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Die Energiefrage

 
 
 
 
 
 

Prof. Dr. Eduard Heindl

Die Energiefrage - #29
Gravity Storage -
ein neuartiger Pumpspeicher
für große Strommengen

Der weltweit rasante Zubau erneuerbarer Energien, insbesondere der Wind- und Solarkraft, ist ungebrochen: 2016 wurden mehr als 77 GW Fotovoltaik installiert. Das entspricht fast dem Doppelten der bereits bis heute installierten Kapazität in Deutschland. In sonnenreichen Ländern wir z.B. den Vereinigten Arabischen Emiraten, den USA, aber auch Australien wird Strom aus Fotovoltaik für unter 4 ct/kWh angeboten, was während der Tagesstunden zur vollständigen Wettbewerbsfähigkeit mit fossiler Stromproduktion führt. Auch die Kosten der Windkraft haben die 4ct/kWh fest im Blick. Die jüngste Ausschreibung von deutschen Offshore-Windkraft-Kapazitäten berücksichtigte ein Gebot von 0 ct/kWh, d.h. der Gewinner, in diesem Fall die EnBW, glaubt an die subventionsfreie Wettbewerbsfähigkeit von Offshore-Windkraft in einigen Jahren. Seit 2015 werden jährlich weltweit mehr erneuerbare als fossile Kraftwerkskapazitäten installiert und der Trend scheint nahezu unumkehrbar.
Die Einspeisung eines hohen Anteils von fluktuierender Energie aus Sonne und Wind werden für Stromnetze eine schwer zu beherrschende Belastung. Die Pufferung des fluktuierenden Stroms wird sowohl für kurze als auch für längere Phasen erforderlich. Im deutschen Stromnetz hat man seit Jahrzehnten gute Erfahrung mit dem Einsatz von Pumpspeichern gemacht, um die Schwankungen bei der Leistungsabnahme auszugleichen. Die Stromversorger verfügen hierzulande über 6 GW Pumpspeicherleistung und etwa 40 GWh Speicherkapazität, die aber viel zu klein bemessen ist, um einen wesentlichen Beitrag zur Integration der Erneuerbaren zu leisten.

In ariden Gebieten, in denen derzeit bis zu 2 GW große PV-Anlagen gebaut werden, ist allerdings das Wasser knapp und ein Einsatz von Pumpspeichern mit großen offenen Wasserflächen verbietet sich. Zudem benötigen Pumpspeicher erhebliche Höhenunterschiede, die in kaum einer Wüste zur Verfügung stehen. Der Einsatz von Batterien ist ebenfalls problematisch, da die hohen Temperaturen eine aktive und damit energieintensive Kühlung erfordern. Zudem können Batterien mit ihren hohen Kosten pro kWh Speicherkapazität unter subventionsfreien Rahmenbedingungen auch langfristig nicht überzeugen.

Lageenergiespeicher

Eine neuartige Technologie stellt der Lageenergiespeicher (Gravity Storage) dar, der auf große offene Wasserflächen verzichtet. Statt der Schwerkraft des Wassers wird eine große Felsmasse hydraulisch mit Wasser hochpumpt. Dies macht ein Oberbecken wie beim Pumpspeicher überflüssig. Das Unterbecken besteht aus einem relativ kleinen abgedeckten Wasserreservoir. Das Konzept erscheint zunächst etwas gewagt, da dazu ein Felskolben mit einem Durchmesser von 250 Metern und 340 Metern Tiefe aus dem Umgebungsgestein freigelegt und abgedichtet werden muss.
Betrachtet man den Bau jedoch im Detail, findet man im wesentlichem Techniken aus dem Berg- und Tunnelbau wieder, die gut entwickelt sind und auch gerade hierzulande zu Spitzentechnologien in bekannten Unternehmen geführt haben. Eine Herausforderung besteht im Management des Wasserdrucks von bis zu 70 bar, der Ansprüche an die Dichtheit des Systems stellt. Die notwendige Rollmembran-Dichtung wird z.B. mittels des Produktionsverfahrens für Förderbänder hergestellt.
Die Umwandlung von überschüssigem Strom mittels Pumpen in potentielle Energie des angehobenen Felszylinders erfolgt mit den gleichen Maschinensätzen wie in einem Pumpspeicherkraftwerk. In der Regel kommen Pumpturbinen zum Einsatz, die sowohl pumpen als auch turbinieren und in Summe mit lediglich 20% Wirkungsgradverlust arbeiten. 80% Wirkungsgrad sind für Speicher eine wirtschaftlich sinnvolle Höhe.
Eine Gravity-Storage-Anlage mit den Maßen von 250 Meter Durchmesser kann 8 GWh in das Netz einspeisen. Das entspricht der Arbeit des größten deutschen Pumpspeicherkraftwerkes im thüringischen Goldisthal. Damit kann die elektrische Energie einer PV-Anlage mit einer Spitzenleistung von 1 GW über einen Tag vollständig abgespeichert werden. Zudem können die Schwankungen aufgrund des Sonnenstands, Bewölkung und verschiedener Verbrauchswerte effizient ausgeglichen werden. Hier ist insbesondere die schnelle Reaktionszeit von Wasserturbinen vorteilhaft. Bei kurzen Rohrstrecken kann der Wechsel von voller Pumpleistung auf maximale Stromerzeugung innerhalb einer Minute erfolgen, was selbst ungewöhnlichen Anforderungen des Netzes genügt.

Deutliche Skaleneffekte

Allerdings lässt sich Gravity Storage nur ab einer Mindestgröße von ca. 150 Meter Durchmesser des Felskolbens wirtschaftlich betreiben. Aus geometrischen Gesetzmäßigkeiten folgt, dass eine Verdoppelung des Systemradius zur 16-fachen Kapazität führt. Das gilt auch umgekehrt, d.h. eine Halbierung des Radius reduziert die Kapazität auf ein Sechzehntel des Ausgangswerts. Da die Baukosten ungefähr proportional zur Fläche des Kolbens steigen bzw. abnehmen, werden große Anlagen wesentlich ökonomischer zu betreiben sein als solche mit kleineren Radien.

Pilotprojekt in greifbarer Nähe

Die Technologie des Gravity Storage befindet sich in der Entwicklung. Für 2018 ist der Baubeginn einer kleinen Pilotanlage geplant, die von einer Wirtschaftlichkeit weit entfernt ist, jedoch für alle entscheidenden Komponenten den Funktionsnachweis liefern soll. Entsprechende Standortuntersuchungen werden von der das Konzept entwickelnden Heindl Energy GmbH aus Stuttgart vorangetrieben und Gespräche mit interessierten Investoren aus der Energiewirtschaft geführt. In enger Kooperation mit der Sempertrans GmbH, dem Weltmarktführer für Fördergurte und Tochter der österreichischen Semperit AG, wird die Dichtung zur Praxisreife entwickelt.
Aufgrund der relativen Einfachheit der Technologie ist mit einer Lebensdauer von 60 Jahren und mehr zu rechnen. Dies ist insbesondere aus Nachhaltigkeitsaspekten wünschenswert, da der permanente Nachkauf von alternden Batteriezellen sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch problematisch ist.

Die Investitionskosten einer Gravity Storage Anlage liegen für eine 8 GWh-Anlage bei unter 200 Euro je Kilowattstunde Speicherkapazität. Diese Kosten umfassen sämtliche Investments, also auch den Netzanschluss. Da sie in diesem Beispiel zu deutschen Preisen für Bauleistungen gerechnet wurden, ist in anderen Volkswirtschaften mit erheblich niedrigeren Kosten zu rechnen. Verglichen mit anderen Speichersystemen soll sich Gravity Storage sowohl technologisch als auch wirtschaftlich gegenüber anderen Großspeichertechnologien wie z.B. Druckluftspeichern durchsetzen. Gravity Storage wird sein Potenzial überall dort entfalten, wo man Pumpspeicher bauen würde, es aber aus topografischen Gründen nicht kann.

Mit günstigen Großspeichern wie Gravity Storage besteht das Potential, das derzeitige "missing link" zwischen erneuerbaren Energien und einer 24/7-Versorgungssicherheit an günstigen Standorten herzustellen. Die nahezu vollständige Umstellung auf erneuerbare Energien, die nach Kapitalrückfluss zu extrem niedrigen Kosten Strom produzieren, könnte in Deutschland mit ausreichend vielen Anlagen bewerkstelligt werden.  In Ländern mit trockenem Wüstenklima würden verhältnismäßig weit weniger solcher Anlagen für eine Vollversorgung aus Solarenergie ausreichen.

Weitere Informationen: http://www.gravity-storage.com

17. Juli 2017

Prof. Dr. Eduard Heindl

Prof. Dr. Eduard Heindl ist Physiker und Ingenieur. Er hat die in allen wichtigen Industriestaaten patentierte Technologie des Lageenergiespeichers im Jahr 2010 erstmals konzipiert und entwickelt sie unter unternehmerischen Rahmenbedingungen seit 2013 in der Heindl Energy GmbH.