Unterflurspeicher

• Hohe Speicherdichte z.B.
  13,4 GWh bei Zylinderdimension von 262 m Ø, 333 m Tiefe
  22 GWh bei Zylinderdimension von 262 m Ø, 555 m Tiefe
• Hervorragende Umweltverträglichkeit
  Ein kleiner, ggfs. als Freizeitgewässer nutzbarer Speichersee
• Preisgünstig
  Bedeutende Kosteneinsparung verglichen mit klass. Pumpspeicher

Bisherige Lösung

• Zwei Speicherseen mit großem Höhenunterschied
• Wasser aus einem unteren Speichersee wird in
  einen höher liegenden zweiten Speichersee hoch-
  gepumpt bzw. bei Strombedarf wieder abgelassen
• Teilweise lange Verbindungsstollen

Besonderheiten

• Bewährte Technologie seit Jahrzehnten im Einsatz
• Großer Eingriff in die Natur (Umweltbelastung)
• Häufig kleine Energiedichte wegen geringer
  Höhendifferenz der Speicherseen
• Hohe Herstellkosten
• Der notwendige Ausbau an Speicherkapazität
  scheint mittels Pumpspeicherwerken nicht möglich
  → Nicht genügend mögliche Standorte

Vorgeschlagener Lösungsweg

• Unter hohem Druck wird Wasser
  unter den Zylinder gepumpt
  (Wasser dient nur zur Energieübertragung)
• Eine radiale Hochdruckdichtung
  dichtet den Zylinder
• Der Zylinder wird angehoben (Lageenergie)
• Das unter den Zylinder gepumpte Wasser
  wird aus dem oberen Speicher entnommen
  → Autarke Anlage mit Sekundärspeicher
  bei konstantem Wasserpegel

Besonderheiten

• Hohe Energiedichte und Speicherleistung
  • 13,4 GWh bei Felszylinder h = 333 m, d = 262 m
  • 22,3 GWh bei Felszylinder h = 555 m, d = 262 m
• Preisgünstige Herstellung
• Hervorragende Umweltverträglichkeit
  Sichtbar ist nur Badesee auch in ebener Landschaft
• Große Freiheit hinsichtlich Standortwahl
• Schnelles dynamisches Ansprechverhalten
• Hohe mögliche Spitzenleistung

Spiralförmiger Arbeitsstollen

• Große Anzahl senkrechter Tiefbohrungen mit ø = 30 cm (≤ ± 2 cm) im Abstand von je 5 m zum Aussägen eines Ringspalts mittels Seilsägen
• Spiralförmig angeordneter Arbeitsstollen (Ø = 3 m) Erstellt mit Tunnelbohrmaschine mit 50 m Höhenversatz pro Windung bei Kurvenradius 130 m (ca. 830 m Umfang mit 6 % Steigung)
• Gesamtlänge des spiralförmigen Arbeitsstollens
  bei 13,4 GWh: 8,3 km Länge (→ 10 Windungen)
  bei 22,3 GWh: 12 km Länge (→ 14,5 Windungen)
• Arbeitsstollen ermöglicht zuverlässiges partielles Aussägen des Zylinders mittels Seilsäge (Segmentgröße zum Aussägen 50 x 5 m, h, b)
• Ausbringung des Abraums von Tunnel und Ringspalt mittels Förderbändern im Arbeitsstollen

Erstellung des Verbindungsschachts

• Anbringen einer senkrechten Bohrung (Ø 50 cm) zum Ausbringen des Abraums
• Ausbringen des Abraum während dem Ausheben des Schachts
  • Aushub wird in senkrechtes Bohrloch (Ø 50 cm) geschüttet
  • In nächsten darunter liegenden Versorgungsstollen wird dieser Abraum aufgefangen und einem zwischenförderband zugeführt
  • Weitertransport des Abraums zum Förderband der Tunnelbohrmaschiene gemeinsames Ausbringen in spiralförmigem Versorgungsstollen

Ausheben des senkrechten Verbindungsschachts zwischen den Speichern

• Anbringen einer senkrechten Bohrung (Ø 50 cm) zum Ausbringen des Abraums
• Ausbringen des Abraum während dem Ausheben des Schachts
  • Aushub wird in senkrechtes Bohrloch (Ø 50 cm) geschüttet
  • In nächsten darunter liegenden Versorgungsstollen wird dieser Abraum aufgefangen und einem Zwischenförderband zugeführt
  • Weitertransport des Abraums zum Förderband der Tunnelbohrmaschiene (gemeinsames Ausbringen in spiralförmigem Versorgungsstollen)

Anlagendaten Pilotanlage mit 2,8 MWh

• Speicherinhalt beträgt 12.850 m3 Wasser
• Herstellung des Speichersees durch Zylinderabtrag von 20 m Höhe
• Abzutragendes Gestein 12.850 m3 mit einem Gewicht von 35.800 t
• Daten des Felszylinders
  Zylinderdurchmesser 28,6 m Wirksame Zylinderhöhe 50 m Felsvolumen 32.120 m3 mit einem Gewicht von 90.000 t Höhenverschiebung 20 m
• Speicherkapazität beträgt 2,8 MWh (bei 9 bar Druckdifferenz)
• Möglicher Standort beispielsweise stillgelegter Steinbruch (Hanglage)
• Zylinderform durch 18 senkr. Bohrungen oval angeordnet mit einem Abstand von jeweils 5 m
• Nur ein Ringstollen an Zylindersole
• Zylinderdichtung durch Rollbalg aus Gummi ggf. mit Textileinlage oder Seilen
• Erprobungsziele
  • Seilsägen unter realen Bedingungen
  • Entfernen der Spaltmaterials
  • Versiegeln der Zylinderwände
  • Erproben des Dichtungskonzepts
• Nutzbar als Hochdynamischer Kurzspeicher

Anlagendaten Pilotanlage mit z.B. 300 (150*) MWh

• Nutzbares Speichervolumen von 400.000 m3 bei einem Durchmesser 100 m und bewegliche Höhe von 51 m

• Herstellung Speichersee durch Abtrag von 51 m Höhe des Zylinders

• Abzutragendes Gestein 400.000 (200.000*) m3 mit einem Gewicht von 1.120.000 (560.000*) t

• Daten des Felszylinders Zylinderdurchmesser 100 (71*) m
  Wirksame Zylinderhöhe 167 m
  Felsvolumen 1,3 (0,64*) Mio. m3 mit einem Gewicht von 3,7 (1,8*) Mio. t
  Höhenverstellung des Felszylinders 51 m Gesamte Wassertiefe 250 m Nutzbare Druckdifferenz 30 bar Speicherkapazität 300 (150*) MWh Alternativstandort ein stillgelegter Steinbruch oder offene Anlage mit Speichersee

  • Alternativ kleinere Ausführungsvariante

Mögliche Anlagengröße

Leistungsvergleich mit geplantem Pumpspeicherwerk Atdorf

• Speichersee hat eine Wasserfläche von ca. 400 m Ø bei einer variierenden Wassertiefe von ca. 3 bis 170 m
• Nutzbares Speichervolumen beträgt 9 Mio. m3 bei 262 m x 167 m (Durchmesser, Höhe)
• Herstellung des Speichersees durch Zylinderabtrag von 167 m Höhe Abzutragendes Volumen beträgt dabei 9 Mio. m3 bei einem Gewicht von 25,2 Mio. t
• Daten des Felszylinders 262 m x 333 m (555 m)* (Durchmesser, Höhe) Felsvolumen beträgt 18 Mio. m3 (30 Mio. m3)* bei einer Felsmasse von 50 Mio. t (83 Mio. t)*
• Höhenverstellung des Felszylinders beträgt 167 m
• Gesamte Wassertiefe beträgt 500 m (722 m)*
• Nutzbare Druckdifferenz beträgt 60 bar (100 bar)*
• Speicherkapazität beträgt 13,4 GWh bei Zylinderhöhe 333 m bzw. 22 GWh bei Zylinderhöhe 555 m)*

Berechnung der Speicherkapazität

Berechnung der wirksamen Druckdifferenz

Wasser dient hierbei nur als Energieüberträger. Der Fels schwebt im Wasser, so dass sich nur die Differenz der Dichte des Felsens zum Wasser auf die Lageenergie auswirkt.
Der Zylinderdurchmesser hat keine Auswirkung auf die Druckdifferenz, da sich die Felsmasse proportional zur wirksamen Kolbenfläche des Zylinders verhält.

Spez. Gewicht Granit:D(Granit) = 2,8 t/m3 Spez. Gewicht Wasser: D(Wasser) = 1 t/m3 Dichte D(Fels in Wasser) = D(Granit) - D(Wasser) = 1,8 t/m3

• Nutzbare Druckdifferenz = Höhe Fels x D(Fels in Wasser) = 333 m x 1,8 t/m3 = 60 bar bzw. = 555 m x 1,8 t/m3 = 100 bar

Berechnung der Speicherkapazität

• Anhand eines Vergleichs mit dem geplanten Pumpspeicherwerk Atdorf ergibt sich folgende Vergleichsberechnung: Daten des Pumpspeicherwerks Atdorf [5]:
  • Nutzbare Höhendifferenz 600 m → Nutzbare Druckdiff. 60 bar
  • Nutzbare Speicherkapazität der Speicherseen 9 Mio. m3
  • Speicherkapazität: 13,4 GWh (lt. Angaben von ENBW) 22,3 GWh bei 100 bar (13,4 x 100/60 bar)
    Der Lageenergiespeichers besitzt damit eine Zylinderhöhe von 333 m, einen Durchmesser von 262 m mit einer Höhenverstellung von 167 m dieselbe Speicherkapazität wie die in Atdorf geplante Anlage.

Ergebnis:

• Bei Felszylinder h = 555 m, d = 262 m sind dies 22 GWh
• Bei Felszylinder h = 640 m, d = 524 m) schließlich 100 GWh
  (Höhenfaktor = 1,15. Volumenvergrößerung quadratisch zum Durchmesser)

Zusammenfassung

Dieses Konzept speichert große Energiemengen durch die Lageenergie freigesägter, jedoch an ihrem Ursprungsort verbleibender Felsmassen

Ausblick

• Im Rahmen von Diplomarbeiten sollen offene Teilfragen (Felsverhalten, Detailberechnung, Kostenschätzung etc.) näher untersucht werden
• Berechnungen zum elastischen Felsverhalten müssen erstellt werden
• Mit Planung und Errichtung einer Pilotanlage können Erfahrungen hinsichtlich Machbarkeit, Erstellung und Betrieb gesammelt werden
• Verschiedene Konzepteigenschaften wurden bereits in Form von zwei Patentanmeldungen angemeldet