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Donnerstag, 24. Mai 2012

Energiespeicher Schwerkraft

Immer wieder werde ich gefragt, wieso man nicht einfach schwere Gewichte hochhebt und damit Energie speichert? Prinzipiell kann man sehr wohl Energie durch Anheben von Gewichten speichern.
Pendeluhr mit Gewichten (Bildquelle : Wikipedia)
Besonders bei Uhren ist das Verfahren, Energie durch das Anheben von Gewichten zu speichern weit verbreitet und sinnvoll, da Uhren erstaunlich wenig Energie benötigen. 

Berechnung der Energiemenge

Um die Menge an gespeicherter Energie zu bestimmen, müssen drei Faktoren berücksichtigt werden, die Stärke der Schwerkraft, die Masse des Gewichts und die Höhe um die das Gewicht angehoben wird.
Ein erstes Beispiel soll das verdeutlichen, eine Pendeluhr hat ein Gewicht, das m = 10 kg schwer ist und einen Meter (h = 1m) hochgehoben wird. Die Schwerkraft ist weltweit praktisch immer gleich und mit g = 9,81m/s² anzusetzen. Oder vereinfacht g ~ 10m/s²
Damit bekommt man die gespeicherte Energie:
E = m * g * h
E= 10 kg * 10 m/s² * 1 m 
E = 100 J = 100 Ws 
Die Uhr speichert also 100 Watt Sekunden, oder in anderen Worten ausgedrückt, damit könnte man eine Glühbirne mit 100 Watt genau eine Sekund antreiben. Nicht besonders viel!

Um die Energiemenge zu erhöhen, kann man die Uhr höher aufhängen, etwa auf einem Kirchturm, der 100 Meter hoch ist. Wenn das Gewicht an einem langen Seil dann 100 Meter aufgezogen wird, speichert es 10.000 Ws, Damit kann man die Glühbirne bereits 100 Sekunden aufleuchten lassen. 

Ein Turm mit Gewicht

Ein noch höherer Turm ist sicher keine gute Lösung, daher versuchen wir das Gewicht zu vergrößern. Wenn man statt 10 kg einen Felsblock mit 3600 kg anhebt, hat man 3.600.000 Ws gespeichert! Das ist schon eine Menge und es lohnt sich, dies in der üblichen Einheit Kilowattstunden (kWh) anzugeben. Da eine Stunde 3600 Sekunden hat ergibt das genau eine Kilowattstunde und hat auf dem Strommarkt einen Wert von etwa 0,05€.

Offensichtlich kann man damit kein wirtschaftliches Speichersystem aufbauen, denn auch nach 1000 Zyklen hat man nur 50 Euro eingenommen, muss aber von dem Geld den 100m hohen Turm, den Motor und noch einiges an Zubehör bezahlen.

Ein Güterzug

Ein Ausweg ist, die Masse weiter massiv zu erhöhen, etwa ein großer, amerikanischer Supergüterzug, der 100 Wagons hat und jeder Wagon 100 Tonnen schwer ist. Diesen ziehen wir jetzt 360 m hoch auf die Schwäbische Alb und lassen ihn bei Bedarf wieder herunterrollen. Die Energiemenge ist dabei:
E = 100 * 100 t *1000 kg/t * 10 m/s² * 360 m
E = 36.000.000.000 Ws
E = 10.000 kWh
Die Energiemenge die dieser Güterzug speichert ist erheblich, allerdings auf dem Strommarkt nur 500€ wert. Vielleicht auch ein Hinweis, dass Strom doch immer noch eine sehr günstige Energie ist.  

Will man mit dieser Konstruktion Geld verdienen und fährt den Güterzug jeden Tag bei Sonnenschein mit der Energie aus Photovoltaikanlagen hoch, so hat man nach 1000 Zyklen immerhin 500.000€ eingenommen. Allerdings besteht kaum die Chance, damit auch nur das notwendige Abstellgleis zu finanzieren, von der Lokomotive und den Wagons ganz zu schweigen.

Einen See hochheben

Der Klassiker für das Speichern von Energie ist das Hochpumpen von Wasser in einen Speichersee. Ein größerer See, wie der Schluchsee, kann immerhin 13 Millionen Tonnen Wasser aufnehmen, dies entspricht bei 500 Meter Höhenunterschied die gewaltige Energiemenge von 18 GWh. Bei einem Strompreis von 0,05€ ist die Energie im See jetzt 900.000€ wert! Nach 1000 Zyklen kann man damit etwa 900 Millionen Euro einnehmen und es ist realistisch, mit so viel Geld ein System dieser Art zu bauen. 

Einen Fels hydraulisch anheben.

Der ultimative Energiespeicher ist ein zylinderförmiger Fels, den man aus seiner Umgebung freilegt, wie es beim Lageenergiespeicher verwirklicht werden soll. Die Felsmasse beträgt etwa 2 Milliarden Tonnen. Hebt man diesen Fels hydraulisch um 500m an, so speichert er etwa 2000GWh, unter Berücksichtigung von Verlusten bei den Turbinen sind es mindestens 1600GWh, das ist ein Wert von 80 Millionen Euro. Würde man theoretisch diesen Berg 1000 mal hochheben, könnte man damit 80 Milliarden Euro einnehmen. Die Frage ist, ob ein derartiges Bauwerk zu diesen Preis realisierbar ist? 

Speicherbau ist schwer

Aus den obigen Beispielen sieht man, dass es schwer ist, mit der Schwerkraft und großen Massen größere Energiemengen zu speichern. Es soll noch angemerkt werden, dass es sich bei der ökonomischen Betrachtung um grobe Überschlagsrechnungen handelt. Die Annahme, dass man 5ct pro kWh erlösen kann ist auf dem aktuellen Markt realistisch, der Wert könnte aber auch auf das Doppelte ansteigen. Die Annahme von 1000 Arbeitszyklen ist ebenfalls ungenau, würde etwa jeden Tag eingespeichert, dann wäre bereits nach drei Jahren das Kapital zurückgeflossen. Es ist unklar wie oft in Zukunft überschüssige Energie vorhanden ist, zudem sind Abschreibung, Betriebskosten usw. nicht berücksichtigt.

Hinweis:

Die größten Energiespeicher gibt es in Norwegen, denen ich einen eigenen Beitrag gewidmet habe

Kommentare:

  1. Neben den erwähnten großen Dimensionen würde mich auch das Gegenteil, also das Prinzip dezentraler Hubspeicher interessieren.

    Wäre es nicht sehr günstig/einfach kleinere Hubspeicher in vielen Haushalten zu installieren?

    So könnte man bspw. einen Betonblock hydraulisch anheben, fixieren und bei Bedarf wieder ablassen.
    Dies sollte die Problematik der überschüssigen Energie versus wenig Nachfrage im Netz (zb. Windenergie nachts) bei kleinen Kosten/Gefahren deutlich entschärfen.

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    1. @Phil Schmidt,
      leider steigen die Kosten beim Lageenergiespeicher bei kleinen Radien stark an. Daher ist es nicht ökonomisch ein "Gartenmodell" zu bauen. Siehe auch http://lageenergiespeicher.de/faq/wirtschaftlichkeit.html#Bauen

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  2. Dieser Kommentar wurde vom Autor entfernt.

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  3. Guten Abend Herr Heindl,

    warum wird eigentlich versucht den Aufwand zu betreiben den Block aus dem Gelände zu schneiden. Ist es denn nicht möglich, bereits bestehende "Löcher", die entsprechend gut zugänglich sind, zu modifizieren und den Zylinder darin aufzufüllen? Das könnte ich mir gut für die Nachnutzung eines Tagebaus vorstellen. Gegebenenfalls könnten darin sogar mehrere Zylinder verbaut und mit dem Abraum aufgefüllt werden.

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    1. Das Herstellen eines "künstlichen" Zylinders ist bei den sinnvollen Massen im Bereich Millionen Tonnen wesentlich teurer als das Ausschneiden aus dem Fels.
      Zudem braucht man ein Loch, das gut zum Kolben passt, das ergibt sich beim Ausschneiden von selbst. "Normale" Löcher haben selten senkrechte Wände.

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  4. Was ist mit einer Übersetzung wie beim "Gravity Light" wäre das nicht auf grössere Ausmaße anwendbar?

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    1. Batterien sind viel billiger als Motor/Dynamo und Seil bei gleicher Energiemenge.

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