Herausforderungen im Strombereich

Transkript

1 Herausforderungen im Strombereich Kostengünstige und ökologische Speicherung großer Mengen elektrischer Energie

2 Solarenergie Power demand Conventional sources

3 Vorhandene Speicherkapazität

4 Wind- und Solarenergie Wind 60% Die Leistung von Windund Solarenergie schwanken Winter Frühling Sommer Herbst Sonne 40% Speicher für mindestens sieben Tage erforderlich! 150kWh/Person

5 Die Wirkung von Stromleitungen Speicherbedarf Europäisches Hochspanungsnetz: Deutsches Hochspannungsnetz: Kein Netz: 2 Tagesladungen 7 Tagesladungen 180 Tagesladungen Lueder von Bremen, Storage and Transport Capacities in Europe for a full Renewable Power Supply System, European Wind Energy Conference, Session CG3, Marseille, France March 2009

6 Stromerzeugung bisher Steuerbare Kraftwerke Nicht steuerbarer Verbrauch Netze

7 Energieversorgung mit fluktuierenden Erneuerbaren Energien Stromernte Photovoltaik auf privaten Flächen Nicht steuerbarer Verbrauch Stromernte Wind verteilte Strukturen Netze Speicher Steuerbarer Verbrauch

8 Bildquelle: Bildquelle: Bildquelle: Wikipedia

9 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)

10 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.

11 1kWh

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

13 Methan als Speicher 25% 75%

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

15 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.!! 15

16 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.

17 r l=2r h=r

18 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

19 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.

20 Abtrennung Bodenplatte Bergmännische Ausräumung Abdichtung Basistunnel Abraum verstopfen Schrämmaschine 2. Tunnel Abdichtung Seitenansicht 20

21 Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht Basistunnel Ausgebrochenes Material Geschnittener Fels Ursprünglicher Fels Schram- Maschine Aufsicht 2. Tunnel 21

22 Abtrennung Bodenplatte Abgetrennte Bodenfläche Abdichtung Basistunnel Aufgebrochenes Material 2. Tunnel Abdichtung Seitenansicht 22

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

24 Aussenschacht Aufgrund der Felsmechanik wird der Außenschacht V-Förmig geschnitten Seilsägen Fels Zylinder Versorgungstunnel Versorgungstunnel Seitenansicht Felsen Ausgebrochenes Material 24

25 Schachtform Aufgrund des Bergdrucks wird sich der Zylinder nach der Entlastung ausdehnen Graben Fels Zylinder Bergdruck Bergdruck Versorgungstunnel Versorgungstunnel Seitenansicht Ausgebrochenes Material 25

26 Abdichtung Seitenwände Die Oberflächen des Gesteins werden mit wasserdichter Geomembran-Folie überzogen Abdichtung Fels Zylinder Versorgungstunnel Versorgungstunnel Seitenansicht Ausgebrochenes Material 26

27 Heindl

28 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

29 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.

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

31 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 31

32 Vergleich der Speichertechnik Hoher Wirkungsgrad Niedrige Kosten pro kwh Geringe Umweltbelastung Batterien 90% 500 CO2, Rohstoffe, Flächenbedarf, Entsorgung Power2Gas 25%? Pumpspeicher 80% 100 Landschaftsverbrauch 10kWh/m² Lageenergiespeicher 80% <20 Bis zu 2MWh/m² 32

33 Marktsignale EEX EEX Strompreis

34 Falsche Marktsignale Mehrwertsteuer Stromsteuer Offshore H-Umlage 19 Umlage KWK Aufschlag EEG Umlage Konzessionsabgabe Netznutzung Kleine prozentuale Schwankung, kein Signal für den Speichermarkt Endkunden Strompreis EEX Strompreis

35 Wirksame Marktsignale Große prozentuale Schwankung, starke Signale für den Speichermarkt Endkunden Strompreis EEX+ 200% EEX Strompreis

36 Vielen Dank für Ihr Interesse! Fragen? 36

37 Kontakt Hochschule Furtwangen Prof. Dr. Eduard Heindl Robert Gerwig Platz Furtwangen Germany [email protected] 37