Der Lageenergiespeicher                             Ein Konzept zur kostengünstigen Speicherung                           ...
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Solarenergie                                                                               Power demand                   ...
Vorhandene                  SpeicherkapazitätProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
Wind- und Solarenergie                                                                            Die Leistung von Wind-  ...
Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind                                                                            Sons...
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1kWh       Heindl 2012
Heindl 2011                                                                           Hochschule Furtwangen               ...
Methan als Speicher                     25%                                                   75%Prof. Dr. Eduard Heindl, ...
Platzbedarf für Speichersee                         Pumpspeicherkraftwerk                         Kapazität für 7 Tage    ...
Strombedarf pro Einwohner in D• 21 kWh Strom pro Tag• 147 kWh Strom pro Woche• Batteriepreise  – Bleiakku 150€/kWh (Weltvo...
Der Lageenergiespeicher: Das Grundprinzip          Stromnetz                                                              ...
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Masse ~ r³                                                                  rHöhe ~ rSpeicherkapazität:E ~ g * m ρ**h 4  =...
Vorteile des Lageenergiespeichers            Speicherkapazität jenseits von 1000 GWh denkbar            Effizienz: mit 8...
Bau eines Lageenergiespeicher                                                    Bohrtürme                           Baust...
Abtrennung Bodenplatte• Bergmännische Ausräumung                  Abdichtung   Basis-         Abraum              Schräm- ...
Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht         Basistunnel                                   GeschnittenerAusgebrochenes        ...
Abtrennung Bodenplatte• Abgetrennte Bodenfläche                 Abdichtung   Basis-                       Aufgebrochenes  ...
Abtrennen der Bodenplatte                           Abdichtung               Basis-    Abraum          Schräm-            ...
Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen                                    traction                  Bohrlöcher        ...
Aussenschacht                                Versorgungs-                                   tunnelAufgrund derFelsmechanik...
Schachtform                                  Versorgungs-                                     tunnelAufgrund desBergdrucks...
Abdichtung Seitenwände                              Versorgungs-                                 tunnelDie Oberflächen des...
Heindl 2011                                                                                 28      Prof. Dr. Eduard Heind...
Das Dichtungsystem                                                                                   Ausschnitt           ...
Beispiele für Größen und Kosten (Darstellung maßstäblich)                                                                 ...
Felswände                    300m                                                                             1000m       ...
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
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Technische Daten Radius [m]                           62,5                    125                  250                500D...
Berechnung SpeicherkapazitätEnergie im Fels:                 Er = 2* π *g* ρR *r4Energie im Wasser:                EW = -3...
Leistungsdaten Radius [m]                                62,5                125           250               500Energie [G...
Wasser - GeneratorRadius [m]                              62,5         125              250         500Energie [GWh]      ...
Kostenschätzung für 500 m-RadiusTunnel                  10.000 €/m                lT = 4πr+2r       73 Mio. €Bohren       ...
Wirtschaftliche BetrachtungRadius [m]                      62,5               125               250                500Kapa...
Zusammenfassung der Vorteile   Speicherkapazität jenseits von 1000 GWh denkbar   Effizienz: 80-85% bekannter Wert aus PS...
Vielen Dank für Ihr Interesse!           Fragen?  www.Lageenergiespeicher.de             Heindl 2012         42
KontaktHochschule FurtwangenProf. Dr. Eduard HeindlRobert Gerwig Platz 178120 FurtwangenGermany+49 177 2183578hed@hs-furtw...
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Lageenergiespeicher Lehrertage-2013

  1. 1. Der Lageenergiespeicher Ein Konzept zur kostengünstigen Speicherung großer Mengen elektrischer EnergieProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  2. 2. 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.deProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  3. 3. Weltweiter StrombedarfPhotovoltaik [MWp] Das weltweite Wachstum liegt bei 70% pro Jahr, wobei sogar die Wachstumsrate selbst ansteigt. Datenquelle: Wikipedia Ursache: Massiver Preisverfall bei PV Modulen von 5.000€/kW auf 500€/kW in fünf Jahren. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  4. 4. Solarenergie Power demand Conventional sourcesProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  5. 5. Vorhandene SpeicherkapazitätProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  6. 6. Wind- und Solarenergie Die Leistung von Wind- und SolarenergieWind schwanken Winter Frühling Sommer Herbst Speicher für mindestens siebenSonne Tage erforderlich! 150kWh/Person 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. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  7. 7. Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind Sonstige Wind Solar 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)Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  8. 8. Entwicklung installierter Wind- und Solarkraft in Deutschland; Zeitschiene für Speicherbedarf Zeitfenster für den Speicherbau Bei einer Fortschreibung des 15% Wachstums der Wind- und Solarenergiekapazität werden im Zeitfenster 2016 – 2028 Investitionen in Speicher notwendig, damit eine sichere Versorgung gewährleistet ist.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  9. 9. Trend• Globaler Umstieg auf Photovoltaik beginnt!• Finanzkrise beschleunigt, da sichere Rendite in der Solarstromproduktion• Folgerung: Strom-Speicherbedarf für globale Energieproduktion wächst überproportional• Energiespeicher sind DER Zukunftsmarkt!Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  10. 10. 1kWh Heindl 2012
  11. 11. Heindl 2011 Hochschule Furtwangen Speicher für 7 Tage Pro Person 2,2 Tonnen Bleiakkumulatoren Preis: 25.000€ Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  12. 12. Methan als Speicher 25% 75%Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  13. 13. Platzbedarf für Speichersee Pumpspeicherkraftwerk Kapazität für 7 Tage Deutscher Strombedarf (15m² pro Einwohner) Heindl 2012 13
  14. 14. 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 € Speicherkosten in Deutschland: 2.000Heindl 2012 ... 10.400 Mrd.€ !! Mrd.€ 14
  15. 15. Der Lageenergiespeicher: Das Grundprinzip Stromnetz r E~r4 2r Verbindung Pumpe hmax=r Wasservolumen und Turbine 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.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  16. 16. r l=2r h=rProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  17. 17. Masse ~ r³ rHöhe ~ rSpeicherkapazität:E ~ g * m ρ**h 4 =2πg r l=2rBaukosten:b ~ r² h=rKosten per kWh~1/r² Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  18. 18. Vorteile des Lageenergiespeichers  Speicherkapazität jenseits von 1000 GWh denkbar  Effizienz: mit 80-85% auf Niveau von Pumpspeicherkraftwerken  Preis pro gespeicherter kWh fällt mit 1/r² (<1€/kWh möglich)  Geringer Flächenbedarf (bis zu 2 MWh/m²)  Weniger Wasserbedarf als PSW (~1/4)  Kein Gebirge nötig  Einfache Entsorgung nach Betriebsende (mehrere Jahrzehnte)  bekannte Technologien  SchwarzstartfähigProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  19. 19. Bau eines Lageenergiespeicher Bohrtürme Baustellen- straße Bohrlöcher 1. Tunnel Schacht Basistunnel/ Wassereinlass Das Freilegen der Gesteinsmasse erfolgt mit konventionellen Methoden des Bergbaus. Ein Tunnelsystem gewährt den Zugang zu den einzelnen Bauabschnitten.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  20. 20. Abtrennung Bodenplatte• Bergmännische Ausräumung Abdichtung Basis- Abraum Schräm- 2. Tunnel tunnel verstopfen maschine Abdichtung Seitenansicht Heindl 2012 20
  21. 21. Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht Basistunnel GeschnittenerAusgebrochenes Fels Material Ursprünglicher Fels Schram- Ma- schine 2. Tunnel Aufsicht Heindl 2012 21
  22. 22. Abtrennung Bodenplatte• Abgetrennte Bodenfläche Abdichtung Basis- Aufgebrochenes 2. Tunnel tunnel Material Abdichtung Seitenansicht Heindl 2012 22
  23. 23. Abtrennen der Bodenplatte Abdichtung Basis- Abraum Schräm- Tunnel tunnel verstopfen maschine Abdichtung Abdichtung Basis- Vollständig mechanische Tunnel tunnel Trennung der Bodenplatte Abdichtung Die Bodenplatte wird, ähnlich wie im Steinkohlebergbau, mit einer Schrämmaschine abgetrennt. Der Abraum verbleibt aber im wesentlich unter Tage zum Abstützen der Zylindermasse.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  24. 24. Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen traction Bohrlöcher FelsGeschnitteneFläche r Diamant Seilsäge 1. Tunnel SeitenansichtProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  25. 25. Aussenschacht Versorgungs- tunnelAufgrund derFelsmechanik wird derAußenschachtV-Förmig geschnitten Seilsägen Fels Zylinder Felsen Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht Heindl 2012 25
  26. 26. Schachtform Versorgungs- tunnelAufgrund desBergdrucks wird sichder Zylinder nach derEntlastungausdehnen Graben Fels Zylinder Bergdruck Bergdruck Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht Heindl 2012 26
  27. 27. Abdichtung Seitenwände Versorgungs- tunnelDie Oberflächen desGesteins werden mitwasserdichterGeomembran-Folieüberzogen Abdichtung Fels Zylinder Versorgungs- tunnel Ausgebrochenes Material Seitenansicht Heindl 2012 27
  28. 28. Heindl 2011 28 Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  29. 29. Das Dichtungsystem Ausschnitt Felssicherung Dichtung Dichtungsring Metall schwimmender Felszylinder Abdichtung, um den Fels trocken zu Wasser im halten Zylinder-Hohlraum Das gesamte System ist gegenüber der Umwelt durch Geomembranen abgedichtet. Der Zylinder trägt einen Dichtungsring, der flexibel auf Unebenheiten reagiertProf. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  30. 30. Beispiele für Größen und Kosten (Darstellung maßstäblich) Deutschland Bayern 120GWh 1600GWh 4€/kWh 4€/kWh 1€/kWh 1€/kWh Nürnberg 8GWh 20€/kWh 20€/kWh Starnberg 0,5 100€/kWh 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.Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  31. 31. Felswände 300m 1000m 80mRisin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck) Heindl 2012 Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia) 31
  32. 32. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  33. 33. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  34. 34. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher
  35. 35. Technische Daten Radius [m] 62,5 125 250 500Durchmesser [m] 125 250 500 1.000Volumen Fels [m³] 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 52 103 206Druck oben [Bar] 20 39 78 157 **Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980 r Abhängigkeit vom Radius: • Druck wächst linear p m=ρV • Masse wächst in der 3. Potenz • Energie wächst in der 4. Potenz* Entspricht etwa der Ladekapazität aller Kontainerschiffe weltweit** Entspricht etwa Tagesproduktion der deutschen Energiewirtschaft† Dichte Fels: ρR=2.600kg/m³ Heindl 2013 35
  36. 36. Berechnung SpeicherkapazitätEnergie im Fels: Er = 2* π *g* ρR *r4Energie im Wasser: EW = -3/2*π *g* ρW * r4Energie im System: EHHS = (2*ρR -3/2*ρW )* π*g*r4 rDichte Fels: ρR (2.600kg/m³)Dichte Wasser: ρW (1.000kg/m³)Erdanziehung: g (9,81N/kg)Radius System: r V Heindl 2013 36
  37. 37. Leistungsdaten Radius [m] 62,5 125 250 500Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980Wasservolumen [m³] 767.000 6.136.000 49.087.000 392.699.000*Energiedichte [kWh/m³] 0,63 1,26 2,52 5,048 StundenLeistungsentnahme[MW] 60 967** 15.466 247.462 r Abhängigkeit vom Radius: • Energiedichte im Wasser wächst linear • theoretische Leistungsentnahme wächst mit der 4. Potenz V* Entspricht einer Absenkung des Bodensee um einen Meter 37** Typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland Heindl 2012
  38. 38. Wasser - GeneratorRadius [m] 62,5 125 250 500Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980Wasserablauf 8h [m³/s] 27 213 1.704 13.635Wasserablauf 168h [m³/s](Woche) 1,3 10,1 81 649Wasserablauf 720h [m³/s] (Monat) 0,3 2,4 19 152Turbine/Pumpe 8h [MW] 60 967 15.466 247.462Turbine/Pumpe 168h [MW](Woche) 3 46 736 11.784Turbine/Pumpe 720h [MW] (Monat) 1 11 172 2.750 r Anmerkung: • Leistung wird auf längere Zeiträume verteilt • Wasserablauf und Wasserzulauf gegebenenfalls über Speichersee gedämpft V G Heindl 2012 38
  39. 39. Kostenschätzung für 500 m-RadiusTunnel 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. €Bodenplatteabtrennen 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. €Symbole: ∆D Abstand Bohrlöcher, ∆T Breite des Grabens Heindl 2012 39
  40. 40. Wirtschaftliche BetrachtungRadius [m] 62,5 125 250 500Kapazität [GWh] 0.5 8 125 2000Investitionskosten*[Mio.€] 43 158 630 2.020MöglicheEinnahmen* [Mio.€] 290 4.640 6.187 19.797Investmentper kWh** [€] 90 19 4,29 1,02Zum Vergleich: Pumpspeicher 100€/kWh Batterie 500€/kWh* ∆Preis=0,1€/kWh; Einnahmen über 20 Jahre, Zyklendauer: 62,5m und 125m 24h, 250m 168h, 500m 720h,**Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur Heindl 2013 40
  41. 41. 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 Heindl 2012 41
  42. 42. Vielen Dank für Ihr Interesse! Fragen? www.Lageenergiespeicher.de Heindl 2012 42
  43. 43. KontaktHochschule FurtwangenProf. Dr. Eduard HeindlRobert Gerwig Platz 178120 FurtwangenGermany+49 177 2183578hed@hs-furtwangen.dewww.lageenergiespeicher.de 43

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