; Einnahmen über 20 Jahre, Zyklendauer: 62,5m und 125m 24h, 250m 168h, 500m 720h, **Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur Heindl

40 Vergleich der Speichertechnik Hoher Wirkungsgrad Niedrige Kosten pro kwh Geringe Umweltbelastung Batterien 90% 500 Rohstoffe Entsorgung Power2Gas 25% Pumpspeicher 80% 100 Landschaftsverbrauch 10kWh/m² Lageenergiespeicher 80% <20 Bis zu 2MWh/m² 41

41 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 42

42 Schüler begeistern 43

43 Vielen Dank für Ihr Interesse! Fragen? 44

44 Kontakt Hochschule Furtwangen Prof. Dr. Eduard Heindl Robert Gerwig Platz Furtwangen Germany hed@hs-furtwangen.de 45