Mit der Energiewende, die im Kern ein Umbau der Energieversorgung von fossilen und nuklearen hin zu erneuerbaren Energien ist, tritt das Problem der Energiespeicherung hervor. Es werden bisher nicht gehandhabte Speicherkapazitäten im TWh Bereich benötigt, das ist das Dreihundertfache der bisher verfügbaren Kapazität. Eine Lösung, die hier untersucht wird, ist der hydraulische Lageenergiespeicher. Er beruht auf dem Anheben einer großen Felsmasse und kann auf einem Quadratkilometer Fläche 2 TWh Strom speichern. Funktionsprinzip des Lageenergiespeichers Das Grundprinzip des Lageenergiespeichers ist sehr einfach, eine große Masse wird hydraulisch angehoben und absorbiert dabei Energie aus dem Stromnetz, wird die Masse wieder abgesenkt, wird das Hydraulikmedium, in diesem Fall Wasser, über eine Turbine geleitet und erzeugt Strom, der in das Netz eingespeist werden kann. Damit dieses Prinzip wirtschaftlich wird, sind extrem große Massen erforderlich. Damit eine sehr große Masse ohne unverhältnismäßig großen Aufwand gewonnen werden kann, wird beim hydraulischen Lageenergiespeicher vorhandener Fels, wie er im Boden in nahezu beliebiger Masse vorhanden ist, freigelegt. Dazu dient das spezielle Bauverfahren für den Speicher. Bau des Speichers Für den Bau des Speichers ist es zunächst notwendig, einen Untergrund zu nutzen, der aus gutem Fels besteht. So ist der Schwarzwald als ein Granitfenster mit geringer Zerklüftung geologisch sehr gut für den Bau eines Lageenergiespeichers geeignet. Betrieb des Speichers Steht auf dem Strommarkt überschüssiger Strom aus Wind oder Solarenergie günstig zur Verfügung, wird Wasser aus einem naheliegenden Gewässer über eine Druckpumpe, völlig analog zu konventionellen Pumpspeicherkraftwerken, unter den Zylinder gepumpt. Selbst ein Zylinder mit einer Gesteinssäule von 1000 m benötigt nur 200 Bar Druck zum Anheben, dies ist ein in der Technik beherrschbarer Wert. Steht auf dem Strommarkt kein günstiger Strom zur Verfügung, wird die Pumpe abgeschaltet und das Wasservolumen mit Schotten abgedichtet. Damit hat der Speicher keinerlei Speicherverluste während des Ruhezustands. In Zeiten von Strommangel und damit hoher Marktpreise, wird über eine Turbine das Wasser aus der Druckkammer unterhalb des Zylinders abgelassen und Strom in das Netz eingespeist. Der Wirkungsgrad des Systems liegt dabei über 80%, berechnet aus der abgegebenen Strommenge an das Netz gegenüber der eingespeisten Strommenge. Dies ist der gleiche Wirkungsgrad, den auch Pumpspeicher erreichen. Vorteile des Konzepts • Flächenbedarf: mit 2 MWh/m² um Faktor 100 besser als Pumpspeicher • Wasserbedarf: ¼ gegenüber Pumpspeicher • Speicherkosten: „beliebig“ niedrig • Extrem große Speicherkapazität möglich • Ökologisch unbedenklich da keine Chemie, nur „Wasser und Fels“

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

2. Der Lageenergiespeicher:
Lösung des Stromspeicher-Problems?
Prof. Dr. rer. nat. Eduard Heindl Hochschule Furtwangen University,
2. VDI-Fachkonferenz Stationäre Energiespeicher für 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
• Mögliche Standorte und Geschäftsmodell
3

4. Heindl 2012
Grundprinzip des Lageenergiespeichers
Stromnetz r
E~r4
2r
Verbindung
Pumpe hmax=r
Wasservolumen
und Turbine
o Bei niedrigen Strompreis: Wasser wird unter eine Felsmasse gepumpt
o Die hydraulischen Kräfte heben die Felsmasse
o Bei hohem Strompreis: Stromerzeugung mit Turbine + Generator
4

5. Heindl 2012
Speicherkapazität
r Masse ~ r³
Maximale Höhe ~ r
l=2r
Speicherkapazität:
h=r
E= 2πgρ*r4
Kosten ~ r²
Wichtigster
Vorteil
Je größer der Radius, desto günstiger die
Speicherung einer kWh (~1/r²) 5

6. Heindl 2012
Konstruktion
Bohrtürme
Baustellen-
straße
Bohrlöcher
1. Tunnel
Schacht
Basistunnel/
Wassereinlass
6

7. Heindl 2012
Abtrennung Bodenplatte
• Bergmännische Ausräumung
Abdichtung
Basis- Abraum 2. Tunnel
Schräm-
tunnel verstopfen maschine
Abdichtung
Seitenansicht
7

8. Heindl 2012
Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht
Basistunnel
Geschnittener
Ausgebrochenes Fels
Material
Ursprünglicher
Fels
Schram-
Ma-
schine
2. Tunnel
Aufsicht
8

9. Heindl 2012
Abtrennung Bodenplatte
excavated
• Abgetrennte Bodenfläche material
Abdichtung
Basis- Aufgebrochenes 2. Tunnel
tunnel Material
Abdichtung
Seitenansicht
9

10. Heindl 2012
Seitenwände abtrennen
Bohrlöcher
Baustraße
Obere Säge
1.Tunnel
Untere Säge
Seilsägen
10

11. Heindl 2012
Aussägen des Felszylinders mit
Diamant Seilsägen
Bohrlöcher
Antrieb
Fels
Geschnittene
Fläche r Diamant
Seilsäge
1. Tunnel
Seitenansicht 11

12. Heindl 2012
Diamant Seilsägen
Bohrlöcher
traction
Fels
Geschnittene
Fläche
r Diamant
Seilsäge
1. Tunnel
Seitenansicht 12

13. Heindl 2012
Aussenschacht
Versorgungs-
tunnel
Aufgrund der
Felsmechanik wird
der Außenschacht
V-Förmig geschnitten
Seilsägen
Fels Zylinder
Felsen
Versorgungs-
tunnel Ausgebrochenes
Material
Seitenansicht
13

14. Heindl 2012
Schachtform
Versorgungs-
tunnel
Aufgrund des
Bergdrucks wird
sich der Zylinder
nach der Entlastung
ausdehnen Graben
Fels Zylinder
Bergdruck Bergdruck
Versorgungs-
tunnel Ausgebrochenes
Material
Seitenansicht
14

15. Heindl 2012
Abdichtung Seitenwände
Versorgungs-
tunnel
Die Oberflächen des
Gesteins werden mit
wasserdichter
Geomembran-Folie
überzogen Abdichtung
Fels Zylinder
Versorgungs-
tunnel Ausgebrochenes
Material
Seitenansicht
15

16. Heindl 2012
Zylinder freigelegt
Baustraße
1. Tunnel
Die Wände und der
Boden des
2. Tunnel Zylinders sind jetzt
von der Umgebung
abgetrennt
16

17. Heindl 2011
17

18. Heindl 2012
Die Abdichtung ist von zentraler Bedeutung
Felssicherung
Dichtungsring
Metall
schwimmender
Felszylinder
Abdichtung,
um den Fels
trocken zu Wasser im
halten Zylinder-Hohlraum
18

19. Heindl 2012
Dichtung
Metall
Gelenk für
bewegliche
Dichtung
Stahl
Fels außen
Podest
Dichtung
Zylinder
19

20. Heindl 2011
Setup: Multi-sealing
v
rock
v
podest
v
v
piston
20

21. Heindl 2012
Zylinder Positionierung
• Vier Quadranten Kontrolle
Niederdruck-
dichtung
1 bar
Hochdruck_
dichtung
Pumpe
Niederdruck-
dichtung x Zylinder x
Niederdruck-
dichtung
21

22. Heindl 2012
Sicherheit
Das System bekommt ein Sicherheitssystem das auf physikalischen Gesetzen beruht
blähend unter
Wasser- 1. Zusatz
berührung Dichtungsring
floating piston
Blockade
aufgrund hohen 2. Zusatz
Durchflusses Dichtungsring
Wasser im
Zylinder-Hohlraum
22

23. Heindl 2012
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
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 23
** Entspricht etwa Tagesproduktion der deutschen Energiewirtschaft

24. Heindl 2012
Felswände
300m
1000m
80m
24
Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck) Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia)

25. Heindl 2012
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
r
Abhängigkeit vom Radius:
• Energiedichte im Wasser wächst linear
• theoretische Leistungsabnahme
wächst mit der 4. Potenz
V
* Entspricht einer Absenkung des Bodensee um einen Meter 25
** Typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland

26. Heindl 2012
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
r
Anmerkung:
• Leistung wird auf längere Zeiträume verteilt
• Wasserablauf und Wasserzulauf
gegebenenfalls über Speichersee
gedämpft
V G
* Wasserentnahme Schluchseewerke am Rhein 26

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 für eine Woche,
Kosten pro Person
25.000€ (2,2t) ... 130.000 €
Speicherkosten in Deutschland:
2.000 Mrd.€ ... 10.400 Mrd.€ !!
27

28. Heindl 2012
Wirtschaftlichkeit
Radius [m] 62,5 125 250 500
Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980
Wert einer
Speicherladung bei
100€/MWh [T€] 48 773 12.400 198.000
Einnahmen bei 100
Speicherzyklen à
100€/MWh [Mio.€] 5 77 1.237 19.797
20 Jahre 25 Zyklen
[Mio.€] 24 386 6.187 98.985
20 Jahre 300 Zyklen
[Mio.€] 290 4.640 74.239 1.187.817
28

29. Heindl 2012
Kostenschätzung für 500 m-Radius
Tunnel 10.000 €/m 73 Mio. €
Bohren 500 €/m 157 Mio. €
Sägen 10 €/m² 63 Mio. €
Abraum 20 €/m³ 126 Mio. €
Bodenplatte abtrennen 1.000 €/m² 785 Mio. €
Dichtfläche (Edelstahl) 200 €/m² 157 Mio. €
Abdichtung 100 €/m² 393 Mio. €
Dichtungsring 10.000 €/m 31 Mio. €
Summe 1.785 Mio. € 29

30. Heindl 2012
Wirtschaftliche Betrachtung
Radius [m] 62,5 125 250 500
Kapazität [GWh] 0.5 8 125 2000
Investitionskosten*
[Mio.€] 39 131 472 1,785
Mögliche
Einnahmen [Mio.€] 290 4.640 6.187 19.797
Investment
per kWh* [€] 81 17 4 0,90
Preis eines
Pumpspeicher-
kraftwerks
*Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur 30

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= 1,6TWh
31

32. Heindl 2012
Rendite Erdgaskraftwerk
Randbedingungen:
Gas EK = 77,3€/MWhel
Strom VK = 140€/MWh
Turbine = 200.000€/MW
32

33. Heindl 2012
Rendite Erdgaskraftwerk
Randbedingungen:
Gas EK = 77,3€/MWhel
Strom VK = 140€/MWh
Turbine = 200.000€/MW
33

34. Heindl 2012
Speicherbedarf [de]

35. Heindl 2012
Option: Speichersanierung
150 m
1,2 GWh
75m
Pilotprojekt Bereits wirtschaftliche Größe
Relativ kurzfristig möglich Flächen verfügbar
Aufbau im Rahmen einer
Beckensanierung

36. Heindl 2012
Beispiel: Speicherbecken Atdorf
14 GWh
300m
150m
praktisch keine Sichtstörung günstige Pumpsituation
geringer Natureingriff geringster Landschaftsverbrauch
keine Überflutung Interesse Landesregierung BW

37. Heindl 2012
Vision
1km
37

38. Heindl 2012
Think Big!
1km
500m 1600GWh*
*netto Kapazität
38

39. Heindl 2012
Übersicht Standortbedingungen
• Geologische Bedingungen: möglichst kompaktes,
einheitliches Gestein mit geringer Neigung zur Zerklüftung.
Kein Gebirge erforderlich!
• Hydrologische Bedingungen: Der Lageenergiespeicher
benötigt wie Pumpspeicher die Nähe zu einem Wasserzu- und
Abfluss, jedoch keine großflächigen Ober- und Unterbecken. Nur ein
Becken oder ein unterirdisches Wasserreservoir ist ausreichend.
• Marktbedingungen: der Lageenergiespeicher arbeitet optimal
in Stromnetzen und -märkten mit hohem Anteil erneuerbarer
Energien, deren Kosten bei überschüssiger Erzeugung gering sind.
Der Lageenergiespeicher eignet sich für den weltweiten Einsatz
39

40. Heindl 2012
Zusammenfassung (I) Lageenergiespeicher
• Speicherkapazität: sehr groß!
Kein anderes Speicherkonzept weist eine derart große
Speicherkapazität auf.
• Wirtschaftlichkeit: durch die Tatsache, dass die
Speicherkapazität mit dem Radius in der 4ten Potenz steigt, die
Baukosten jedoch nur in der zweiten, wird der Lageenergiespeicher
mit zunehmender Größe günstig. Bei 500 Meter Radius 50 Mal
günstiger als heutige Pumpspeicher.
• Technologie: es werden bewährte und ausgereifte Technologien
kombiniert, aber nicht neu „erfunden“.
1. Bohr und Tunneltechnologie
2. Dichtungsmechanik
Marktführer der beiden Bereiche bestätigen die Machbarkeit
40

41. Heindl 2012
Zusammenfassung (II) Lageenergiespeicher
• Flächenbedarf: mit 0,5 m²/MWh sehr gering,
zum Vergleich 50 m²/MWh bei Pumpspeichern
• Wasserbedarf: rund ¼ des Bedarfs bei Pumpspeichern
• Ökologie:
– Eingriff in die Landschaft vergleichsweise gering
– gehobener Zylinder verändert das Landschaftsbild
nur zeitweise
– kein Einsatz von Chemikalien notwendig
• Akzeptanz: angesichts der obigen Vorteile ist mit einer
vergleichsweise hohen Akzeptanz bei der Bevölkerung
zu rechnen
41

42. Heindl 2012
Weitere Entwicklung
• Investorensuche für Detailplanung (1. Halbjahr 2012)
• Vorbereitung Forschungsverbund zur Klärung technischer Fragen
zur Umsetzung; Begin in 2012
• Suche nach Pilotstandorten im In- und Ausland (bis 2013)
• Bauvorbereitung Pilotspeicher ab 2014
• Erster kommerzieller Speicher: frühestens ab 2018
Für Pilotvorhaben werden Energieversorger gesucht
(möglichst als Konsortium)
42

43. Heindl 2012
Zusammenfassung der Vorteile
 Speicherkapazität jenseits von 1000 GWh denkbar
 Effizienz: 80-85% bekannter Wert aus PSW
 Kein Resourcenproblem
 Kein Gebirge nötig
 Einfache Entsorgung
 Geringer Flächenbedarf (bis zu 2 MWh/m²)
 Weniger Wasserbedarf als PSW (~1/4)
 bekannte Technologien
 Preis fällt mit 1/r² (<1€/kWh möglich)
 Schwarzstartfähig
 Rotierende Massen 43

44. Heindl 2012
Vielen Dank für Ihr Interesse!
Fragen?
www.Lageenergiespeicher.de
44

45. Kontakt
Hochschule Furtwangen
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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