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Dienstag, 13. Mai 2014

Vergleich der Energiespeicher mit Lageenergie

Energiespeicher mit Lageenergie

Durch die starke weltweite Zunahme von Wind- und Solarenergieanlagen sind viele Erfinder mit der Frage beschäftigt, wie man die Energie möglichst ökologisch und ökonomisch speichern kann. Neben den vielen chemischen Konzepten spielt dabei die Nutzung der Schwerkraft in Form von Lageenergie eine wichtige Rolle. In diesem Blog sollen alle mir relevant erscheinenden Verfahren verglichen werden.

Kriterien für Energiespeicher 

Für alle Speicher werden dabei folgende Kriterien betrachtet:

  • Flächenbedarf 
  • Bautechnische Probleme
  • Kosten pro kWh Speicherkapazität
  • Besondere Anforderungen
  • Offene Probleme
Der Wirkungsgrad wird hier nicht betrachtet, da vermutlich alle Verfahren zwischen 80% und 95% Zyklus-Wirkungsgrad erreichen und damit praktisch alle hier beschriebenen Ansätze die bekannten chemischen Speicherverfahren übertreffen (Ausgenommen: Batterien).
Alle vorgestellten Verfahren sind noch nicht in der praktischen Umsetzung und daher wird die Marktreife ebenfalls nicht berücksichtigt. Das klassische Pumpspeicherwerk wird als Referenzsystem zum Vergleich herangezogen, daher zunächst die Daten:

Pumpspeicherwerk 

Das klassische Pumpspeicherkraftwerk nutzt zwei Wasserreservoirs auf unterschiedlicher Höhe und pumpt zwischen beiden Wasser hin und her. Bei günstigen Strom wird hochgepumpt, bei hohen Strompreisen wird Wasser über eine Turbine mit Generator geleitet. Der Flächenbedarf ist erheblich, zusammen mit dem Unterbecken benötigt man pro Megawattstunde (1000 kWh) 200 Quadratmeter. Bautechnisch stellen der Damm und das Becken sowie die verschiedenen Stollen die größte Herausforderung dar. Die Kosten der Speicherkapazität werden in der Literatur sehr unterschiedlich angesetzt, 100 Euro pro kWh wird für bereits gebaute Anlagen oft angegeben. Die besondere Anforderung ist, dass ein natürlicher Höhenunterschied von mindestens 400 Meter vorhanden sein sollte. Weiterhin kann durch Verdunstung in warmen, ariden Gegenden erheblich Wasser verloren gehen. Technisch gibt es keine offenen Probleme, allerdings gibt es inzwischen erhebliche Widerstände gegen Neubauten, da oft wertvolle Hochflächen geflutet und verbaut werden. 

Energy Cache

Eine sehr originelle Idee ist das anheben von Schotter mit einer Art Skilift, wie es die Firma Energy Cache verfolgt und von Bill Gates [1] (teilweise) finanziert wird.
Dabei wird Schotter mit einer Kübelkette bei Stromüberschuss nach oben gezogen, dort automatisch entladen und bei Strombedarf wird der Prozess einfach umgedreht.
  • Flächenbedarf: 100m²/MWh, stark vom Wirkungsgrad (Schütthöhe!) und Höhenunterschied abhängig
  • Bautechnische Probleme: Seile nutzen sich ab
  • Kosten pro kWh Speicherkapazität: Sehr hoch, vermutlich weit über 1000€/kWh
  • Besondere Anforderungen: Großer Höhenunterschied, viel Schotter
  • Offene Probleme: Prototyp funktioniert
Gesamturteil: Nicht geeignet da zu aufwendig.

Das Meer-Ei

Eine inverse Version des Pumpspeichers ist das Meer-Ei [2], eine Hohlkugel aus Beton, die tief in das Meer versenkt ist. Bei Stromüberschuss, insbesondere aus Offshore-Windparks, wird Wasser aus der Kugel herausgepumpt, bei Strommangel strömt das Wasser wieder über eine Turbine in die Kugel ein und erzeugt Strom.
Das Meer-Ei tief in der See versenkt kann günstig Energie speichern. Bild: Fraunhofer IWES
  • Flächenbedarf: nur Meeresboden notwendig
  • Bautechnische Probleme: Betonkugeln müssen sehr massiv und groß sein, Verschalung problematisch
  • Kosten pro kWh Speicherkapazität: Unbekannt, aber vermutlich erträglich (200€/kWh denkbar)
  • Besondere Anforderungen: Tiefe Meeresstelle erforderlich, daher nicht für die Nordsee geeignet.
  • Offene Probleme: Seewasser erfordert gute Materialien und maritime Roboter-Techniken da nicht für Taucher zugänglich (Aufschwimmen denkbar).
Gesamturteil: System hat Potential im Offshorebereich.

Der Schottersack

Analog zum Ansatz des Meer-Ei arbeitet der Schottersack [3] unter Wasser. 
Das Prinzip des Schottersack Energiespeichers nach Heindl
Ein sehr großer Kunstoffsack, etwa aus LKW Plane, wird mit Schottersteinen unter Wasser gefüllt. In den Zwischenräumen befindet sich zunächst Wasser. Bei günstiger Energie wird das Wasser ausgepumpt, Luft strömt über einen Schnorchel nach. Bei Energiebedarf lässt man das Wasser über eine Turbine wieder einströmen. Vorteil, der Schotter kann nicht kollabieren, da er sehr fest ist.
  • Flächenbedarf: nur Meeresboden notwendig
  • Bautechnische Probleme: Herstellen eines großen Kunstoffplanenbehälters der Wasserdicht ist
  • Kosten pro kWh Speicherkapazität: Abhängig von Tiefe und Schotterpreis, deutlich unter 100€/kWh möglich
  • Besondere Anforderungen: Tiefe Meeresstelle erforderlich, daher nicht für die Nordsee geeignet.
  • Offene Probleme: Seewasser erfordert gute Materialien und maritime Roboter-Techniken da nicht für Taucher zugänglich.
Gesamturteil: System hat Potential im Offshorebereich.

Gravity Power

Das kalifornische Unternehmen Gravity Power [4] will in alten Bergwerksschächten große Massen hydraulisch anheben und absenken. Dabei wird Wasser bei Stromüberschuss unter den Zylinder gepumpt oder bei Strommangel senkt sich der Kolben und presst Wasser über eine Turbine.
Gewichte im Schacht bei Gravity Power (Copyright Gravity Power)
  • Flächenbedarf: sehr gering, da vollständig unterirdisch.
  • Bautechnische Probleme: Sehr tiefer Schacht muss vorhanden sein und muss präzise ausgekleidet werden
  • Kosten pro kWh Speicherkapazität: Abhängig von Tiefe, 100€/kWh möglich, wenn geeigneter Schacht mit 2000 m Tiefe vorhanden ist. Bei Neubau von Schächten völlig unwirtschaftlich.
  • Besondere Anforderungen: Verwaister, tiefer Schacht in gutem Zustand erforderlich.
  • Offene Probleme: Dichtung muss extrem hohe Drücke (200 Bar und höher) aushalten, da sehr große Bautiefe
Gesamturteil: System hat Potential falls Schacht vorhanden ist

Lagenergiespeicher, Gravity Storage

Der Lageenergiespeicher, nach Heindl [5], hat eine gewisse Ähnlichkeit zum Konzept von Gravity Power. Dabei wird eine große Felsmasse, 50 m Radius oder mehr, ausgeschnitten und als Kolben für die Energiespeicherung verwendet.
Der Lageenergiespeicher, eine große, natürliche Felsmasse wird angehoben
  • Flächenbedarf: Deutlich geringer als bei Pumpspeicher, je nach Größe 10m²/MWh
  • Bautechnische Probleme: Fels freilegen und abdichten
  • Kosten pro kWh Speicherkapazität: Abhängig vom Radius, 100€/kWh möglich. 
  • Besondere Anforderungen: Günstige Geologie
  • Offene Probleme: technisch umsetzbar erfordert aber hohe Investitionen.  
 Gesamturteil: System hat großes Potential 

Fazit

Es gibt viele neue Ideen im Bereich der Schwerkraftspeicher. Leider gibt es praktisch keine öffentliche Förderung für die einzelnen Konzepte. Das ist insbesondere schade, da vorab schwer zu erkennen ist, welche Technologie optimal ist. Zudem ist das Speicherproblem drängend und muss rechtzeitig angegangen werden, da zwischen Forschung und Umsetzung immer einige Jahre vergehen.

Weitere Informationen:

Quellen:

[1] The startup behind Bill Gates’ ‘ski lift for energy storage’ Gigaom
[2] Das Meer-Ei, HORST SCHMIDT-BÖCKING, et al. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/piuz.201301330/pdf
[3] Eduard Heindl, Patentanmeldung DE2012100174



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