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Die Aufgabe des Lageenergiespeichers ist die Speicherung sehr großer Energiemengen für die Stromversorgung. In unserem aktuellem Stromnetz gibt es keine Speicher, die eine Versorgungslücke ausgleichen können. Die einzigen Speicher, die vorhanden sind, dienen als Reserve bei Ausfall eines großen Kraftwerks. So kann der Schluchsee aus dem Stand eine Leistung im Bereich von einem Gigawatt (GW) abgeben. Die Speicherkapazität beträgt etwa 10 GWh; damit kann also der Ausfall eines Kraftwerks mit einer Leistung von 1GW für 10 Stunden kompensiert werden.
In Deutschland werden permanent 60GW[Google public data] verbraucht. Wenn diese Leistung im Wesentlichen von Windkraft und Solarzellen kommen soll, so benötigt man Speicher, die bis zu einer Woche [Popp2010 S. 136] Kapazität haben (das sind 7 * 24h * 60GW = 10080 GWh) und zudem eine Leistung im Bereich von 60GW abgeben können. Genau für dieses Problem sind große Lageenergiespeicher optimal. Ein Speicher mit 1km Durchmesser und 1km Tiefe kann 1600 GWh abgeben.
Für einen Speicher mit 500 m Radius und 1600 GWh Kapazität sind vermutlich eine Milliarde für die Baukosten erforderlich. Zusätzlich werden noch Pumpen, Turbinen und Generatoren benötigt. Eine genaue Rechnung zeigt, dass insbesondere diese elektrischen Anlagen die wesentlichen Kosten verursachen. Obwohl der Baupreis zunächst hoch erscheinen mag, muss man diesen auf die gespeicherte Leistung umrechnen. Die Kosten pro Kilowattstunde gespeicherter Energie liegen in allen Berechnungen bei weniger als 10 Euro, in günstigen Fällen sogar bei weniger als 1 Euro. Vergleicht man dies mit einem normalen Pumpspeicherkraftwerk wie Goldisthal, wo pro kWh mit 71 €/kWh gerechnet wird, ist das ein sehr geringer Preis.
Kleine Speicher sind zwar prinzipiell möglich, jedoch steigt der Preis pro Kilowattstunde Speicherkapazität sehr rasch an. Ein Speicher mit 100 m Durchmesser kostet pro Kilowattstunde bereits 300 €, also mehr als die Speicherung in einem normalen Pumpspeicherkraftwerk. Verkleinert man den Radius auf 10 m, liegen die Kosten bei über 10.000 € pro Kilowattstunde, und damit weit höher als bei einem Lithiumakku, wie er in jedem Laptop eingebaut ist. Vom Platzbedarf ganz zu schweigen.
Allerdings ist es denkbar, einen Speicher mit kleinerem Radius und großer Tiefe zu bauen, dabei könnten sich ökonomisch interessante Lösungen ergeben.
Der entscheidende Vorteil gegenüber normalen Pumpspeicherkraftwerken (PSW) ist die Energiedichte!
In einem normalen Pumpspeicher mit 400 m Höhe und 10 m Wasserspiegel-Änderung werden ca. 10 kWh pro m² Seefläche gespeichert. Im hydraulischen Lageenergiespeicher sind es 2.000 kWh, also etwa das 200-fache: damit benötigt man wesentlich weniger Fläche als bei Speicherseen.
Speicherseen überschwemmen zudem große Landflächen, die dann nicht mehr nutzbar sind. Im Fall des Lageenergiespeichers kann die Vegetation auf dem Berg bleiben. Wollte man einen Speichersee bauen, der die gleiche Kapazität wie ein Felszylinder mit 500 m Radius hat, so wäre dafür ein See mit 160 km² notwendig, also mit der doppelten Größe des Chiemsees, notwendig. Dafür ist in deutschen Mittelgebirgen kein Platz. Außerdem würden die riesigen Staudämme eine sehr große Gefahr darstellen.
Die Abdichtung von 200 bar ist in der Technik normalerweise kein großes Problem: so weist jeder Hochdruckreiniger aus dem Baumarkt einen Druck in dieser Größenordnung auf. Allerdings ist dabei die Dichtung wesentlich kleiner.
Für das Abdichten des Hubvolumens muss die Aussenwand, an der die Kolbendichtung entlangläuft, aus einer glatten Metallfläche bestehen. Es werden bereits heute Lineardichtungen mit 100 m Länge hergestellt: eine Verbindung mehrerer Dichtungen, um eine Länge von 3,141 km zu erreichen, stellt nach Herstelleraussage kein grundlegendes Problem dar.
Ein interessanter Unterschied zu einer Motordichtung ist, dass die Reibung der Dichtung keine Rolle spielt, weil die Gesamtkräfte im System derart groß sind, dass man sie völlig vernachlässigen kann. Weiterhin ist die Bewegungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 1 mm/s sehr klein, was das Abdichten vereinfacht.
Ein weiteres Dichtungsproblem besteht zu den anderen Felswänden, die mit Wasser in Berührung kommen: diese können jedoch mit Metall, Kunstharz oder Teer abgedichtet werden. Welcher Ansatz dabei am besten ist, ist zu prüfen.
Die Vorstellung, dass ein 2,7 Milliarden Tonnen schwerer Felsblock verkantet im Schacht liegt, ist sehr unangenehm!
Solange der Schwerpunkt der Felsmasse unterhalb der Dichtungslinie liegt, kann sich der Fels nicht verkannten. Dies hat einen einfachen physikalischen Grund, der aus dem Auftriebsprinzip bei Schiffen bekannt ist. Solange die Wasserlinie oberhalb des Schwerpunkts liegt, kentert ein Schiff nicht (Details: Wikipedia). Im Fall des Felsblocks kommt noch hinzu, dass der Fels in "sehr ruhigem" Wasser liegt und damit keine Kippmomente erfährt.
Allerdings gibt es einige kleine Nebeneffekte, wenn der Schwerpunkt nicht in der Mitte liegt, dann gibt es ein leichtes Verkippen. Daher ist es notwendig, den Schwerpunkt bereits beim Bau durch geeignetes Aufschütten von Aushub zu optimieren. Ferner können kleine Störungen, wie etwa Schnee, Niederschläge, Wind, etc. durch Wassertanks auf der Oberfläche ausgeglichen werden.
Die Corioliskraft entsteht, wenn ein Körper auf der Erde seinen Abstand zur Erdachse verändert. Dies spielt besonders bei Luftmassen, die von Nord nach Süd oder umgekehrt fließen, eine große Rolle.
Im Fall des Hubkolbens wird der Kolben angehoben und entfernt sich damit ebenfalls von der Erdachse. Damit wirkt auf den Kolben eine Kraft
F = 2 m ω v cos(φ)
Mit m als Masse des Hubzylinders, ω=7,3E-5 die Winkelgeschwindigkeit der Erde, v als Hubgeschwindigkeit etwa 0,001m/s und φ als Breitengrad, auf dem der Zylinder steht.
Mit einem Zylinderradius von 500 m erhält man bei einem Granitzylinder
F = 1.093.650 N,
das ist eine Kraft wie sie 109 t Masse ausüben.
Überträgt man diese Kraft F durch Wasserdruck p auf einer Zylinderseite, so ist ein Überdruck von
p = F / A = 1093650 N / 500000 m² ~ 2Pa
(mit der Fläche A = 2 r² = 500.000 m²) notwendig.
Zwei Pascal ist ein kleiner Druck, er entspricht 0,00002 bar.
Die Tatsache, dass es in der Natur Steilwände gibt, die über 1000 m stabil sind, ist ein erster Hinweis, dass es nicht prinzipiell ausgeschlossen ist, einen Granitblock dieser Dimension freizulegen (Höchste Steilwand: Mount Thor 1250 m).
Allerdings unterliegt Gestein in der Natur Spannungen verschiedener Art [Tarbuck2009]. Daher ist es einerseits notwendig diese Spannungen bereits beim Aussägen zu beachten, etwa indem unterschiedlich breite Fugen geplant werden. Ferner spielen der Wasser- und Gesteindruck eine erhebliche Rolle, daher ist es zu empfehlen, die Fläche gegen Wasser abzudichten. Details der Festigkeit werden im Rahmen eines Forschungsprojekts untersucht.
Ein Fels dieser Größe ist mit Sicherheit von Klüften durchzogen. Diese werden aber nicht aufgesprengt, wenn man den Zylinder gegen Wasser abdichtet. Zudem wird mit schonenden Seilsägen gearbeitet, damit kann auch die sonst bei Sprengungen auftretende Zerstörung der Felsstruktur vermieden werden. Sollten größere Hohlräume im Randbereich auftreten, können diese mit Beton unter Druck verfüllt werden, was im Tunnelbau üblich ist.
Über geologische Zeiträume verformen sich Felsmassen oft erheblich, dazu ist insbesondere die Einwirkung einer Kraft nötig. In unserem Fall steht die untere Hälfte des Systems im Kräftegleichgewicht gegenüber dem ursprünglichen Zustand. Daher wird dort keine Verformung eintreten. Oberhalb der Dichtungslinie steht der Fels über 500 m frei. Die dabei auftretenden Kräfte verursachen bei Granit keine nennenswerte Verformung, andernfalls wären unsere Tunnel in den Zentralalpen bereits alle eingedrückt.
Frost oder auch hohe Temperaturen im Sommer sind für das System kein Problem, solange die Dichtung nicht näher als 10 m an die Oberfläche kommt. Ab einer Tiefe von 10 m ändert sich im Laufe eines Jahres die Temperatur um weniger als 1 °C. Das ist auch der Grund, warum ein guter Sektkeller immer in einer solchen Tiefe liegt [Bodentemperatur bei Wikipedia].
Bei sehr großen Tiefen steigt allerdings die Temperatur an und erreicht in einem Kilometer Tiefe bereits 40 °C. Durch das Ein- und Auspumpen großer Wassermengen wird allerdings die Temperatur nach wenigen Zyklen die Wassertemperatur von etwa 10 °C annehmen. Als Geothermiesystem ist die Anlage allerdings nicht geeignet, da die aktive Oberfläche verhältnismäßig gering ist.
Der Wirkungsgrad hängt von dem System Pumpe, Turbine und Generator ab. Da dieses System praktisch das Gleiche wie in einem konventionellem Pumpspeicherwerk ist, kann man von einem Wirkungsgrad von 80% ausgehen.
Im Vergleich zu Wasserstoffspeichern, die einen Wirkungsgrad von etwa 36 % aufweisen, ist das viel besser, aber auch im Vergleich zu großen Druckluftspeichern, die mit 40 % Wirkungsgrad arbeiten, sehr gut. Bei Druckluftspeicher entsteht der Verlust durch die nicht adiabatische Kompression, was bedeutet, dass die Luft bei der Kompression heiß wird, sich im Gestein abkühlt und danach nicht mehr viel Druck hat, was gleichbedeutend mit Energieverlust ist.
Der Wasserbedarf hängt von der Systemgröße ab. Der spezifische Wasserbedarf pro kWh liegt bei einem System mit 500 m Radius bei 230 l/kWh. Dies ist im Vergleich zu einem normalen Pumpspeicher mit Staudamm wenig; dort werden bei 400 m Fallhöhe 1.000 l/kWh benötigt. Der Lageenergiespeicher braucht also nicht nur weniger Fläche, sondern auch - bei gleicher Kapazität - nur ein Viertel der Wassermenge.
Mit Seilwinden kann man Gewichte hochheben und Energie speichern, so arbeitet jede Kuckucksuhr.
Allerdings sind die Energiemengen erstaunlich gering.
Ein Rechenbeispiel:
Ein Windgenerator mit 5 MW und einer Turmhöhe von h = 100 m bekommt ein Gewicht von m = 100 t zum Hochziehen. Bei Flaute soll die Energie durch Abspulen der Seilwinde
in das Netz zurückgegeben werden.
E = g * h * m
E = 9,81 N/kg * 100 m * 100t * 1.000 kg/t
E = 98.100.000 Joule
E = 98.100.000 kWh / 3.600.000J = 27 kWh
Die Energie von 27 kWh produziert dieses Windkraftwerk normalerweise in 30 Sekunden! Kein besonders guter Speicher.
"Ich halte das System auch nach dem dritten Mal Überdenken für absolut genial. Warum baut es denn keiner?" (A. Marthaus)
Der Bau des Speichers ist eine Großinvestition, es werden mehrere 100 Millionen Euro benötigt. Bevor solch eine Investition getätigt wird,
muss erst die Machbarkeit geklärt sein. Dazu wird sobald wie möglich mit einer Machbarkeitsstudie angefangen, die insbesondere einige offene geologische Fragen
klären soll. Es haben sich mehrere große Forschungsinstitute, darunter das KIT in Karlsruhe und das Fraunhoferinstitut UMSICHT zur Teilnahme bereit erklärt.
Der Forschungsantrag wird bis zum 8. Juli 2011 eingereicht, wie umfangreich die bewilligten Mittel sein werden, ist natürlich noch offen.
Es muss zumindest simuliert werden, wie sich derart große Felsmassen verhalten.
Wenn alles gut geht, kann vielleicht bereits in 2013 Jahren mit einem Prototypen begonnen werden.
(Markus) Die notwendigen Pumpen werden bevorzugt an der Oberfläche montiert, damit sind nur 200 bar Pumpdruck notwendig (bis zu 100 bar liefert die Schwerkraft).
Im Prinzip kann jeder Hochdruckreiniger einen Druck vergleichbarer Größe erzeugen. Es werden vermutlich die gleichen Pumpen verwendet, wie sie in
Pumpspeichern eingesetzt werden.
Entsprechende Modifikationen müssen durchgerechnet werden. Möglicherweise wird man zweistufig arbeiten müssen.
Im Prinzip ändert sich die Tageslänge immer, wenn große Massen angehoben oder abgesenkt werden.
Das gilt besonders für Niederschläge oder verdunstende Wassermassen. Zudem verursacht das Füllen großer Stauseen
einen weitaus größeren Effekt, weil dort wesentlich größere Massen bewegt werden. Der Effekt eines 500-m-Zylinders beträgt weniger als 0,01ns pro Tag, was natürlich von der Höhe des
ausgefahrenen Zylinders abhängt. Da der Zylinder im Mittel in 250 m Höhe liegt, bleibt ein Nettoeffekt übrig.
(S. Layer)
Der Speicher muss an das Hochspannungsnetz angebunden werden. Je näher der Speicher beim Erzeuger, wie Solarkraftwerken, Solardächern,
oder Windkraftwerken steht, umso besser.
Allerdings muss zugleich die Geologie stimmen. In Süddeutschland sind der Schwarzwald und der Bayerische Wald optimal. In Norddeutschland könnte der Harz oder die Lausitz geeignet sein. Auf jeden Fall werden die Leitungen kürzer als wenn man sie nach Nordafrika
(DESERTEC) oder Norwegen legen muss.
Damit werden die Kosten, der Landschaftsverbrauch und die Leitungsverluste minimiert. Eine entsprechende Optimierungsstudie am Fraunhoferinstitut UMSICHT wird beantragt.
Woran klemmt es denn?
Welche Pumpen sind notwendig, um den Speicher mit hohem Druck und ausreichend Pumpvolumen (beim Freidrücken mit 350 bar) zu betreiben?
Ändert sich die Tageslänge der Erde?
Die Kosten der Netzleitungen?
Was passiert bei einem Erdbeben?
(S. Layer)
Erdbeben können verheerende Zerstörungen auslösen, wie man in Japan gesehen hat. Was kann hier dem Lageenergiespeicher passieren?
Zunächst muss man wissen, dass Erdbeben zwei Wellentypen kennen, und zwar Scherwellen (S) und Druckwellen (P). Die Scherwellen lösen bei Gebäuden den größten Schaden aus, weil sich dabei der Boden horizontal bewegt und Gebäude aufgrund ihrer Trägheit dann einstürzen. Trifft eine solche S-Welle auf den Granitzylinder, der in Wasser schwimmt, wird er sich verhalten wie ein Baby im Mutterleib, er bewegt sich also mit der Umgebung. Weil das Wasser den Druck als inkompressible Flüssigkeit perfekt überträgt. Allerdings muss man bei den Dimensionen die lokale Bewegung berücksichtigen, sodass es denkbar wäre, dass Berührungen zwischen Wand und Zylinder auftreten. Dies ist aber nicht sehr kritisch, da sich der Zylinder extrem langsam (1mm/s) bewegt, im Gegensatz zu einem Motorzylinder, der dabei einen Kolbenfresser bekommen würde. Eine exakte Abschätzung, insbesondere bei realistischen Amplituden, müssen felsmechanische Studien ergeben.
Ein vollständiges Versagen der Dichtung ist in diesem Fall eher unwahrscheinlich: sollte es trotzdem auftreten, dann wird Wasser unter hohem Druck entweichen. Berechnet man die Mengen bei einem Spalt mit 1 cm Breite, ergibt das 600 m³/s. Das erscheint viel, ist aber die Wassermenge, die auch bei der regulären Entleerung bewältigt werden muss. Dazu dienen entsprechende Entwässerungsstollen. Die Absinkgeschwindigkeit ist dabei mit 1 mm/s unbedeutend.
(Rudi)
Obwohl die felsmechanischen Fragen noch nicht im Einzelnen geklärt sind, ist abzusehen, dass der Zylinderboden abgedichtet werden muss. Dafür gibt es mehrere Gründe. Zum einem führt eine Abdichtung zu einer erheblichen Verbesserung der Felsstabilität. Das muss man sich so vorstellen, wie bei einem vakuumverpackten Kaffee. Solange die Tüte dicht ist, ist sie hart, sobald sie undicht wird, ist sie weich. Das gilt auch für Granit, der unter Druck steht.
Weiterhin ist es sinnvoll, den Zylinder abzudichten, weil das Wasser den Fels auslaugt. Das bedeutet, dass je nach Gestein unterschiedliche Schwermetalle wie Blei und Arsen im Wasser gelöst werden. Dies gilt es zu vermeiden, weil das Wasser wieder in den Rhein oder ein anderes Gewässer abgeleitet werden soll.
Das Abdichten erfolgt entweder durch Einpressen von Beton oder Kunstharz in die Bohrlöcher, nachdem der Fels ausgesägt ist, oder indem das Abtrennen der Bodenplatte mit einem Felshobel erfolgt. Dabei wird an der Bodenfläche mit einer Tunnelbohrmaschine eine Fläche freigelegt und diese Abgedichtet, danach wird der Zwischenraum mit Aushub verpresst (Siehe Abbildungen 1, 2, 3).
Aus Sicht von Greenpeace ist das projekt ökologisch sinnvoll, zumindest wenn ich der Aussage von Robert Werner, Vorstand Greenpeace Deutschland, glauben darf. Aus Sicht der Grünen ist zumindest bisher Zustimmung gekommen, so wurde in der Grünenzeitung (Gründ Zeitung für Mittelbaden, Februar 2011) das Lageenegiespeicherprojekt vorgestellt. Um letzendlich zu klären, wie die Meinung der Bevölkerung ist, wird im Rahmen des Forschungsprojekts von Professor Stefan Selke eine Studie zur Akzeptanz eines solchen Vorhabens duchgeführt.
In Deutschland gibt es immer noch Gebiete, auf denen mehrere Quadratkilometer Fläche ohne Ortschaften vorhanden sind. Allerdings wird in Deutschland jedes Großprojekt intensiv hinterfragt, was sicher sinnvoll ist. Aber vermutlich kann man, anders als etwa bei Stuttgart 21, mit den ökologischen Vorteilen des Vorhabens, die Menschen gewinnen.
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