Hydraulische Großenergiespeicher

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1 Hydraulische Großenergiespeicher Markus Aufleger / Robert Klar PowerTower PontonPower PowerRock

2 HINTERGRUND

3 Stromproduktion [TWh/a] Wasserkraft Installierte Leistung [MW] 5 0 Biogener Anteil des Abfalls Wasserkraft Quelle: Aufleger, Markus (2008): Strom fließt Wasserkraft 2020, Bauingenieur, Band 83, Juli/August 2008

4 DIE ZEIT 8.September Millionen kwh Ausfallarbeit

5

6 Die Presse 21.September 2011

7 DIE ZEIT WISSEN April/Mai 2011 EIN SUPERNETZ wäre die Lösung - mit Norwegen als Batterie

8 HGÜ Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung 800 bis 1100 kv Spannung allein in Deutschland fehlen 3600 km Höchstspannungsleitungen geschätzte Kosten 10 Milliarden Euro (Deutschland) Quelle: Die Zeit Wissen, Mai 2011, Burkhard Straßmann

9 BritNed Länge 260 km Übertragungsleistung 1000 MW V Übertragungsspannung Notausschalter, groß wie ein Haus Foto: Mark Niedermann

10 Hydraulische Großenergiespeicher erster Art Neue Energien Ausschreibung Projekt PowerTower

11 Antragsteller Universität Innsbruck, - Labor Valerie Neisch Prof. Aufleger UIBK UIBK UIBK UIBK UIBK TU Clausthal TU Clausthal RWTH Aachen

12 GRUNDKONZEPT

13 S D A D S W OR UR O O PT

14 F S D A D S W OR

15 UR W PT A W S D PT A OR W PT A (I) (II) (III)

16 UR W PT A W S D PT A OR W PT A (I) (II) (III)

17 Mögliche Anwendungen

18 30 m 100 m Universität Innsbruck Power-Tower (als Grundkonstruktion für Windkraftanlagen oder für zentrale Einrichtungen des Windparks) z.b. P = 500 kw bei Leistungsdauer T = 12 h P = 1000 kw bei Leistungsdauer T = 6 h Speicherkapazität = 6000 kwh Kosten: etwa 5 bis 7 Mio. Euro 20 m

19 60 m Universität Innsbruck Power-Grid (dezentrale Anlagen im Untergrund) z.b. P = 1000 kw bei Leistungsdauer T = 4 h Speicherkapazität = 4000 kwh Kosten: etwa 5 Mio. Euro 30 m

20 12 m Universität Innsbruck Power-Home (z.b. im Wohnhaus mit Photovoltaik) z.b. P = 500 W bei Leistungsdauer T = 8 h P = 1500 W bei Leistungsdauer T = 2 h 40 min Speicherkapazität = 4 kwh Kosten: etwa Euro? 5 m Günstige Kombination mit thermischen Speicher! (Solarkollektoren)

21 550 m Universität Innsbruck Power-Rock (im Gebirge bzw. Untergrund) z.b. in aufgelassenen Schachtsystemen von Bergbauanlagen P = 10 MW bei Leistungsdauer T = 12 h P = 120 MW bei Leistungsdauer T = 1 h Speicherkapazität = kwh Kosten: etwa 70 Mio. Euro 25 m

22 Power-Rock im Bergwerkschacht Volumen Zylinder innen Radius [m] Grundfläche [m²] Höhe h z [m] Volumen [m³] Volumen Masseträger Radius [m] Grundfläche [m²] Höhe h m [m] Volumen [m³] Gewicht Masseträger spez. Gewicht abzügl. Auftrieb [t/m³] Masse m [t] Potentielle Energie Hubhöhe h h = h z - h m [m] Energie = m*g*h h [MWh] Kennzahlen h m / h z [%] 12.5% 25.0% 37.5% 50.0% 62.5% 75.0% 87.5%

23

24

25 ZAHLEN UND FAKTEN

26 Vorteile Investitionskosten / kwh (Grobe Schätzung!) unbegrenzte Anzahl an Ladezyklen (z.b. mehrmals pro Tag!) einfache und robuste Technologie hoher Wirkungsgrad sehr flexible Leistungsmerkmale, schnelle Reaktionszeit standortunabhängig, dezentrale Einsatzmöglichkeiten Kurz- und Langzeitspeicherung ohne Entladung beliebig skalierbar Kombination mit thermischen Speichern möglich

27 Leistungsbereich und Investitionskosten Powertower? (nach Frey, 2007)

28 Betriebskosten Powertower (nach Frey, 2007)

29 PROJEKT ZIELE

30 Ziele des Projekts Bewertung der Bedeutung dezentraler Speicher für das Stromnetz Nachweise zur Funktionsfähigkeit hydraulischer Großenergiespeicher Entwicklung und Test verschiedener Auflast-, Dichtungs- und Federsysteme, Untersuchung verschiedener prinzipieller Anordnungen

31 VORVERSUCH

32

33 PUMPEN TURBINIEREN

34 2,20 m ~0,4m Universität Innsbruck 0,64 m Aufbau h R h D 1 t konstante Druckhöhe H ~ 3 m h A Leistung P = η * ρ * Q * g * H N H N = H - h i Δp PT G F Netz η η η

35 VORGEHEN

36 J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D 10 Grundsätzlicher Nachweis der Funktionsfähigkeit Arbeitsplan/Zeitplan/Umsetzung 10 Optimierung technischer Lösungen (Dichtungen, Federmechanik) 10 Optimierung der Strömungsvorgänge und Kinematik 10 Versuchsbericht 20 Nutzen der hydraulischen Großenergiespeicher einschließlich der Netzvorteile 20 Darstellung möglicher Anwendungen, technische Konzeptionen 20 Definition wichtiger Baugrößen, Konzepte für weitere Forschung 20 Zusammenstellung günstiger Ausgestaltungen und Bauformen 20 Kostenermittlungen, Wirtschaftlichkeitsanalysen 30 Erarbeitung Schlussbericht Logos des Konsortialführers, der Partner, der Einreicher 30 Schlussbericht Arbeitspaket 10 Experimentelle Untersuchung TU Clausthal Expertise Festigkeit /Maschinenbau 36_

37 Dichtung (u.u. während der Hub- und Senkvorgänge stark reduzierte Dicht- und Reibungswirkung) Führung

38 J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D 10 Grundsätzlicher Nachweis der Funktionsfähigkeit Arbeitsplan/Zeitplan/Umsetzung 10 Optimierung technischer Lösungen (Dichtungen, Federmechanik) 10 Optimierung der Strömungsvorgänge und Kinematik 10 Versuchsbericht 20 Nutzen der hydraulischen Großenergiespeicher einschließlich der Netzvorteile 20 Darstellung möglicher Anwendungen, technische Konzeptionen 20 Definition wichtiger Baugrößen, Konzepte für weitere Forschung 20 Zusammenstellung günstiger Ausgestaltungen und Bauformen 20 Kostenermittlungen, Wirtschaftlichkeitsanalysen 30 Erarbeitung Schlussbericht Logos des Konsortialführers, der Partner, der Einreicher 30 Schlussbericht Arbeitspaket 10 Experimentelle Untersuchung TU Clausthal Expertise Festigkeit /Maschinenbau Arbeitspaket 20 Studie Wirtschaftlichkeit und Konzepte RWTH Aachen Expertise Netzsimulation (Beratung) 38_

39

40 J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D 10 Grundsätzlicher Nachweis der Funktionsfähigkeit Arbeitsplan/Zeitplan/Umsetzung 10 Optimierung technischer Lösungen (Dichtungen, Federmechanik) 10 Optimierung der Strömungsvorgänge und Kinematik 10 Versuchsbericht 20 Nutzen der hydraulischen Großenergiespeicher einschließlich der Netzvorteile 20 Darstellung möglicher Anwendungen, technische Konzeptionen 20 Definition wichtiger Baugrößen, Konzepte für weitere Forschung 20 Zusammenstellung günstiger Ausgestaltungen und Bauformen 20 Kostenermittlungen, Wirtschaftlichkeitsanalysen 30 Erarbeitung Schlussbericht Logos des Konsortialführers, der Partner, der Einreicher 30 Schlussbericht Arbeitspaket 10 Experimentelle Untersuchung TU Clausthal Expertise Festigkeit /Maschinenbau Arbeitspaket 20 Studie Wirtschaftlichkeit und Konzepte RWTH Aachen Expertise Netzsimulation (Beratung) Arbeitspaket 30 Schlussbericht 40_

41 Hydraulische Großenergiespeicher 2ter Art PontonPower

42 GRUNDKONZEPT

43 Konzept Hydraulischer Energiespeicher Zusatzlasten Fluidreservoir Belüftung Niveaudifferenz Turbinen-Pumpanordnung

44 Konzept Hydraulischer Energiespeicher Volumenstrom im Turbinenbetrieb Niveaudifferenz Q Turb.

45 Konzept Hydraulischer Energiespeicher Volumenstrom im Pumpbetrieb Niveaudifferenz Q Pumpe

46 VARIANTEN

47 Konzept Hydraulischer Energiespeicher Turbinenbetrieb Pumpbetrieb Q Turb. Q Turb. Q Turb. Q Pumpe Q Pumpe Q Pumpe t 1 t 2 t 3

48 Konzept Hydraulischer Energiespeicher Turbinenbetrieb Pumpbetrieb Q Turb. Q Turb. Q Turb. Q Pumpe Q Pumpe Q Pumpe t 1 t 2 t 3

49 Konzept Hydraulischer Energiespeicher Turbinenbetrieb Pumpbetrieb Q Turb. Q Turb. Q Turb. Q Pumpe Q Pumpe Q Pumpe t 1 t 2 t 3

50 Konzept Hydraulischer Energiespeicher Pumpbetrieb Turbinenbetrieb Q Pumpe Q Pumpe Q Pumpe Q Turb. Q Turb. Q Turb. t 3 t 2 t 1

51 Konzept Hydraulischer Energiespeicher Pumpbetrieb Turbinenbetrieb Q Pumpe Q Pumpe Q Pumpe Q Turb. Q Turb. Q Turb. t 3 t 2 t 1

52 Konzept Hydraulischer Energiespeicher Pumpbetrieb Turbinenbetrieb Q Pumpe Q Pumpe Q Pumpe Q Turb. Q Turb. Q Turb. t 3 t 2 t 1

53 KRITISCHE BEWERTUNG

54 Konzeptbedingte Vorteile Hoher Wirkungsgrad (geringe hydraulische Verluste; konstante Druckhöhe möglich) Unbegrenzte Zyklenanzahl Schnelle Lastwechsel sind möglich Regelenergie (Wechsel Turbinen-/Pumpmodus; hydraulischer Kurzschluss) Nutzung einer robusten bewährten Technologie im neuen Umfeld Leistungsfähige dezentrale Speichertechnologie

55 Konzeptbedingte Vorteile Energie aus z.b. offshore Windenergie- und Photovoltaik- Parks kann direkt am Ort des Verbrauchs gespeichert werden kein kostenintensiver Ausbau der Übertragungsnetze Bedarf an offshore Energie-, Aquakultur- und Transport- Infrastruktur ( multi-use offshore platforms, maritime Serviceplattformen) steigt hydraulische Energiespeicher lassen sich ideal in jedes Design integrieren

56 Konzeptbedingte Vorteile Kombinierte Nutzung mit variablen Aufbauten ist möglich z.b. o Schwimmende Plattformen als Siedlungs-, Industrie- bzw. Gewerbefläche für maritime Stadterweiterungen Quelle: Megafloat Quelle: AZ Island, A Floating World Concept Quelle:

57 Konzeptbedingte Vorteile Kombinierte Nutzung mit variablen Aufbauten ist möglich z.b. o o Schwimmende Zwischenlager für Überseecontainer Schwimmende Meereströmungskraftwerke und Solarfarmen

58 Konzeptbedingte Vorteile Kombinierte Nutzung mit variablen Aufbauten ist möglich z.b. o Schwimmende Offshore-Windenergieanlagen Quelle: Siemens-Pressebild Quelle: Siemens-Pressebild

59 Herausforderungen Verankerung am Meeresboden Design der Pumpen und Turbinen Design von großen schwimmenden Baukörpern Rückgriff auf bewährte Technologien! Betonschiffe Bau des Drogdentunnels, auch Öresundtunnel

60 Kontakt Markus Aufleger Robert Klar Valerie Neisch Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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