Aktueller Stand der Entwicklung des Lageenergiespeichers. Siehe auch www.lageenergiespeicher.de

1. Der Lageenergiespeicher
Ein Konzept zur kostengünstigen Speicherung
großer Mengen elektrischer Energie
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

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
geplant Heindl Energy GmbH
Hochschullehrer
Hochschule Furtwangen
LB Hochschule Geislingen
Kontakt
Hochschule Furtwangen
Robert-Gerwig-Platz 1
D-78120 Furtwangen
Germany
eduard@heindl.de
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3. Globale Entwicklung der Photovoltaik
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.
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4. Tagesgang: Stromverbrauch und Erzeugung
280GW
Pumpspeicher-
kapazität in
Deutschland:
„Kostenlose Energie“, 40GWh
da variable Kosten = 0
Verbrauch 60GW
Energiemangel Energiemangel
Grundlast: Kohle, Kernenergie Tagesstromproduktion: 1600GWh
Solarenergie,
Das weltweite Wachstum liegt bei 70% pro Jahr, wobei sogar die Wachstumsrate selbst ansteigt.
Wind
Ursache: Massiver Preisverfall bei PV Modulen von 5.000€/kW auf 500€/kW in fünf Jahren.
0:00 Uhr 12:00 24:00 Uhr Zeit
4
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5. Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind
Sonstige
Wind
Solar
Unterdeckung 100TWh
Überschuss
150 TWh speichern
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6. Wind- und Solarenergie
Die Leistung von Wind-
und Solarenergie
Wind schwanken
Winter Frühling Sommer Herbst
Speicher für
mindestens sieben
Sonne Tage* erforderlich!
147kWh/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.
*Lueder von Bremen, EWEC 2009
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7. 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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8. 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!
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9. 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.
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10. Die Speicherkapazität
r
Masse ~ r³
Maximale Höhe ~ r
l=2r
Speicherkapazität:
h=r
E = 2 π g ρ * r4
Die Masse des Zylinders wächst mit der dritten Potenz des Radius, wenn seine Höhe gleich dem
Durchmesser ist. Die Speicherkapazität wächst aber mit der vierten Potenz, da große Zylinder höher
gehoben werden können. Da die Baukosten nur von der Oberfläche (~r²) abhängen, fallen die Kosten
pro Kilowattstunde Speicherkapazität mit 1/r²
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11. 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.
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12. Abtrennung Bodenplatte
Bergmännische Ausräumung
Abdichtung
Basis- Abraum Schräm- 2. Tunnel
tunnel verstopfen maschine
Abdichtung
Seitenansicht
Die Bodenplatte wird, ähnlich wie im Steinkohlebergbau, mit einer Schrämmaschine abgetrennt.
Der Abraum verbleibt aber im wesentlich unter Tage zum Abstützen der Zylindermasse.
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13. Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht
Basistunnel
Geschnittener
Ausgebrochenes Fels
Material
Ursprünglicher
Fels
Schram-
Ma-
schine
Aufsicht
2. Tunnel
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14. Abtrennung Bodenplatte
Abgetrennte Bodenfläche
Abdichtung
Basis- Aufgebrochenes 2. Tunnel
tunnel Material
Abdichtung
Seitenansicht
Die Bodenplatte wird, ähnlich wie im Steinkohlebergbau, mit einer Schrämmaschine abgetrennt.
Der Abraum verbleibt aber im wesentlich unter Tage zum Abstützen der Zylindermasse.
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15. Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen
traction Bohrlöcher
Fels
Geschnittene
Fläche
r Diamant
Seilsäge
1. Tunnel
Seitenansicht
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16. Aussenschacht
Versorgungs-
Aufgrund der tunnel
Felsmechanik wird der
Außenschacht
V-Förmig geschnitten
Seilsägen
Fels Zylinder
Felsen
Versorgungs-
tunnel Ausgebrochenes
Material
Seitenansicht
16
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17. Schachtform
Versorgungs-
Aufgrund des tunnel
Bergdrucks wird sich
der Zylinder nach der
Entlastung
ausdehnen Graben
Fels Zylinder
Bergdruck Bergdruck
Versorgungs-
tunnel Ausgebrochenes
Material
Seitenansicht
17
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18. Abdichtung Seitenwände
Versorgungs-
tunnel
Die Oberflächen des
Gesteins werden mit
wasserdichter
Geomembran-Folie
überzogen Abdichtung
Fels Zylinder
Versorgungs-
tunnel Ausgebrochenes
Material
Seitenansicht
18
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19. Heindl 2011
19
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20. 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 reagiert
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21. Zylinder Positionierung
Vier-Quadranten-Kontrolle
Niederdruck-
dichtung
1 bar
Hochdruck_
dichtung
Pumpe
Niederdruck-
dichtung x Zylinder x
Niederdruck-
dichtung
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22. 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.
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23. Technische Daten
Radius [m] 62,5 125 250 500
Durchmesser, Höhe [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 p [Bar] 26 52 103 206
Druck oben [Bar] 20 39 78 157
Energie (Brutto) **
[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
23
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24. Felswände
300m
1000m
80m
Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck) Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia) 24

25. 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. Wasser - Generator
Radius [m] 62,5 125 250 500
Energie (Brutto) [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
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27. Preisbildung
Preis [€/MWh]
Oberes Niveau
125
Grenze: Gasturbine
Marge Speicher
Zone konventioneller
Flexibilität
Unteres Niveau
25
Grenze: Elektroheizung
Bei hohem Anteil von Wind- und Solarenergie beginnt sich ein Zweiniveausystem im Preis
auszubilden. Bei Überschussproduktion werden thermische Verbraucher das untere Niveau
bestimmen. Bei Mangel werden Gasturbinen das obere Niveau stabilisieren.
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28. Wirkungsgrad von Speichern
Power to
Gas
Druckluft
Speicher
Pump-
speicher
Batterien
Der Wirkungsgrad bestimmt den minimalen Verkaufspreis, ab dem ein Speicher im Markt auftreten kann!
Annahmen: Keine Abschreibung o.ä. Kosten, Einkaufspreis 30€/MWh, keinerlei Netzabgaben, etc.
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29. Wirtschaftlichkeit: Mögliche Einnahmen
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
Zur Berechnung der Wirtschaftlichkeit ist es interessant, den Wert einer Speicherladung zu betrachten.
Dieser liegt selbst beim kleinstem System bei 48-tausend Euro. Die Einnahmen entstehen mit jedem Zyklus.
Sehr große Systeme können allerdings aus hydrologischen Gründen nur wenige Zyklen pro Jahr fahren.
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30. Wirtschaftlichkeit: Systemkosten*
Beispiel: 500m Radius, Nettokapazität: 1600GWh
Preis/
Gewerk Einheit Preis
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. €
*Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur
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31. Wirtschaftliche Betrachtung
Investitionen
Radius [m] 62,5 125 250 500
Kapazität [GWh] 0.5 8 125 2000
Investitionskosten* [Mio.€] 39 131 472 1,785
Zyklen pro Jahr 300 300 25 6
Mögliche Einnahmen [Mio.€] 290 4.640 6.187 19.797
Investment per kWh* [€] 81 17 4 0,90
Annahme: Preismarge 100 €/MWh
*Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur (Speicherkapazität)
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32. Hybrider Lageenergiespeicher
Lageenergie Stromnetz Gasnetz
Speicher
Kupplung Kupplung
Pelton
Generator Gasturbine
Turbine
Die Kombination eines Speichers mit Pelton-Turbine und einer Gasturbine an einem Generator ermöglicht
die 100% Verfügbarkeit in einem Kapazitätsmarkt, unabhängig vom Speicherstand
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33. 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 (Momentanreserve)
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34. Vielen Dank für Ihr Interesse!
Fragen?
www.Lageenergiespeicher.de
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