1. Der LageenergiespeicherLsung des Stromspeicher-Problems? 1Referent: Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

2. Der Lageenergiespeicher:Lsung des Stromspeicher-Problems?Prof. Dr. rer. nat. EduardHeindl Hochschule Furtwangen University,2. VDI-Fachkonferenz Stationre Energiespeicher fr Erneuerbare Energien, Karlsruhe, 21. Juni 2012 3. Heindl 2012 Fragen Grundprinzip des hydraulischen Lageenergiespeichers Bau eines Lageenergiespeichers Eigenschaften des Speichers aus technischer Sicht Wirtschaftlichkeit des Speicherkonzepts Mgliche Standorte und Geschftsmodell 3 4. Heindl 2012Grundprinzip des LageenergiespeichersStromnetzrE~r4 2rVerbindungPumpehmax=rWasservolumenund Turbineo Bei niedrigen Strompreis: Wasser wird unter eine Felsmasse gepumpto Die hydraulischen Krfte heben die Felsmasseo Bei hohem Strompreis: Stromerzeugung mit Turbine + Generator 4 5. Heindl 2012 SpeicherkapazittrMasse ~ r Maximale Hhe ~ r l=2r Speicherkapazitt:h=r E=2g*r4 Kosten ~ r Wichtigster Vorteil Je grer der Radius, desto gnstiger die Speicherung einer kWh (~1/r) 5 6. Heindl 2012KonstruktionBohrtrmeBaustellen-strae Bohrlcher1. TunnelSchachtBasistunnel/ Wassereinlass6 7. Heindl 2012 Abtrennung Bodenplatte Bergmnnische AusrumungAbdichtungBasis-Abraum 2. TunnelSchrm-tunnel verstopfen maschine Abdichtung Seitenansicht 7 8. Heindl 2012 Abtrennung Bodenplatte, AufsichtBasistunnelGeschnittenerAusgebrochenesFelsMaterialUrsprnglicherFelsSchram-Ma- schine2. Tunnel Aufsicht 8 9. Heindl 2012 Abtrennung Bodenplatteexcavated Abgetrennte Bodenflche material AbdichtungBasis-Aufgebrochenes 2. TunneltunnelMaterial Abdichtung Seitenansicht 9 10. Heindl 2012 Seitenwnde abtrennen BohrlcherBaustraeObere Sge1.Tunnel Untere Sge Seilsgen 10 11. Heindl 2012Aussgen des Felszylinders mit Diamant Seilsgen BohrlcherAntriebFels Geschnittene FlcherDiamantSeilsge1. Tunnel Seitenansicht11 12. Heindl 2012Diamant SeilsgenBohrlchertraction FelsGeschnitteneFlche r Diamant Seilsge1. Tunnel Seitenansicht 12 13. Heindl 2012 AussenschachtVersorgungs- tunnelAufgrund derFelsmechanik wirdder AuenschachtV-Frmig geschnittenSeilsgen Fels ZylinderFelsenVersorgungs- tunnel AusgebrochenesMaterial Seitenansicht 13 14. Heindl 2012Schachtform Versorgungs-tunnelAufgrund desBergdrucks wirdsich der Zylindernach der Entlastungausdehnen GrabenFels ZylinderBergdruckBergdruck Versorgungs-tunnel Ausgebrochenes MaterialSeitenansicht 14 15. Heindl 2012Abdichtung Seitenwnde Versorgungs-tunnelDie Oberflchen desGesteins werden mitwasserdichterGeomembran-FolieberzogenAbdichtungFelsZylinder Versorgungs-tunnelAusgebrochenesMaterialSeitenansicht 15 16. Heindl 2012Zylinder freigelegtBaustrae1. TunnelDie Wnde und derBoden des2. Tunnel Zylinders sind jetztvon der Umgebungabgetrennt16 17. Heindl 201117 18. Heindl 2012Die Abdichtung ist von zentraler BedeutungFelssicherungDichtungsring MetallschwimmenderFelszylinderAbdichtung,um den Fels trocken zu Wasser imhaltenZylinder-Hohlraum18 19. Heindl 2012 DichtungMetall Gelenk fr beweglicheDichtungStahlFels auenPodestDichtung Zylinder19 20. Heindl 2011Setup: Multi-sealing v rock v podest v vpiston20 21. Heindl 2012 Zylinder Positionierung Vier Quadranten Kontrolle Niederdruck- dichtung 1 barHochdruck_ dichtung PumpeNiederdruck-dichtung x Zylinder xNiederdruck-dichtung21 22. Heindl 2012 Sicherheit Das System bekommt ein Sicherheitssystem das auf physikalischen Gesetzen beruht blhend unterWasser- 1. Zusatz berhrungDichtungsringfloating piston Blockadeaufgrund hohen2. Zusatz Durchflusses DichtungsringWasser imZylinder-Hohlraum 22 23. Heindl 2012Technische Daten Radius [m]62,5125250500Durchmesser [m] 125 250 5001.000Volumen Fels [m] 1.534.000 12.272.000 98.175.000 785.398.000Masse Fels [t]3.988.000 31.907.000 255.254.000* 2.042.040.000Druck [Bar]26 52103206Druck oben [Bar]2039 78157 **Energie [GWh] 0,5 8 1241.980r Abhngigkeit vom Radius: Druck wchst linear p m=V Masse wchst in der 3. Potenz Energie wchst in der 4. Potenz* Entspricht etwa der Ladekapazitt aller Kontainerschiffe weltweit 23** Entspricht etwa Tagesproduktion der deutschen Energiewirtschaft 24. Heindl 2012Felswnde 300m1000m 80m 24 Risin og Kellingin, Frern (Heindl/Pustlauck) Salto ngel, Venezuela (Wikipedia) 25. Heindl 2012Leistungsdaten Radius [m]62,5 125250 500Energie [GWh] 0,5 8 1241.980Wasservolumen [m]767.0006.136.000 49.087.000392.699.000*Energiedichte [kWh/m] 0,63 1,262,525,048 StundenLeistungsentnahme[MW] 60967**15.466 247.462r Abhngigkeit vom Radius: Energiedichte im Wasser wchst linear theoretische Leistungsabnahme wchst mit der 4. PotenzV* Entspricht einer Absenkung des Bodensee um einen Meter 25** Typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland 26. Heindl 2012Wasser - Generator Radius [m] 62,5 125 250 500 Energie [GWh]0,58 124 1.980 Wasserablauf 8h [m/s]272131.704 13.635 Wasserablauf 168h [m/s](Woche)1,310,1*81649 Wasserablauf 720h [m/s] (Monat) 0,32,419152 Turbine/Pumpe 8h [MW] 60967 15.466247.462 Turbine/Pumpe 168h [MW](Woche)346 73611.784 Turbine/Pumpe 720h [MW] (Monat) 111 172 2.750 r Anmerkung: Leistung wird auf lngere Zeitrume verteilt Wasserablauf und Wasserzulauf gegebenenfalls ber Speichersee gedmpft V G* Wasserentnahme Schluchseewerke am Rhein26 27. Heindl 2012 Speicherbedarf pro Einwohner in D 21 kWh Strom pro Tag 147 kWh Strom pro Woche (vermuteter Bedarf) Batteriepreise Bleiakku 150/kWh (Weltvorrat 64 Mio t) Lithium 1000/kWh (14 Mio t) Speicher fr eine Woche, Kosten pro Person25.000 (2,2t) ... 130.000 Speicherkosten in Deutschland:2.000 Mrd. ... 10.400 Mrd. !!27 28. Heindl 2012 WirtschaftlichkeitRadius [m]62,5 125 250 500Energie [GWh]0,58124 1.980Wert einerSpeicherladung bei100/MWh [T]4877312.400198.000Einnahmen bei 100Speicherzyklen 100/MWh [Mio.]5771.237 19.79720 Jahre 25 Zyklen[Mio.]24386 6.187 98.98520 Jahre 300 Zyklen[Mio.]2904.640 74.239 1.187.817 28 29. Heindl 2012 Kostenschtzung fr 500 m-Radius Tunnel10.000 /m73 Mio. Bohren500 /m157 Mio. Sgen10 /m63 Mio. Abraum 20 /m 126 Mio. Bodenplatte abtrennen1.000 /m785 Mio. Dichtflche (Edelstahl) 200 /m 157 Mio. Abdichtung100 /m 393 Mio. Dichtungsring 10.000 /m31 Mio. Summe 1.785 Mio. 29 30. Heindl 2012Wirtschaftliche BetrachtungRadius [m]62,5 125 250500Kapazitt [GWh] 0.58 125 2000Investitionskosten*[Mio.] 39 131 472 1,785MglicheEinnahmen [Mio.]290 4.6406.187 19.797Investmentper kWh* []8117 40,90 Preis einesPumpspeicher-kraftwerks*Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur30 31. Heindl 2012 Wirtschaftlichkeit Speicherkraftwerk Randbedingungen: Strom EK = 20/MWh Strom VK = 140/MWh Turbine = 200.000/MW Speicher = 168h SpeicherA = 0,70/kWh SpeicherA0= 1,6TWh31 32. Heindl 2012Rendite ErdgaskraftwerkRandbedingungen:Gas EK = 77,3/MWhelStrom VK = 140/MWhTurbine = 200.000/MW 32 33. Heindl 2012Rendite ErdgaskraftwerkRandbedingungen:Gas EK = 77,3/MWhelStrom VK = 140/MWhTurbine = 200.000/MW 33 34. Heindl 2012Speicherbedarf [de] 35. Heindl 2012Option: Speichersanierung 150 m 1,2 GWh 75mPilotprojektBereits wirtschaftliche GreRelativ kurzfristig mglich Flchen verfgbarAufbau im Rahmen einer Beckensanierung 36. Heindl 2012Beispiel: Speicherbecken Atdorf 14 GWh 300m150mpraktisch keine Sichtstrung gnstige Pumpsituationgeringer Natureingriff geringster Landschaftsverbrauchkeine berflutungInteresse Landesregierung BW 37. Heindl 2012Vision 1km 37 38. Heindl 2012Think Big! 1km 500m 1600GWh* *netto Kapazitt 38 39. Heindl 2012bersicht Standortbedingungen Geologische Bedingungen: mglichst kompaktes, einheitliches Gestein mit geringer Neigung zur Zerklftung. Kein Gebirge erforderlich! Hydrologische Bedingungen: Der Lageenergiespeicher bentigt wie Pumpspeicher die Nhe zu einem Wasserzu- und Abfluss, jedoch keine groflchigen Ober- und Unterbecken. Nur ein Becken oder ein unterirdisches Wasserreservoir ist ausreichend. Marktbedingungen: der Lageenergiespeicher arbeitet optimal in Stromnetzen und -mrkten mit hohem Anteil erneuerbarer Energien, deren Kosten bei berschssiger Erzeugung gering sind. Der Lageenergiespeicher eignet sich fr den weltweiten Einsatz 39 40. Heindl 2012 Zusammenfassung (I) Lageenergiespeicher Speicherkapazitt: sehr gro! Kein anderes Speicherkonzept weist eine derart groe Speicherkapazitt auf. Wirtschaftlichkeit: durch die Tatsache, dass die Speicherkapazitt mit dem Radius in der 4ten Potenz steigt, die Baukosten jedoch nur in der zweiten, wird der Lageenergiespeicher mit zunehmender Gre gnstig. Bei 500 Meter Radius 50 Mal gnstiger als heutige Pumpspeicher. Technologie: es werden bewhrte und ausgereifte Technologien kombiniert, aber nicht neu erfunden.1. Bohr und Tunneltechnologie2. DichtungsmechanikMarktfhrer der beiden Bereiche besttigen die Machbarkeit 40 41. Heindl 2012Zusammenfassung (II) Lageenergiespeicher Flchenbedarf: mit 0,5 m/MWh sehr gering,zum Vergleich 50 m/MWh bei Pumpspeichern Wasserbedarf: rund des Bedarfs bei Pumpspeichern kologie: Eingriff in die Landschaft vergleichsweise gering gehobener Zylinder verndert das Landschaftsbildnur zeitweise kein Einsatz von Chemikalien notwendig Akzeptanz: angesichts der obigen Vorteile ist mit einer vergleichsweise hohen Akzeptanz bei der Bevlkerung zu rechnen 41 42. Heindl 2012Weitere Entwicklung Investorensuche fr Detailplanung (1. Halbjahr 2012) Vorbereitung Forschungsverbund zur Klrung technischer Fragen zur Umsetzung; Begin in 2012 Suche nach Pilotstandorten im In- und Ausland (bis 2013) Bauvorbereitung Pilotspeicher ab 2014 Erster kommerzieller Speicher: frhestens ab 2018 Fr Pilotvorhaben werden Energieversorger gesucht (mglichst als Konsortium) 42 43. Heindl 2012Zusammenfassung der Vorteile Speicherkapazitt jenseits von 1000 GWh denkbar Effizienz: 80-85% bekannter Wert aus PSW Kein Resourcenproblem Kein Gebirge ntig Einfache Entsorgung Geringer Flchenbedarf (bis zu 2 MWh/m) Weniger Wasserbedarf als PSW (~1/4) bekannte Technologien Preis fllt mit 1/r (