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Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Der Lageenergiespeicher
Ein Konzept zur kostengünstigen Speicherung großer Mengen elektrischer Energie
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Professor Dr. Eduard Heindl Diplom Physiker und Diplom Ingenieur Erfinder des Lageenergiespeichers *1961 Mühldorf/Inn Unternehmer Heindl Internet AG Heindl Server GmbH A3M AG Heindl Energy GmbH i.G. Hochschullehrer Hochschule Furtwangen LB Hochschule Geislingen Kontakt Hochschule Furtwangen Robert-Gerwig-Platz 1 D-78120 Furtwangen Germany eduard@heindl.de
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Das weltweite Wachstum liegt bei 70% pro Jahr, wobei sogar die Wachstumsrate selbst ansteigt. Ursache: Massiver Preisverfall bei PV Modulen von 5.000€/kW auf 500€/kW in fünf Jahren.
Weltweiter Strombedarf
Ph
oto
volt
aik
[MW
p]
Datenquelle: Wikipedia
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Power demand
Conventional sources
Solarenergie
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Vorhandene Speicherkapazität
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Wind- und Solarenergie
Aufgrund der metrologisch und astronomisch bedingten Schwankungen von Wind und Sonne sind für eine Versorgung aus EE aufgrund von Großwetterlagen Speicher von enormer Kapazität nötig.
Speicher für
mindestens sieben
Tage erforderlich!
150kWh/Person
Winter Frühling Sommer Herbst
Die Leistung von Wind-
und Solarenergie
schwanken Wind
Sonne
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Stromerzeugung bisher
Einfache Stromerzeugung aus fossilen Energiespeichern wie Öl, Kohle, Gas.
Steuerbare Kraftwerke
Nicht steuerbarer Verbrauch
Netze
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Energieversorgung mit fluktuierenden Erneuerbaren Energien
Speicher sind die entscheidende Schnittstelle zwischen Energieernte und Energiebedarf. Wer günstigen Speicher anbieten kann, kann zwischen Erzeuger und Verbraucher vermitteln!
Stromernte Photovoltaik
auf privaten Flächen
Stromernte Wind
verteilte Strukturen
Speicher
Nicht steuerbarer Verbrauch
Steuerbarer Verbrauch
Netze
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Bildquelle: http://www.chiemsee-alpenland.de
Bildquelle: http://www.mbr-alzey.de
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Unterdeckung 100TWh
Überschuss 150 TWh
Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind
speichern
Solar Wind
Sonstige
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)
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Entwicklung installierter Wind- und Solarkraft in Deutschland; Zeitschiene für Speicherbedarf
Bei einer Fortschreibung des 15% Wachstums der Wind- und Solarenergiekapazität werden im Zeitfenster 2015 – 2025 Investitionen in Speicher notwendig, damit eine sichere Versorgung gewährleistet ist.
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• Globaler Umstieg auf Photovoltaik beginnt!
• Finanzkrise beschleunigt, da sichere Rendite in der Solar-/Windstromproduktion
Welt 2012: 250GWpWind und 100GWpPV
Folgerungen:
• Strom-Speicherbedarf für globale Energieproduktion wächst überproportional
• Energiespeicher sind der Zukunftsmarkt!
Trend
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1kWh
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Hochschule Furtwangen Heindl 2011
Speicher für 7 Tage Pro Person 2,2 Tonnen Bleiakkumulatoren Preis: 25.000€
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Methan als Speicher
25% 75%
Platzbedarf für Speichersee
Heindl 2012 16
Pumpspeicherkraftwerk
Kapazität für 7 Tage
Deutscher Strombedarf
(15m² pro Einwohner)
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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
25.000€ (2,2t) ... 130.000 €
17
Speicherkosten in Deutschland: 2.000 Mrd.€ ... 10.400 Mrd.€ !!
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Der Lageenergiespeicher: Das Grundprinzip
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.
hmax=r
Stromnetz r
2r
E~r4
Wasservolumen Pumpe
und Turbine
Verbindung
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h=r
r
l=2r
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h=r
r
l=2r
Masse ~ r³ Höhe ~ r
Kosten per kWh~1/r²
Speicherkapazität: E ~ g * m * h
Baukosten:
b ~ r²
r³ r
Speicherkapazität:
E = 2 π g ρ * r4
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Bau eines Lageenergiespeicher
Das Freilegen der Gesteinsmasse erfolgt mit konventionellen Methoden des Bergbaus. Ein Tunnelsystem gewährt den Zugang zu den einzelnen Bauabschnitten.
Schacht Basistunnel/
Wassereinlass
1. Tunnel
Baustellen-straße
Bohrtürme
Bohrlöcher
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Abtrennung Bodenplatte
• Bergmännische Ausräumung
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Schräm- maschine
Abraum
verstopfen
Seitenansicht
Abdichtung
Abdichtung
2. Tunnel Basis-
tunnel
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Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht
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2. Tunnel
Ursprünglicher
Fels
Ausgebrochenes
Material
Aufsicht
Schram- Ma-
schine
Geschnittener Fels
Basistunnel
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Abtrennung Bodenplatte
• Abgetrennte Bodenfläche
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Abdichtung
Abdichtung
2. Tunnel Aufgebrochenes Material
Seitenansicht
Basis-
tunnel
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Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen
1. Tunnel
traction
r
Geschnittene Fläche
Diamant Seilsäge
Fels
Bohrlöcher
Seitenansicht
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Aussenschacht
Aufgrund der Felsmechanik wird der Außenschacht V-Förmig geschnitten
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Seilsägen
Seitenansicht
Versorgungs-tunnel
Ausgebrochenes Material
Felsen Versorgungs-
tunnel
Zylinder Fels
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Schachtform
Aufgrund des Bergdrucks wird sich der Zylinder nach der Entlastung ausdehnen
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Graben
Seitenansicht
Versorgungs-tunnel
Versorgungs-tunnel Ausgebrochenes
Material
Fels Zylinder
Bergdruck Bergdruck
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Abdichtung Seitenwände
Die Oberflächen des Gesteins werden mit wasserdichter Geomembran-Folie überzogen
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Abdichtung
Seitenansicht
Versorgungs-tunnel
Versorgungs-tunnel Ausgebrochenes
Material
Fels Zylinder
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Heindl 2011
30
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Das Dichtungsystem
Das gesamte System ist gegenüber der Umwelt durch Geomembranen abgedichtet. Der Zylinder trägt einen Dichtungsring, der flexibel auf Unebenheiten reagiert
Metall
Dichtungsring
Abdichtung, um den Fels trocken zu
halten
schwimmender
Felszylinder
Wasser im
Zylinder-Hohlraum
Felssicherung Ausschnitt Dichtung
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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.
Beispiele für Größen und Kosten (Darstellung maßstäblich)
Starnberg 0,5
100€/kWh
Nürnberg 8GWh 20€/kWh
Bayern
120GWh 4€/kWh
1600GWh 1€/kWh
Deutschland
20€/kWh
4€/kWh 1€/kWh
100€/kWh
Felswände
Heindl 2012 33 Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck)
1000m
Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia)
80m
300m
operate
Technische Daten Radius [m] 62,5 125 250 500
Durchmesser [m] 125 250 500 1.000
Volumen Fels [m³] 1.534.000 12.272.000 98.175.000 785.398.000
Masse Fels [t] 3.988.000 31.907.000 255.254.000* 2.042.040.000
Druck† [Bar] 26 52 103 206
Druck oben [Bar] 20 39 78 157
Energie [GWh]
0,5 8 124
** 1.980
Heindl 2013 35
Abhängigkeit vom Radius: • Druck wächst linear • Masse wächst in der 3. Potenz • Energie wächst in der 4. Potenz
r
m=ρV p
* Entspricht etwa der Ladekapazität aller Kontainerschiffe weltweit ** Entspricht etwa Tagesproduktion der deutschen Energiewirtschaft † Dichte Fels: ρR=2.600kg/m³
Berechnung Speicherkapazität
Energie im Fels:
Er = 2* π *g* ρR *r4
Energie im Wasser:
EW = -3/2*π *g* ρW * r4
Energie im System:
EHHS = (2*ρR -3/2*ρW )* π*g*r4
Dichte Fels: ρR (2.600kg/m³)
Dichte Wasser: ρW (1.000kg/m³)
Erdanziehung: g (9,81N/kg)
Radius System: r
Heindl 2013 36
r
V
Leistungsdaten Radius [m] 62,5 125 250 500
Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980
Wasservolumen [m³] 767.000 6.136.000 49.087.000 392.699.000*
Energiedichte [kWh/m³] 0,63 1,26 2,52 5,04
8 Stunden Leistungsentnahme [MW] 60 967** 15.466 247.462
Heindl 2012 37
Abhängigkeit vom Radius: • Energiedichte im Wasser wächst linear • theoretische Leistungsentnahme
wächst mit der 4. Potenz
r
V
* Entspricht einer Absenkung des Bodensee um einen Meter ** Typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland
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Wasser - Generator Radius [m] 62,5 125 250 500
Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980
Wasserablauf 8h [m³/s] 27 213 1.704 13.635
Wasserablauf 168h [m³/s](Woche) 1,3 10,1 81 649
Wasserablauf 720h [m³/s] (Monat) 0,3 2,4 19 152
Turbine/Pumpe 8h [MW] 60 967 15.466 247.462
Turbine/Pumpe 168h [MW](Woche) 3 46 736 11.784
Turbine/Pumpe 720h [MW] (Monat) 1 11 172 2.750
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Anmerkung: • Leistung wird auf längere Zeiträume verteilt • Wasserablauf und Wasserzulauf
gegebenenfalls über Speichersee gedämpft
r
V G
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Kostenschätzung für 500 m-Radius Tunnel 10.000 €/m lT = 4πr+2r 73 Mio. €
Bohren 500 €/m lD = 8πr²/∆D 157 Mio. €
Sägen 10 €/m² AS = 8πr² 63 Mio. €
Abraum 20 €/m³ VR = 4πr² ∆T 126 Mio. €
Bodenplatte
abtrennen 1.000 €/m² AF = πr² 785 Mio. €
Dichtfläche
(Edelstahl) 200 €/m² AO = 2πr² 157 Mio. €
Abdichtung 100 €/m² AW = 6πr² 393 Mio. €
Dichtungsring 10.000 €/m lO = 2πr 31 Mio. €
Summe 2.020 Mio. €
39
Symbole: ∆D Abstand Bohrlöcher, ∆T Breite des Grabens
Wirtschaftliche Betrachtung
Radius [m]
62,5
125
250
500
Kapazität [GWh]
0.5
8
125
2000
Investitionskosten* [Mio.€]
43 158 630 2.020
Mögliche Einnahmen* [Mio.€] 290 4.640 6.187 19.797
Investment per kWh** [€]
90
19
4,29
1,02
Heindl 2013 40
* ∆Preis=0,1€/kWh; Einnahmen über 20 Jahre, Zyklendauer: 62,5m und 125m 24h, 250m 168h, 500m 720h, **Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur
Zum Vergleich: Pumpspeicher 100€/kWh Batterie 500€/kWh
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Vergleich der Speichertechnik Hoher
Wirkungsgrad Niedrige Kosten
pro kWh
Geringe Umwelt-
belastung
Batterien 90% 500€ Rohstoffe Entsorgung
Power2Gas 25%
Pumpspeicher 80% 100€ Landschafts-verbrauch
10kWh/m²
Lageenergie-speicher
80% <20€ Bis zu 2MWh/m²
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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
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Schüler begeistern
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Vielen Dank für Ihr Interesse!
Fragen?
www.Lageenergiespeicher.de 44
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Kontakt
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Prof. Dr. Eduard Heindl
Robert Gerwig Platz 1
78120 Furtwangen
Germany
+49 177 2183578
hed@hs-furtwangen.de
www.lageenergiespeicher.de
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