Lageenergiespeicher mit Sekundärspeicher

Lageenergiespeicher als Unterflurspeicher

Der Lageenergiespeicher speichert große Energiemengen durch die Lageenergie freigesägter, jedoch an ihrem Ursprungsort verbleibender Felsmassen. Das Konzept kombiniert einen Unterflurspeicher mit einem Sekundärspeicher und soll hohe Speicherdichte bei guter Umweltverträglichkeit ermöglichen.

Unterflurspeicher mit hoher Speicherdichte

Hohe Speicherdichte, zum Beispiel 13,4 GWh bei einer Zylinderdimension von 262 m Durchmesser und 333 m Tiefe
Bis zu 22 GWh bei einer Zylinderdimension von 262 m Durchmesser und 555 m Tiefe
Hervorragende Umweltverträglichkeit durch kleinen, gegebenenfalls als Freizeitgewässer nutzbaren Speichersee
Preisgünstiges Konzept mit bedeutender Kosteneinsparung gegenüber klassischen Pumpspeichern

Lageenergiespeicher mit Speicherkapazität vergleichbar mit dem geplanten Pumpspeicherwerk Atdorf — Lageenergiespeicher mit Speicherkapazität wie Atdorf

Klassischer Pumpspeicher mit zwei Speicherseen und Höhenunterschied — Klassischer Pumpspeicher

Bisherige Lösung: klassischer Pumpspeicher

Zwei Speicherseen mit großem Höhenunterschied
Wasser aus einem unteren Speichersee wird in einen höher liegenden Speichersee gepumpt
Bei Strombedarf wird das Wasser wieder abgelassen
Teilweise lange Verbindungsstollen notwendig

Besonderheiten klassischer Pumpspeicher

Bewährte Technologie, seit Jahrzehnten im Einsatz
Großer Eingriff in die Natur
Häufig geringe Energiedichte wegen geringer Höhendifferenz der Speicherseen
Hohe Herstellkosten
Der notwendige Ausbau an Speicherkapazität scheint mit klassischen Pumpspeicherwerken nur begrenzt möglich
Es stehen nicht genügend geeignete Standorte zur Verfügung

Schematische Darstellung des vorgeschlagenen Lageenergiespeichers mit Felszylinder — Vorgeschlagener Lösungsweg mit Felszylinder

Vorgeschlagener Lösungsweg

Unter hohem Druck wird Wasser unter den Zylinder gepumpt.
Das Wasser dient dabei nur zur Energieübertragung.
Eine radiale Hochdruckdichtung dichtet den Zylinder ab.
Der Zylinder wird angehoben und speichert dadurch Lageenergie.
Das unter den Zylinder gepumpte Wasser wird aus dem oberen Speicher entnommen.
Dadurch entsteht eine autarke Anlage mit Sekundärspeicher bei konstantem Wasserpegel.

Unterflurspeicher mit Badezone als sichtbarer Speichersee — Unterflurspeicher mit Badezone

Besonderheiten des Lageenergiespeichers

Hohe Energiedichte und Speicherleistung
13,4 GWh bei einem Felszylinder mit 333 m Höhe und 262 m Durchmesser
22,3 GWh bei einem Felszylinder mit 555 m Höhe und 262 m Durchmesser
Preisgünstige Herstellung
Hervorragende Umweltverträglichkeit, da sichtbar nur ein Badesee bleibt
Große Freiheit hinsichtlich Standortwahl
Schnelles dynamisches Ansprechverhalten
Hohe mögliche Spitzenleistung

Spiralförmiger Arbeitsstollen

Große Anzahl senkrechter Tiefbohrungen mit etwa 30 cm Durchmesser zum Aussägen eines Ringspalts mittels Seilsägen
Spiralförmig angeordneter Arbeitsstollen mit etwa 3 m Durchmesser
Erstellung mit Tunnelbohrmaschine und etwa 50 m Höhenversatz pro Windung
Gesamtlänge des Arbeitsstollens bei 13,4 GWh: etwa 8,3 km
Gesamtlänge des Arbeitsstollens bei 22,3 GWh: etwa 12 km
Der Arbeitsstollen ermöglicht ein partielles Aussägen des Zylinders mittels Seilsäge
Ausbringung des Abraums über Förderbänder im Arbeitsstollen

Erstellung des Verbindungsschachts

Anbringen einer senkrechten Bohrung zum Ausbringen des Abraums
Aushub wird in ein senkrechtes Bohrloch geschüttet
Im darunterliegenden Versorgungsstollen wird der Abraum aufgenommen
Weitertransport zum Förderband der Tunnelbohrmaschine
Gemeinsames Ausbringen über den spiralförmigen Versorgungsstollen

Mögliche Pilotanlage eines Lageenergiespeichers mit 2,8 MWh Speicherkapazität — Mögliche Pilotanlage

Anlagendaten einer Pilotanlage mit 2,8 MWh

Speicherinhalt: etwa 12.850 m³ Wasser
Herstellung des Speichersees durch Zylinderabtrag von etwa 20 m Höhe
Abzutragendes Gestein: etwa 12.850 m³ mit einem Gewicht von etwa 35.800 t
Zylinderdurchmesser: etwa 28,6 m
Wirksame Zylinderhöhe: etwa 50 m
Felsvolumen: etwa 32.120 m³ mit einem Gewicht von etwa 90.000 t
Höhenverschiebung: etwa 20 m
Speicherkapazität: etwa 2,8 MWh bei 9 bar Druckdifferenz
Möglicher Standort: stillgelegter Steinbruch in Hanglage
Zylinderform durch senkrechte Bohrungen mit jeweils etwa 5 m Abstand
Nutzbar als hochdynamischer Kurzzeitspeicher

Erprobungsziele

Seilsägen unter realen Bedingungen
Entfernen des Spaltmaterials
Versiegeln der Zylinderwände
Erproben des Dichtungskonzepts

Möglicher erster Prototyp eines Lageenergiespeichers mit 150 bis 300 MWh — Möglicher erster Prototyp

Anlagendaten einer Pilotanlage mit 150 bis 300 MWh

Nutzbares Speichervolumen von etwa 400.000 m³ bei 100 m Durchmesser und 51 m beweglicher Höhe
Herstellung des Speichersees durch Abtrag von etwa 51 m Höhe des Zylinders
Abzutragendes Gestein: etwa 400.000 m³ beziehungsweise 200.000 m³ bei kleinerer Variante
Zylinderdurchmesser: etwa 100 m beziehungsweise 71 m bei kleinerer Variante
Wirksame Zylinderhöhe: etwa 167 m
Felsvolumen: etwa 1,3 Mio. m³ beziehungsweise 0,64 Mio. m³ bei kleinerer Variante
Höhenverstellung des Felszylinders: etwa 51 m
Gesamte Wassertiefe: etwa 250 m
Nutzbare Druckdifferenz: etwa 30 bar
Speicherkapazität: etwa 300 MWh beziehungsweise 150 MWh bei kleinerer Variante
Alternativstandort: stillgelegter Steinbruch oder offene Anlage mit Speichersee

Beispielanlage eines Lageenergiespeichers mit bis zu 22 GWh Speicherkapazität — Beispielanlage für große Speicherkapazitäten

Mögliche Anlagengröße

Leistungsvergleich mit dem geplanten Pumpspeicherwerk Atdorf

Speichersee mit Wasserfläche von etwa 400 m Durchmesser und variierender Wassertiefe
Nutzbares Speichervolumen: etwa 9 Mio. m³
Herstellung des Speichersees durch Zylinderabtrag von etwa 167 m Höhe
Daten des Felszylinders: etwa 262 m Durchmesser und 333 m beziehungsweise 555 m Höhe
Höhenverstellung des Felszylinders: etwa 167 m
Gesamte Wassertiefe: etwa 500 m beziehungsweise 722 m
Nutzbare Druckdifferenz: etwa 60 bar beziehungsweise 100 bar
Speicherkapazität: etwa 13,4 GWh bei 333 m Zylinderhöhe beziehungsweise 22 GWh bei 555 m Zylinderhöhe

Berechnung der Speicherkapazität

Berechnung der wirksamen Druckdifferenz

Wasser dient hierbei nur als Energieüberträger. Der Fels schwebt im Wasser, sodass sich nur die Differenz der Dichte des Felsens zum Wasser auf die Lageenergie auswirkt.

Beispiel: Spezifisches Gewicht von Granit etwa 2,8 t/m³, Wasser etwa 1 t/m³. Daraus ergibt sich eine wirksame Dichte des Felsens im Wasser von etwa 1,8 t/m³.

Nutzbare Druckdifferenz bei 333 m Felszylinderhöhe: etwa 60 bar
Nutzbare Druckdifferenz bei 555 m Felszylinderhöhe: etwa 100 bar

Ergebnis der Kapazitätsabschätzung

Bei Felszylinderhöhe 555 m und 262 m Durchmesser: etwa 22 GWh
Bei Felszylinderhöhe 640 m und 524 m Durchmesser: bis zu etwa 100 GWh

Modell eines Lageenergiespeichers mit höhenverstellbarem Zylinder und Speichersee mit Badezone — Modell mit höhenverstellbarem Zylinder und Speichersee mit Badezone

Unterflurspeicher mit Badezone als sichtbarer Teil eines Lageenergiespeichers — Unterflurspeicher mit Badezone

Zusammenfassung

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

Ausblick

Offene Teilfragen wie Felsverhalten, Detailberechnung und Kostenschätzung sollen weiter 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 Patentanmeldungen angemeldet.