Energiekonferenz TH Nürnberg & N-Ergie Beitrag der Stülpmembranspeichertechnologie für den Strombedarf bei einer 100% regenerativen Versorgung der Metropolregion Nürnberg Referent: Kevin Gerstberger Kontakt: gerstbergerke64510@th-nuernberg.de
Gliederung 1. Motivation 2. Die Stülpmembranspeichertechnologie Allgemeines / Aufbau Funktionsweise 3. Die Datenanalyse Rastergebietsauswahl Vergleich von Potential und Verbrauch 4. Positionierung und Dimensionierung Standortwahl Auslegung 5. Literatur und Quellenverzeichnis 28.06.2018 Kevin Gerstberger 1
Motivation Pariser Klimaabkommen Klimapakt der EMN 80 % CO 2 -Einsparung bis 2050 100 % regenerative Stromerzeugung Problem Fluktuierendes Energieangebot durch Wind und Solar Überbrücken der Defizitzeiträume 28.06.2018 Kevin Gerstberger 2
Die Stülpmembranspeichertechnologie Allgemeines / Aufbau Geotechnisches Speichersystem Patentiert von Dr. Matthias Popp (2013) Etliche Forschungsarbeiten zur Umsetzung einer Anlage Nutzung zur Speicherung von potentieller und Wärmeenergie Funktionsweise Hydraulisches anheben eines Erdkolbens durch Wasser 1.) Stülpmembran 2.) Erdkolben 3.) obere Druckzone 4.) untere Druckzone 5.) Pumpenturbine 6.) Generator 7.) Stützkörper 8.) Solarmodule Geringerer Platzbedarf durch höhere Dichte Abttrennen der Druckzonen durch die Stülpmembran Abbildung 1: Aufbau des Stülpmembranspeichers Datenquelle: Popp, 2013, [10] Energieumsetzung durch eine Pumpenturbine 28.06.2018 Kevin Gerstberger 3
Die Datenanalyse Rastergebietsauswahl Geographische Lage Ausgeglichenes Verhältnis zwischen Stadt- und Landgebiete Hochrechnen der Verbrauchs- und Erzeugungsdaten über das Einwohnerverhältnis Einwohner im Gebiet 288.572 Menschen Abbildung 2: Google Earth mit EMN und MDN Gebietsoverlay Datenquellen: Google Earth (2018) [5], Europäische Metropolregion Nürnberg(2017)[4] & Main-Donau Netzgesellschaft(2018) [8] 28.06.2018 Kevin Gerstberger 4
Die Datenanalyse Vergleich von Potential und Verbrauch Tägliche Nutzung des Speichers ist Notwendig für den Ausgleich In den Wintermonaten gibt es einen Höheren Ausgleichsbedarf Mittleres Produktionspotential Maximale Leistungsaufnahme Maximales Leistungsabgabe Längster Defizitzeitraum Benötigte Speicherkapazität 892 MW 815 MW 310 MW 132 Stunden 33.500 MWh Residu uallast [MW] 350 300 250 200 150 100 50-50 0-100 -150-200 -250-300 -350-400 -450-500 -550-600 -650-700 -750 Residuallastverhalten 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 Zeitachse [h] Abbildung 3: Residuallastverhalten über Jahresstunden Datenquellen: Nasa(2018) [9], Main-Donau Netzgesellschaft (2017)[6,7,8] & Bayernwerk(2017)[3] 28.06.2018 Kevin Gerstberger 5
Positionierung und Dimensionierung Standortwahl Kluge Standortwahl erhöht die Wirtschaftlichkeit Kriterien für die Wahl: Speicherkapazität 10 GWh Bodenbeschaffenheit (kompakter Sand- und Kalkstein) Ausreichend Platzbedarf (ca.30 Hektar) Ist Netzanschluss / Infrastruktur Vorhanden Energieerzeugungsanlagen in der Nahe Gesellschaftliche und politische Akzeptanz 28.06.2018 Kevin Gerstberger 6
Positionierung und Dimensionierung Abbildung 4: Möglicher Standort Raitersaich Quelle: Google Earth (2018) [5] Abbildung 5: Geologische Übersichtskarte von Bayern Quelle: Bayerisches Geologisches Landesamt, 1994, Geologische Übersichtskarten [1] 28.06.2018 Kevin Gerstberger 7
Positionierung und Dimensionierung Abbildung 6: Allgemeine skizzenhafte Bemaßung des Stülpmembranspeichers 28.06.2018 Kevin Gerstberger 8
Positionierung und Dimensionierung Auslegung - Annahmen Tabelle 1: Festlegung / Annahmen für die Berechnung Festlegung / Annahme Formelzeichen Wert Einheit Dichte Wasser ρ w 1.000 kg/m³ Dichte Untergrund ρ un 2.600 kg/m³ Dichte Kautschuk ρ gu 960 kg/m³ Dichte Stahl ρ st 7.850 kg/m³ Geforderte E gef 10.000 MWh Speicherkapazität Spaltbreite S spalt 1 m Anteil über Erde x ue 15 % Betonwandbreite S beton 0,6 m Zulässige Zugspannung Ϭ zul,st 355 N/mm² Stahl Seitenbeiwert Bewehrung x sb 1 % Zulässige Zugspannung Ϭ zul,mem 35 N/mm² Membran Volumenanteil Stahl in der X st,mem 35 % Membran Zuschlag für die - 40 % Herstellung Festlegung / Annahme Formelzeichen Wert Einheit Maximale Speicherdauer t max 132 h Verbrauch pro Kopf P kopf 750 W/Kopf Abstand zwischen den z rohr 0,5 m Wärmerohren Durchmesser Wärmerohre d rohr 30 mm Wandstärke Wärmerohre s rohr 2,5 mm Spezifische Betonkosten - 160 /m³ Spezifische Stahlkosten - 850 /t Spezifische - 1760 /t Kautschukkosten Spezifische - 22 /m² Grunderwerbskosten Spezifische - 600.000 /MW Kraftwerkskosten Spezifische Erdbaukosten - 5 /m³ Spezifische - 20 /m³ Spaltaushubkosten 28.06.2018 Kevin Gerstberger 9
Positionierung und Dimensionierung Auslegung - Ergebnisse Fazit: Ergebnisstabelle Herstellungskosten rund 340 Mio. Euro 40 Anlagen für die gesamte EMN notwendig Gesamtplatzbedarf 1200 Hektar (0,055% der EMN) Hoher Wirkungsgrad und Speicherkapazität Flexibles und platzsparendes Speichersystem kein saisonaler Ausgleichsspeicher zusätzliche Nutzung als Wärmespeicher möglich Zweistelliger prozentueller Anteil an der Stromspeicheraufgabe realistisch Tabelle 2: Ergebnisse für beispielhafte Auslegung Bezeichnung Formelzeichen Wert Einheit Geforderte E gef 10.000 MWh Speicherkapazität Erdkolbenradius r k 154 m Gesamthöhe der Anlage h ges 360 m Gesamtflächenbedarf A ges 30 Hektar Kolbenabtriebskraft F ab 239.000 MN Druck in der unteren Druckzone p u 32 bar Spaltaushubvolumen V spalt 548.000 m³ Aushubvolumen V aushub 4.812.000 m³ Höhe der Anböschung h bösch 56 m Bewehrungsgesamtmasse m bew 100.700 t Kautschuk Gesamtmasse m gu 2.000 t Gesamtvolumen Beton V beton 413.000 m³ Tagesladungen t max 5,5 d Anzahl versorgbarer x person 101.000 - Menschen Wärmeanlagenlänge l schlau 319 km 28.06.2018 Kevin Gerstberger 10
Literatur und Quellenverzeichnis [1] Bayerisches Geologisches Landesamt, 1994, Geologische Übersichtskarten und Schriften, Aufgerufen am 24.05.2018 von https://www.bestellen.bayern.de/application/eshop_app000003?sid=1278371431&actionxsessxshowpic(bildxkey:%2716021%27,bildxclass:%27artikel%27,bildxtype:%27pd F%27) [2] Bayernwerk, 2017, Netzkarte, Aufgerufen am 10.05.2018 von https://www.bayernwerk.de/content/dam/revu-global/bayernwerk/7.002_netzkarte_vorderseite.pdf [3] Bayernwerk,2017, Netzstrukturdaten, Aufgerufen am 10.05.2018 von https://www.bayernwerk-netz.de/de/bayernwerk-netzgmbh/netzinformation/veroeffentlichungspflichten/strom/netzstrukturdaten.html [4] Europäische Metropolregion Nürnberg, 2017, Karten, Aufgerufen am 10.05.2018 von https://www.metropolregionnuernberg.de/fileadmin/metropolregion_nuernberg_2011/07_service/02_downloads/karten/emn_karte_neu_inkl_sonneberg.jpg [5] Google Earth, 2018 [6} Main-Donau-Netzgesellschaft, 2017, 17 Abs. 2 Nr. 3 Höchstentnahmelast, Excel-Datei, Aufgerufen am 08.05.2018 von https://www.main-donau-netz.de/static-resources/content/vp_mdn/resources/doc/hoechstlasten_je_netzebene_2017.xlsx [7] Main-Donau-Netzgesellschaft, 2017, 17 Abs. 2 Nr. 6 Dezentrale Netzeinspeisung je Netzebene, Excel-Datei, Aufgerufen am 08.05.2018 von https://www.main-donau-netz.de/static-resources/content/vp_mdn/resources/doc/dezentrale_einspeisung_je_netzebene_2017.xlsx [8] Main-Donau-Netzgesellschaft, 2017, Netzkennzahlen, Aufgerufen am 10.05.2018 von https://www.main-donau-netz.de/netze/strom/netzkennzahlen.html [9] Nasa, 2018, MERRA2-Datenbank, Aufgerufen am 20.05.2018 von https://urs.earthdata.nasa.gov/ [10] Popp, 2013, Stülpmembranspeicher Aufbau, Aufgerufen am 14.04.2018 von http://www.poppware.de/stuelpmembranspeicher/stuelpmembranspeicher_aufbau_fbg.png [11] Popp, 2013, Stülpmembranspeicher, Aufgerufen am 14.04.2018 von http://www.poppware.de/stuelpmembranspeicher/ 28.06.2018 Kevin Gerstberger 11