Projekt Energietechnik. Möglichkeiten der regenerativen Energiespeicherung durch Stülpmembran-, Pump-, und Ringwallspeicher in Nürnberg

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1 Projekt Energietechnik Möglichkeiten der regenerativen Energiespeicherung durch Stülpmembran-, Pump-, und Ringwallspeicher in Nürnberg NürnbergGoesGeo Projektbearbeiter: Fath, Julian Matrikel.-Nr.: Adresse: Weiherstraße 13, Erlangen Studiengang: Maschinenbau, Energietechnik Mail: Mobil: Korrektur: Bannert, Dennis Ort, Datum und Unterschrift des Projektbearbeiters:

2 2 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis... 3 Tabellenverzeichnis... 3 Begriffserklärung Inhaltliche Kurzbeschreibung des Projekts Problemstellung Daten und Fakten Speichertechnologien Stülpmembranspeicher Pumpspeicher Ringwallspeicher Forschungsfragen Vorgehensweise und Ergebnisse Betrachtete Karten für Auswertungen der Höhendifferenzen Pumpspeicherpotenzial Auswertung Stülpmembranspeicherpotenzial Auswertung Fazit Literatur... 18

3 3 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Aufbau eines Stülpmembranspeichers Quelle: Matthias Popp... 6 Abbildung 2 Schematische Darstellung eines Pumpspeicherkraftwerks... 6 Abbildung 3 Ringwallspeicher-Hybridkraftwerk, Quelle: Matthias Popp... 8 Abbildung 4 Geoportal Bayern mit Höhendaten. Quelle: Bayern-Atlas online, Zugriff: Abbildung 5 Bereiche die für mögliche Pump und Ringwallspeicher berücksichtigt werden, Quellen: Google Maps, Bildbearbeitung: Julian Fath Abbildung 6 Naturschutzgebiete rund um das Nürnberger Land Quelle: Geoportal Bayern Abbildung 7 Beispielvorschlag eines Pumpspeicherprojekts nahe Forchheim Quellen: Google Maps, Bildbearbeitung: Julian Fath Abbildung 8 Mögliche Standorte für Pumpspeicherkraftwerke Quellen: Geoportal Bayern, Bildbearbeitung: Julian Fath Abbildung 9 Nötiger Flächenbedarf um Nürnberg und das Umland für 10 Tage zu versorgen Abbildung 10 Mögliche Orte für Stülpmembranspeicher Quellen: Geoportal Bayern, Bildbearbeitung: Julian Fath Tabellenverzeichnis Tabelle 1 Standorte für Pumpspeicherkraftwerke... 13

4 4 Begriffserklärung Stülpmembranspeicher und Ringwallspeicher: Bei einem Stülpmembranspeicher bzw. Ringwallspeicher handelt es sich um einen geotechnischen Speicher. Als Grundlage hierzu dienen Konzepte von Prof. Dr.-Ing. Matthias Popp. Details sind unter der Online-Quelle (Popp, 2017) abrufbar. 1. Inhaltliche Kurzbeschreibung des Projekts Die vorliegende Arbeit thematisiert Stülpmembranspeicher, Pumpspeicher sowie Ringwallspeicher und wie diese die Stadt Nürnberg während einer stromarmen Periode versorgen können. Die Analyse beschränkt sich auf eine Überbrückungskapazität von zehn Tagen, also müssen die Anlagen, die erbaut werden können, annähernd so viel Strom bereitstellen wie Nürnberg in zehn Tagen verbraucht. Zunächst müssen alle Freiflächen im Umland ermittelt werden und detailliert niedergeschrieben werden. Mithilfe dieser Auswertung werden Möglichkeiten analysiert solche Speicherkraftwerke in und um Nürnberg zu bauen. Ebenfalls eine wichtige Rolle spielen Höhenunterschiede in der Region. Hierzu werden zunächst die generell existierenden Höhenunterschiede mit Hilfe von Software untersucht und anschließend ein sinnvoller Mittelwert errechnet. Ziel des Projekts ist es eine Aussage treffen zu können, wo am besten solche Energiespeicher erbaut werden können, wie viele dazu notwendig sind und wie es sich die Kosten hierbei aufteilen könnten. 2. Problemstellung Auch Nürnberg mit seinen aktuell knapp Einwohnern möchte und muss im Zuge der Energiewende bis zum Jahre 2050 auf erneuerbare Energien umstellen. Bis zum Jahre 2025 sollen 40 bis 45 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Energiequellen stammen, bis 2035 sogar aus bis zu 55 bis 60 Prozent. 2 Damit die Stadtwerke Nürnberg sich bestmöglich vorbereiten kann, müssen Forschungen betrieben werden um herauszufinden wie diese Umstellung optimal gelingen kann. Denn als einzig vergleichbares Kraftwerk besitzt das Nürnberger Umland nur jenes in Happurg, welches rund 20 Kilometer östlich von Nürnberg steht. Das Pumpspeicherkraftwerk in Happurg liefert mit 160 MW 3, selbst wenn es theoretisch volle 24 Stunden täglich laufen könnte, nur 3840 MWh an Kapazität. Allerdings benötigt Nürnberg und das nähere Umland pro Tag im Mittel eine Kapazität von MWh Strom. 4 Da die oben genannten geotechnischen Speicher auch einen großen Einfluss auf diesen Verlauf in der Energiewende haben könnten und Vorteile mit sich bringen, werden Sie im Folgenden diskutiert. Ein Problem das sich im Projekt entwickeln könnte, wäre dass es im Worst-Case keine geeigneten Flächen gibt und der dazu gehörende Baugrund aufgrund von Platzmangel in der Region fehlt. Als Alternative hierzu können sogenannte Stülpmembranspeicher bzw. Lageenergiespeicher sich besser eignen. Der Vorteil von unterirdischen Stülpmembranspeicher gegenüber klassischen Pumpspeichern besteht darin, dass diese zum einen, einen geringeren Flächenbedarf fordern und zum anderen eine hohe Energiedichte aufweisen. Dies kommt zu Stande, weil große Bodenmassen, die sehr schwer und mächtig sind, angehoben werden. Die Kapazität von Stülpmembranspeichern übersteigen daher diejenige von Pumpenspeichern, bezogen auf den Flächenbedarf, um ein Vielfaches. Als weiterer Vorteil dieser Bauart ist ebenso wichtig zu erwähnen, dass aufgrund des geringen Platzbedarfes diese in oder um die Siedlungsgebiete platziert werden können, um das Wasserinventar gleichzeitig für die Wärmespeicherung mit zu verwenden. Ringwallspeicher wurden im Vergleich der Systeme den höchsten Flächenbedarf aufweisen, weil der Damm für das obere Becken eine deutlich größere Grundfläche einnimmt, als derjenige eines klassischen Pumpspeichers. Im Gegensatz zu einem klassischen Pumpspeicher kann ein Ringwallspeicher aber auch in Gegenden gebaut werden, in denen die Höhenunterschiede für Pumpspeicher nicht ausreichen. Ebenso können die im Anschluss 1 Quelle: Internetseite der Stadt Nürnberg 2 Vgl. Bundesregierung Energiewende im Überblick. [online] 3 Vgl. Wikipedia Pumpspeicherkraftwerk Happurg. [online] 4 Angenommen wurde hierbei circa die Hälfte des Verbrauchs des Main-Donau-Netzgebietes

5 5 abgeschätzten Kosten ein Hindernis für die Umsetzung dieser Bauten sein. Hauptteil Daten und Fakten. Um nun konkrete Berechnungen durchzuführen, muss vorher einiges geklärt werden. Unter diesen Punkt zählen alle Daten und Fakten die notwendig sind, um die Forschungsfragen detailliert beantworten zu können. 3. Daten und Fakten Um eine kwh (Kilowattstunde) an Strom durch Wasser zu speichern muss eine Tonne Wasser im Pumpspeicherkraftwerk um 360 Meter angehoben werden. Allerdings treten immer Verluste aufgrund von z.b. Rohrreibung auf. Daher liegt der reale Wert bei rund 400 Meter erforderlicher Höhe. Dieses Ergebnis wird durch das physikalische Gesetz zur Bestimmung von potentieller Energie errechnet, welches besagt: EEEEEEEE = mm gg h. Ein Kubikmeter Wasser besitzt eine Masse von rund 1000 Kilogramm. Auf einer Höhe von 400 Metern beträgt seine potentielle Energie: EEEEEEEE = 1000kkkk 9,81 m/s 400mm = 3,924 MMMM = 1,06kkkkh. Der Wirkungsgrad von modernen Pumpenspeicherkraftwerken erreicht ca. 80%, wenn man die beiden Verluste vom Pumpen und vom Ablassen des Wassers miteinander verrechnet. Aufgrund dieser Erkenntnisse kann errechnet werden, für welche Kapazität und für welche Höhe ein Pumpenspeicherkraftwerk ausgelegt sein muss.6 Für die Bestimmung von vorhandenen Höhendifferenzen wird die Fränkische Alb auf geeignete Gegebenheiten untersucht. Nach b existieren Höhen von bis zu 689,4 Metern ü. d. M. im Umland, also voraussichtlich auch ausreichend Höhendifferenz (im Mittelgebirge) um einen Teil der erforderlichen Kapazität in Pumpenspeicherkraftwerken zu speichern. Als Vergleich: Das Pumpspeicherkraftwerk in Happurg besitzt eine Fallhöhe (Differenz Wasserspiegel Oberbecken zu Unterbecken) von 209 Metern. 5 Für Nürnberg wurde angenommen, dass 590 MW 6 Durchschnittleistung benötigt werden. Damit besitzt Nürnberg über eine Zeitspanne von 10 Tagen einen gesamt Stromverbrauch von 24 SSSSSSSSSSSSSS 10 TTTTTTTT 590 MMMM = 141,6 GGGGh. Pro Einwohner von Nürnberg macht das 267,17 kwh Speicherbedarf, auf 10 Tage hoch gerechnet. Im Weiteren wird gerundet gerechnet, da eine zahl mit zwei Dezimalstellen keine exakte Aussagekraft besitzt. 4. Speichertechnologien Die Nachfolgenden Unterüberschriften erläutern die einzelnen, in diesem Projekt betrachteten, geotechnischen Speichersysteme Stülpmembranspeicher In Zukunft sollen Stromspeicher die Hauptlast der Versorgung übernehmen. Ein Stülpmembranspeicher dient der Speicherung auf lange Zeit von elektrischem Strom. In einer Kombination mit ausschließlich erneuerbaren Energieversorgern können bei einer ausreichenden Kapazität Engpässe ausgeglichen werden. Beim Bau eines Stülpmembranspeichers entsteht eine relativ große künstliche Fläche aus Wasser. Ebenso wird die Fläche über dem Speicher wieder nutzbar. Der Aufbau von Photovoltaikanlagen kann deshalb als sinnvolle Ergänzung in den über dem Speicher liegenden Freiflächen in Betracht gezogen werden. Der Speicher arbeitet mit großen Wassermengen, die im System bleiben. Dadurch besteht die Möglichkeit einer thermischen Speichernutzung, in Form eines saisonalen Wärmespeichers. Die abgedeckte Wasserfläche kann in diesem Fall auch für die Unterbringung von thermischen Solaranlagen genutzt werden. Die Abdeckung muss dann zusätzlich mit einer Wärmedämmung ausgestattet sein, um Verluste durch Wärme zu reduzieren. Die Traglasten dieser Plattform müssen berücksichtigt werden. 5 Vgl. Wikipedia Pumpspeicherkraftwerk Happur. [online] 6 Angenommen wurde hierbei circa die Hälfte des Verbrauchs des Main-Donau-Netzgebietes

6 6 Ebenso kann dieser als Strom und Wärmespeicher arbeiten, was eine zusätzliche Kostenteilung schafft. Abbildung 1 Aufbau eines Stülpmembranspeichers Quelle: Matthias Popp Im Gegensatz zu Power-to-Gas Wandlern ist die Wärmenutzung zeitlich komplett entkoppelt von der Stromspeicherung abrufbar. Die in Abbildung 1 rechts dargestellte Ausführung mit halbkugelförmiger Kolbenunterschale könnte sich als kostengünstiger herstellbar erweisen. Auch in dieser Ausführung ließe sich das System im Parallelbetrieb als saisonaler Wärmespeicher erbauen und auch nutzen. Das Wasser, im Bild blau dargestellt, wird mit Sonnenkollektoren auf den Dächern der versorgten Ortschaft im Sommer bis über 90 C erwärmt. In der Heizperiode des Winters kann über einfache Umwälzpumpen die Wärme entnommen werden indem das Wasser langsam auf etwa 70 C abgekühlt wird. 20 C Temperaturdifferenz liegt der im Beispiel angegebenen Wärmespeicherkapazität zu Grunde Pumpspeicher Zur Speicherung einer Kilowattstunde Energie, die heute für ca. 30 Cent aus der Steckdose bezogen werden kann, ist bei Pumpspeichern ca. eine Tonne Wasser auf 400 Meter Höhe zu heben. Nachfolgende Abbildung 2 zeigt schematisch das Prinzip eines Pumpspeicherkraftwerks. Abbildung 2 Schematische Darstellung eines Pumpspeicherkraftwerks

7 7 Der Pumpspeicher ist sehr effizient (Wirkungsgrade bis 80%), obwohl dieser recht einfach aufgebaut ist. Sie werden seit Jahrzenten zum Speichern von Strom bei einem großen Speicherungsbedarf genutzt. Elementar am Pumpspeicherkraftwerkes sind die zwei großen Wasserspeicherseen, welche an einer Anhöhe errichtet werden. Das sogenannte Ober- und Unterbecken sind durch eine oder mehrere Rohrleitungen miteinander verbunden. Je nach Strombedarf wird das Wasser des Pumpspeichers diese Erhöhung hinaufgepumpt und bei Bedarf wieder abgelassen (kinetische Energie). Wird der im Netz vorhandene elektrische Strom nicht benötigt, so pumpt er im Kraftwerk das Wasser in das Oberbecken. Auf die daraufhin gespeicherte potenzielle Lageenergie kann zurückgegriffen werden, sobald zum Beispiel in der Nacht eine Stromflaute in der Erzeugung herrscht. In diesem Fall fließt das Wasser in das untere Becken ab und treibt dabei die Turbinen an, welche dann über eine elektrische Energie über einen Generator erzeugen. Der Strom kann anschließend wieder ins Netz eingespeist werden. Bei modernen Pumpspeicherkraftwerken wird statt separater Turbine und Pumpe, die je nach Strömungsrichtung einzeln in Aktion treten, meist eine Pumpenturbine verwendet. Vorteile von Pumpspeicherkraftwerken Sie zeichnen sich durch eine Nutzungsdauer von 50 bis zu 100 Jahren aus. Sie gleichen die Spitzenlasten des Stromnetzes aus. Pumpspeicherkraftwerke besitzen einen hohen Wirkungsgrad, meist 75 % - 80% relativ geringe Kosten. Sie können mit geringen Kosten je kwh Strom speichern bzw. erzeugen. kann innerhalb von 30 Sekunden von Stillstand auf Maximallast gefahren werden. Nachteile von Pumpspeicherkraftwerken Bau benötigt besondere geografische Bedingungen (z.b. Höhenunterschiede) Der hohe Flächenbedarf und die massive Bauweise bedeuten prägen extrem das Landschaftsbild, was wiederum ökologisch gesehen Konsequenzen nach sich zieht 4.3. Ringwallspeicher Als denkbare geotechnische Alternative derartiger Systeme kommen ebenso Ringwallspeicher in Frage. Damit können auch in Arealen, die für klassische Pumpspeichersysteme nicht in Frage kommen, große Speicherkapazitäten errichtet werden, weil dabei große Höhenunterschiede geschaffen werden bzw. vergrößert werden. Ein Ringwallspeicher dieser Größe könnte theoretisch zwei komplette Kernkraftwerke ersetzen. Speicher dieser Größe, wie in Abbildung 3 zu sehen, würden 2 GW Durchschnittsleistung annehmen, oder 3,2 GW Spitzenleistung. Die Geometrie dieser Speicher führt mit zunehmender Größe zu einem rasanten Anwachsen der Kapazität, da Volumen mit der dritten Potenz zur Größe ansteigt. In Abbildung 3 sieht man wie ein Ringwallspeicher idealisiert aussehen könnte. In der Realität würden solche perfekt runden Formen allerdings nicht vorkommen.

8 8 Abbildung 3 Ringwallspeicher-Hybridkraftwerk, Quelle: Matthias Popp Der Außendurchmesser dieser Anläge liege bei circa 11 km (Kilometer), der Walldurchmesser bei circa 6 km, die Wallhöhe bei 215 m (Meter), das Pegelspiel im inneren Oberbecken bei 50 m und im äußeren Unterbecken bei rund 20 m. Die Kapazität von circa 700GWh (Gigawattstunden) würde im Zusammenwirken mit rund 2000 Windenergieanlagen, die es in der Region immer mehr gibt, in der größten, heute verfügbaren Bauart und der notwendigen Photovoltaik in der Lage sein zwei Kernkraftwerke voll zu ersetzen. Es wäre ebenso denkbar kleinere Anlagen zu erbauen, und dann mehrere verteilt auf die Region unterzubringen. 5. Forschungsfragen 1. Wie viele geeignete Freiflächen existieren rund um Nürnberg? 2. Wie ließe sich der Speicherbedarf mit klassischen Pumpspeichern darstellen, wie mit Ringspeichern und wie mit Stülpmembranspeichern? 3. Wie viele derartige Systeme bräuchte man, um Nürnberg für zehn Tage zu versorgen? 4. Welche geschätzten Kosten werden bei der Umsetzung dieser Bauvorhaben entstehen? 6. Vorgehensweise und Ergebnisse In den nachfolgenden Unterüberschriften werden alle in diesem Projekt benutzten Tools und Hilfsmittel beschrieben. Ebenso werden die dadurch gewonnenen Ergebnisse mitgeteilt Betrachtete Karten für Auswertungen der Höhendifferenzen Um nun bestimmen zu können wo Speicherkraftwerke erbaut werden können, nimmt man ein Kartenverzeichnis zur Hilfe, dass ermöglicht alle Höhendaten von Bayern exakt zu erfassen. Unter dem Link

9 &Y= &zoom=10 wurde ein Bereich analysiert, der dem Umland von Nürnberg entspricht. In nachfolgender Abbildung 4 sieht man, wie diese topografische Karte aussieht. Abbildung 4 Geoportal Bayern mit Höhendaten. Quelle: Bayern-Atlas online, Zugriff: Zu erkennen sind die in Rot eingebrachten Höhenangaben in Metern. Zur visuellen Hervorhebung wurden Höhenlinien grafisch eingebracht. Anhand dieser können visuell Gefälle und Täler dargestellt werden. In nachfolgender Abbildung 5 erkennt man, welcher Bereich rund um Nürnberg in den Analysen betrachtet wurde.

10 10 Abbildung 5 Bereiche die für mögliche Pump und Ringwallspeicher berücksichtigt werden, Quellen: Google Maps, Bildbearbeitung: Julian Fath Dieser kreisrunde Bereich (blaue Linie) wurde wie abgebildet dimensioniert, weil die Nürnberger Stadt selbst keinen Platz aufweist um Pumpspeicherkraftwerke oder Ringwallspeicher zu erbauen, da diese Höhendifferenzen benötigen und einen sehr hohen Platzbedarf fordern. Um jedoch als in Nürnberg ansässiges Energieunternehmen die Umlandflächen nutzen zu dürfen, muss ein Teil der Energie abgegeben werden, bzw. das Umland mitversorg werden. Der blaue Ring erstreckt sich vom geografischen Zentrum Nürnbergs über 30km nach Norden, 15km nach Westen, 20km nach Osten und 12km nach Süden. Der blaue Kreis wurde lediglich als Anhaltspunkt gewertet und nicht als exakte Begrenzung für die nachfolgenden Auswertungen der Analyse. Nachfolgende Abbildung 6 zeigt die Naturschutzgebiete (rot) der betrachteten Region.

11 11 Abbildung 6 Naturschutzgebiete rund um das Nürnberger Land Quelle: Geoportal Bayern Es wurde darauf geachtet, dass das die Umgebung frei von Naturschutzgebieten, Militärischen gebieten und von unmittelbar bewohnter Fläche ist. Ob sich ein Grundstück im privat Besitz befindet, oder der Gemeinde gehört, wurde nicht beachtet Pumpspeicherpotenzial Bei der Auswertung wurde mit Möglichkeiten nach Pumpspeichern angefangen. Nachfolgende Abbildung 7 zeigt ein mögliches Kraftwerk, welches sich nahe Forchheim befinden könnte.

12 12 Abbildung 7 Beispielvorschlag eines Pumpspeicherprojekts nahe Forchheim Quellen: Google Maps, Bildbearbeitung: Julian Fath Das Unterbecken (orange) ist hierbei größer, weil dieses nicht so tief wie das Oberbecken (blau) ist (Pegelspiel). Das Unterbecken hat an der großen Halbachse eine Länge von 420m und befindet sich auf circa 320m über NN (Normal Null). Das Oberbecken auf einer Höhe von rund 530 Metern. Die Höhendifferenz der Austauschvolumenschwerpunkte beträgt damit 210 Meter. Das Versorgungsgebiet verfügt über relativ große und viele Windenergieanlagen, welche den Pumpspeicher regenerativ, sowohl im Sommer als auch im Winter, laden könnten. Ob der Rechtsstatus dieses Gebietes die Errichtung eines Ringwallspeichers nach aktueller Gesetzeslage ermöglichen würde, ist ebenso wenig Gegenstand der vorliegenden Unterlagen wie die Frage nach der konkreten Eignung der im betroffenen Gebiet vorliegenden Untergrundstrukturen und der Akzeptanz für ein derartiges Projekt. Die Abbildung 8 zeigt alle, in der Projektarbeit analysierten, möglichen Standorte für Pumpspeicher.

13 13 Abbildung 8 Mögliche Standorte für Pumpspeicherkraftwerke Quellen: Geoportal Bayern, Bildbearbeitung: Julian Fath Die nachstehende Tabelle 1 zeigt diese Standorte exakt auf und welche maximale Höhendifferenz der beiden Wasseroberfläche bestehen könnte. Tabelle 1 Standorte für Pumpspeicherkraftwerke Nummer Standort in [Breitengrad, Längengrad] Max. Höhendifferenz in [m] , , , , , , , , , , Ein typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland hat eine Fallhöhe von 250 m, da die meisten Mittelgebirge sich nicht wesentlich höher gegenüber den umliegenden Tälern erheben. Für die Planung großer Speicherkapazitäten ist es interessant, wie groß die Energiemenge ist, die man pro Quadratmeter speichern kann. Denn für die Speicherung muss Land überflutet werden und jeder kann sich überlegen, wie teuer ein Quadratmeter Land in Deutschland ist. Der betrachtete Speichersee soll einen Wasserspiegel haben, der bis zu 25 Meter schwanken kann, damit kann man pro Quadratmeter

14 14 25 Kubikmeter Wasser speichern. Unter diesen Annahmen findet man, dass auf einem Quadratmeter eine Speicherkapazität von 27,15 kwh vorhanden ist Auswertung Für die Energieversorgung mit erneuerbaren Energien müssen für jeden Einwohner im Durchschnitt 267 kwh Speicher bereitgestellt werden. Damit benötigt jeder Einwohner einen Stausee mit einer Fläche von etwa 17 m² oder einem Austauschvolumen von 435m³ in 250m Höhe, unter Einberechnung eines Wirkungsgrades von 90%. Dies erscheint nicht allzu viel, rechnet man dies jedoch auf die Einwohnerzahl von Nürnberg, 530 Tausend, hoch, so hat dieser Stausee eine Fläche von 9,2 km². Anzumerken ist, dass das Austauschvolumen sowohl im Oberbecken, als auch im Unterbecken untergebracht werden muss. Dies würde eine doppelt so große Fläche von 18,5 km² zur Folge haben. Das ist circa die doppelte Fläche des Großen Brombachsees (9,9km²). Nachfolgende Abbildung 9 illustriert, wie dieser Stausee aussehen würde. 7 Die Kantenlängen hierbei sind jeweils 4,06km lang. Abbildung 9 Nötiger Flächenbedarf um Nürnberg und das Umland für 10 Tage zu versorgen. Zu beachten hierbei ist, dass hierbei von einer Höhendifferenz von 250 m von Ober- zu Unterbecken ausgegangen wurde. Man könnte diese Fläche 40% kleiner werden lassen indem man die Höhenunterschiede auf 400 m verändern würde. Ebenso ließen höhere Pegelspiele von z.b m, kleinere Flächen von 15,4 km² bzw. 13,2 km² zu. Der in Abbildung 7 abgebildeter Stausee besitzt eine Fläche von m². Bei einer Tiefe von 25 m je Becken ergibt sich eine Kapazität von EEEEEEEE = mm gg h = 1,5 MMMM 9,81 mm ss2 250 m= 1,02 GWh. Es bräuchte, unter diesen Parametern über 138 solcher Speicher um Nürnberg für volle 10 Tage versorgen zu können. Rechnet man hier noch einen Wirkungsgrad von 90% ein, wird dieses Ergebnis nochmals höher. 7 Vgl bieten alle Speicherkraftwerke Deutschlands eine Kapazität von insgesamt 40GWh

15 15 Ebenso könnte man den Höhenunterschied maximieren, um noch weniger zu erhalten. Im Mittelgebirge sind hohe Höhenunterschiede jedoch kaum gegeben. Der in obiger Abbildung 5 abgebildete, blaue Kreis, besitzt eine Fläche von circa 1250 km². Die oben errechneten, erforderlichen 18,5 km² würden damit circa 1,5% des gesamten Flächenbedarfs der Region rund um und in Nürnberg ausmachen. Eine akute Eile zur schnellen Schaffung von Speichersystemen besteht derzeit nicht. Allerdings sollten mit Blick auf die Planungs- und Umsetzungszeiten für derartige Systeme möglichst bald Öffentlichkeitsarbeit betrieben und Rahmenbedingungen geschaffen werden, die es aus gesellschaftlicher, rechtlicher und betriebswirtschaftlicher Sicht ermöglichen, die notwendigen Prozesse in Gang zu setzen Stülpmembranspeicherpotenzial Ringwallspeicher brauchen eine noch etwas größere Fläche, als in Abbildung 9 dargestellten Fläche. Doch damit können auch in Gebieten, die für klassische Pumpspeichersysteme nicht in Frage kommen, große Speicherkapazitäten mit hohem Wirkungsgrad errichtet werden, weil dabei große Höhenunterschiede geschaffen oder natürlich vorhandene Höhenunterschiede vergrößert werden. Pumpspeicher und Ringwallspeicher beanspruchen relativ große zusammenhängende Landflächen. Sie können Ängste vor Dammversagen hervorrufen und lösen häufig heftige Proteste und Einwendungen bei der Bürgerschaft aus, sobald entsprechende Planungen bekannt werden. Der unterirdische Stülpmembranspeicher beansprucht bauartbedingt nur einen Bruchteil der Landfläche eines Pumpspeichers. Im Falle einer Havarie stellt er keine Gefahr dar, weil bauartbedingt kein Wasser auslaufen und Überschwemmungen hervorrufen kann. Bei der Analyse mussten also weniger der Platzbedarf beachtet werden, da diese im Gegensatz zu Pumpspeichern wenig Platz benötigen, sondern mehr darauf, wo diese Akzeptanz finden würden bzw. wenig stören würden. Nachfolgende Abbildung 10 zeigt geeignete Standorte im Nürnberger Umland.

16 16 Abbildung 10 Mögliche Orte für Stülpmembranspeicher Quellen: Geoportal Bayern, Bildbearbeitung: Julian Fath Bei der Analyse wurden nicht alle Potenziale ausgeschöpft, theoretisch sind Stülpmembranspeicher überall dort denkbar, wo Freifläche existiert. Beispielhaft könnte der in Abbildung 1 Stülpmembranspeicher folgende technische Daten aufweisen: Kolbendurchmesser: 150 m, Kolbenhöhe: 275 m, Hubweg: 200 m Flächenbedarf, mit Hügel aus Aushub und Umgriff: 20 ha, der eigentliche Speicher: 3 ha (ein Hektar entspricht 100 m * 100 m) Stromspeicherkapazität 3,6 GWh Spitzenlast, überbrück 10 Tage für über Einwohner Wärmespeicherkapazität über 93 GWh zur vollkommen regenerativen Wärmeversorgung für über 9000 Einwohner Auswertung Verrechnet man nun die reine Stromspeicherkapazität dieses Speichers, mit dem Ziel 141,6 GWh, zu erreichen, ergibt sich eine Anzahl von 40 nötigen Stülpmembranspeichern. Ein Stülpmembranspeicher benötigt circa eine Fläche von 10m² pro Einwohner. Um die Stadt versorgen zu können benötigt man also 3haa 40 SSSSSSSSccheeee = 1,2 kkkk² Fläche. Nürnberg besitzt 186,38 km 2 8 an Gesamtfläche, also machen die Speicher gerade einmal 0,7% der Gesamtfläche aus. Laut dem von Prof. Dr. Matthias Popp zur Verfügung gestelltem Excel Tool Stülpmembranspeicher Kostenabschätzung, liegen die Herstellkosten spezifisch für diesen Stülpmembranspeicher bei 40,2 8 Quelle: Wikipedia Nürnberg. [online]

17 17 /kwh oder 2579 pro Einwohner. Gesamte Herstellkosten für die Stromspeicherung betragen damit rund für eine Anlage mit 3,6GWh Kapazität und zusätzlich für die Wärmespeicherung. Zum Vergleich: Würden man ein Gerät mit einer Kapazität von 2,5GWh in Strom auslegen und einen Kolbendurchmesser von 120m, so werden die spezifischen Kosten höher. Die kwh Strom steigt dann auf 44,3, also 4,1 mehr. 7. Fazit Eine Realisierung von Speicherkraftwerken, um Nürnberg und das Umland für 10 Tage zu versorgen ist mit Pumpspeichern nicht umsetzbar, da eine Erbauung von über 100 Anlagen sehr Flächenfordernd für das Umland ist. Für die Auslegung sind das Mittelgebirge und die Region nicht ausreichend geeignet. Im Projekt stellte sich jedoch heraus, dass Stülpmembranspeicher sehr viel Potenzial aufweisen, da diese pro Einwohner nur 10m² beanspruchen würden. Die 3ha die über dem Speicher als Freifläche bleiben, können anderweitig genutzt bzw. begrünt werden. Wenn sich diese freie Fläche nicht ins Landschaftsbild einfügt, kann dies zu Problemen in der Anerkennung durch die Gesellschaft führen. Es besteht ebenso ein Sicherheitsrisiko, da in solchen Speichern seitlich tiefe Spalte vorhanden sind. Denkbar ist zum Beispiel eine schwimmende Plattform, auf der Solaranlagen aufgestellt sind. Da aus Luftbildern ersichtlich wurde, dass keine praktisch ausreichenden Flächen für ein oder mehrere Ringwallspeicher existieren, wurde auf die nähere Analyse verzichtet. Die Fläche wäre nochmal größer, als diese für Pumpspeicher, da keine Höhenunterschiede von 250 Metern im Umland künstlich geschaffen werden können.

18 18 8. Literatur Bundesregierung (2010): Energiewende im Überblick. Online verfügbar unter Buehne/ma%C3%9Fnahmen-im-ueberblick.html, zuletzt aktualisiert am Wikipedia: Pumpspeicherkraftwerk Happurg. Online verfügbar unter zuletzt aktualisiert am Matthias Popp (2010): Speicherbedarf bei einer Stromversorgung mit erneuerbaren Energien, S.42. Popp, Matthias (2017): Informationen Stülpmembranspeicher. Online verfügbar unter zuletzt aktualisiert am Offizielle Webseite von Nürnberg : CO2 Monitoring: Die Ziele im Blick. Online verfügbar unter zuletzt aktualisiert am Bannert, Dennis. (2017). Optimaler Mix der Energieanlagen. Persönliche Mitteilung Pumpspeicherkraftwerke (Eduard Heindl, ): Pumpspeicherkraftwerke. Online verfügbar unter zuletzt aktualisiert am Matthias Popp (2014): Autarkiewunsch_kontra_Gleichstromtrassen_Leupoldsgruen_2014.pdf Pumpspeicherkraftwerk Strom speichern im großen Stil. Online verfügbar unter zuletzt aktualisiert am

19 19 Eidesstattliche Erklärung Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig bearbeitet, nicht anderweitig für Prüfungszwecke vorgelegt, alle benutzten Quellen und Hilfsmittel angegeben, sowie wörtliche und sinngemäße Zitate gekennzeichnet habe. Ort, Datum und Unterschrift von Julian Fath: