Powertower. Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Aufleger

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1 WASSERBAU Gutachten / Beratung Meichelbeckstraße 16a Penzberg Powertower Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Aufleger Bayerischer Energiedialog Arbeitsgruppe Beitrag der Speichertechnologien 3. Sitzung am , München Kontakt: markus.aufleger@uibk.ac.at

2 PUMPSPEICHER - BAUWEISEN Markus Aufleger. WASSERBAU INNSBRUCK

3 PUMPSPEICHER - BAUWEISEN Markus Aufleger. WASSERBAU INNSBRUCK 3

4 PUMPSPEICHER - BAUWEISEN F wenige Mio. m 3 wenige Stunden Leistung wenige hundert Meter Fallhöhe i.a. vollständige Abdichtung Markus Aufleger. WASSERBAU INNSBRUCK 4

5 PUMPSPEICHER - BAUWEISEN Speicherkraftwerke mit Pumpspeicheroption Bewirtschaftung mit Deutschen Partnern E.ON, EnBW, RWE Markus Aufleger. WASSERBAU INNSBRUCK 5

6 PUMPSPEICHER - BAUWEISEN Mehrere zig bis über hundert Mio. m 3 viele Stunden Leistung oft mehrere hundert Meter Fallhöhe Talsperren Markus Aufleger. WASSERBAU INNSBRUCK 6

7 PUMPSPEICHER ALTERNATIVE OBERBECKEN konventionelles Oberbecken Oberbecken im Berg 1) Schachtbecken (abgedeckt oder offen) 1) Auch Unterbecken im Berg möglich

8 ~ 1000 m PUMPSPEICHER ALS BERGBAUFOLGENUTZUNG? Oberbecken Tagebauabraum Tagebau Näheres z.b. unter: /data/0/2/Flyer-Halde-Sundern.pdf Schacht Näheres z.b. unter: Stollensysteme (= Unterbecken)

9 PUMPSPEICHER - HYDRAULIC GRAVITY STORAGE Lageenergiespeicher (Bauhöhe bis etwa 500 m bzw m) Gravity Power (Bauhöhe etwa 500 m bis 1000 m) Siehe Siehe

10 Powertower Gravity Power Powertower (Bauhöhe bis etwa 100 m) Gravity Power (Bauhöhe etwa 500 m bis 1000 m) Niedriger Druck Wasser Gewicht Pumpturbine Hoher Druck Siehe Siehe

11 bis 1000 m bis 1000 m bis 100 m HYDRAULIC GRAVITY STORAGE Konzeptgrößen bis 1000 m bis 80 m bis 30 m Lageenergiespeicher Gravity Power Powertower

12 bis 100 m Powertower - Baugrößen Powertower ~ 10 MWh ~ 1 MWh 30 m 10 m Zum Vergleich

13 bis 100 m Powertower - Baugrößen Powertower 5 MWh Batteriespeicher mit Gebäude ~ 10 MWh ~ 1 MWh 30 m 10 m Zum Vergleich

14 Powertower - Bauweisen Außen liegende Pumpturbine Integrierte Pumpturbine Pumpbetrieb Niedriger Druck Wasser Gewicht Pumpturbine Pumpturbine Hoher Druck Siehe

15 Powertower - Bauweisen Außen liegende Pumpturbine Integrierte Pumpturbine Niedriger Druck Turbinenbetrieb Wasser Gewicht Pumpturbine Hoher Druck Siehe

16 DER TECHNISCHE ENTWICKLUNGSSTAND Zwei Versuchsstände erfolgreich errichtet, Großversuch in Vorbereitung! Powertower 1 (2011) +) Powertower 2 (2013) +) Vorbereitung Powertower 3 (2015) ++) +) Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) -NEUE ENERGIEN 2020 / Powertower Hydraulische Großenergiespeicher / / ,- ++) FFG - Energieforschungsprogramm / Prepare PT 3 - Powertower - Vorbereitung eines kooperativen F&E-Projektes / / ,-

17 6,0 m POWERTOWER 2 - INNSBRUCK GFK-Rohr Klappe 42 t Dichtung, Führung Pump- Turbine DH = 8,7m Fundament Fundament

18 Druckmessungen 3D-Numerik POWERTOWER - WIRKUNGSGRAD D h Einströmung << 0.01 D H D h Reibung ~ 0.01 D H 0.02 D H D h Ausströmung << 0.01 D H Fundament d.h. Wirkungsgrad M der Maschine (Pumpe / Turbine) maßgebend für den Umwälzwirkungsgrad Powertower Powertower > 0,80

19 POWERTOWER WIRKUNGSGRAD UND LEBENSDAUER Stromspeicher Wirkungsgrad [-] 1,0 POWERTOWER (aber auch Pumpspeicher, Buoyant Energy etc.) 0,5 Power to Gas 1) (qualitativ) Batterien (qualitativ) Jahre 1) bei Rückverstromung (Lebensdauer: Speicher 100 a; PtG-Anlage 15 a) Quelle für Abschätzungen zu Batterie- und PtG Technologie: Diskussionsergebnisse der AG Beitrag der Speichertechnologien, Bayerischer Energiedialog

20 2,2 m 6 m m m POWERTOWER ENTWICKLUNGSPLAN FFG ENERGIEN 2020 Hydraulischer Großenergiespeicher Powertower (abgeschlossen, ) Industrielle Forschung Fördermittel in Österreich oder Deutschland Experim. Entwicklung in direkter Zusammenarbeit mit Industrie Markteinführung durch Energieversorger oder Netzbetreiber Grundlagenforschung Großversuch (2015/2016) Prototyp (2017) (technisch möglich vor 2020) TRL 1 - TRL 3 TRL 4 - TRL 5 TRL 6 - TRL 8 TRL 9 abgeschlossen, finanziert Finanzierung noch offen FFG Energieforschung Prepare PT 3 (Neu, 2015) 2,3 m 5 15 m m Kurzbezeichnung PT 1 PT 2 PT 3 PT 4 PT X Zylinder Höhe/ Durchmesser 2,2 m / 0,6 m 6 m / 2,3 m m / 5-15 m m / m Mehrere PT in Auflast 1,5 t 42 t t t clusterweiser Anordnung Druckhöhe 4 m WS 8,7 m WS m WS m WS 1 bis 10 MWh je Zylinder Leistung ~ 40 W ~ 4 KW kw kw Kapazität ~ 3,5 Wh ~ 0,2 kwh kwh kwh 5 bis 100 MWh je Cluster

21 GROßVERSUCH - PT 3 ZIELE Funktioneller Nachweis im halbtechnischen Maßstab Weiterentwicklung der Dichtungs- und Führungskonzepte Dichtungsaustausch Optimierung der Bautechnik Optimierung der Maschinentechnik Betriebserfahrung Öffentlichkeitsarbeit

22 H = 20,0 bis 30,0 m GROßVERSUCH - PT 3 B = 5,0 bis 8,0 m Großversuch: Variante A: Behälter Revisionsdichtung Anschluss-, Steuerkabel Wasser Außenleitung und Abschlusskabel Gerüst Spannbeton Dichtung Pumpturbine Führung Auflast PT Absperrklappe PT Betriebsraum, Container Fundament Pumpturbine (für externen Betrieb) Wasseranschluss

23 GROßVERSUCH - PT 3 Großversuch: Variante A: Behälter Dichtungsrevision bzw. - austausch PT PT

24 H = 25,0 m H = 22,0 m GROßVERSUCH - PT 3 Großversuch: Variante B: Schacht B = 15,0 m Revisionsdichtung Wasser Anschluss-, Steuerungskabel Schlitzwand Innenschale CV CV Dichtung Führung PT Pumpturbine Auflast Absperrklappe

25 POWERTOWER - TÜRME

26 POWERTOWER - SCHÄCHTE Sehr vielen Personen gefällt das

27 POWERTOWER - KOMBINATIONSLÖSUNGEN

28 POWERTOWER Direkte Integration volatiler Einspeisung = Je mehr Speicher, umso weniger Windparks bzw. PV-Anlagen notwendig!

29 POWERTOWER KRITERIEN (im Vergleich mit Pumpspeicher)

30 POWERTOWER KRITERIEN (im Vergleich mit Pumpspeicher)

31 POWERTOWER KERNAUSSAGEN Strom zu Strom. Hoher Wirkungsgrad. Unempfindlich gegenüber rustikaler Betriebsweise. Dezentrale Speichereinheiten (nahe der volatilen Erzeugung bzw. nahe großer Verbraucher). Direkte Integration erneuerbarer Energien -> evtl. Reduzierung des notwendigen Windkraft- bzw. Solarausbau. Entlastung des elektrischen Netzes (ggfs. Reduzierung des Umfangs des erforderlichen Netzausbaus). Nachhaltige Technologie (>> 50 Jahre).

32 POWERTOWER KERNAUSSAGEN Einfach, sauber und robust - nur Beton, Stahl, Wasser, Kabel.. Kurze Entwicklungszeit! Investitionskosten noch unscharf (erhebliches Optimierungspotential). Teurer als Pumpspeicher, aber voraussichtlich erhebliche Vorteile gegenüber anderen Stromspeichern. Vermutlich hohe gesellschaftliche Akzeptanz und kurze Genehmigungsverfahren. Powertower + Buoyant Energy = BLUE ENERGY STORAGE. (umfassendes integrales Speicherkonzept, siehe Anlage 1)

33 WASSERBAU Gutachten / Beratung Meichelbeckstraße 16a Penzberg Powertower Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Aufleger Bayerischer Energiedialog Arbeitsgruppe Beitrag der Speichertechnologien 3. Sitzung am , München Kontakt: markus.aufleger@uibk.ac.at

34 ANLAGE 1 BLUE ENERGY STORAGE ANLAGE 1 BLUE ENERGY STORAGE

35 ANLAGE BLUE ENERGY STORAGE POWERTOWER Siehe BUOYANT ENERGY Siehe BLUE ENERGY STORAGE

36 BLUE ENERGY STORAGE - TECHNISCHE KONZEPTE VON POWERTOWER UND BUOYANT ENERGY Pumpspeicher über Kopf Wasser Pumpturbine Niedriger Druck Gewicht Pumpbetrieb (Stromspeicherung) Turbinenbetrieb (Stromerzeugung) Hoher Druck Schwimmende Pumpspeicheranlagen Weightt Pumpturbine Meer, See (aber auch Tagebaurestloch)

37 today far - shore wind farms (shallow water) AC near - shore wind farms AC AC PV consumer AC

38 one day.. far - shore wind farms (shallow water) far - shore wind farms (deep water) AC Buoyant Energy Energy Storage and Service Platform e.g. ~ 10 MWh 100 x 100 x 40 m HVDC Converter, Energy Storage and Service Platform e.g. ~ 45 MWh 200 x 200 x 40 m Energy Storage in Floating Wind Turbine e.g. 2 MWh H 100 m R 10 m near - shore wind farms (shallow water) Energy Storage Monopile Cluster e.g. 50 MWh 50 units a H 100 m R 7 m Giga Energy Storage Multi-Porpose e.g. 500 MWh (0,5 GWh) 1000 m x 500 m x 40 m AC AC Powertower Powertower Cluster e.g. 10 MWh 10 Units a H 100 m R 5 m PV landscape preserving underground installation possible! on-shore wind farms consumer AC