-
Stand der Technik:
-
Ausgangssituation:
-
Strom
muss immer in dem Moment erzeugt werden, in dem er verbraucht wird.
-
Der
Stromverbrauch definiert damit eine Versorgungsaufgabe welche die
eingesetzten Techniken zu erfüllen
haben.
-
Die
Stromversorgungsaufgabe sollte so erfüllt werden, dass möglichst
viele daran geknüpfte
Forderungen und Erwartungen erfüllt
werden.
-
Bei
Verfügbarkeit
einer Technik, die in jedem Moment die Strommenge erzeugen kann,
die nachgefragt wird, müsste,
mit etwas Reserve, genau die Erzeugungskapazität geschaffen werden, die im
Langzeitmaximum benötigt
wird.
-
Wird
durch intelligentes Verbrauchsmanagement die Stromnachfrage vergleich
mäßigt, dann
reduziert sich die vorzuhaltende Erzeugungskapazität.
-
Stromerzeugung
aus fluktuierenden Quellen erfordert zwangsläufig die Bereithaltung von
Ersatzkapazitäten,
wenn der Verbrauch nicht unmittelbar an die Erzeugung gekoppelt
werden kann.
-
Die
Schaffung und Bereithaltung der zusätzlichen Erzeugungskapazitäten erfordert
einen höheren
Investitions- und Betriebsaufwand als Erzeugungstechniken die verbrauchsangepasst
betrieben werden können.
-
Stromerzeugung
aus fluktuierenden Quellen kann aus folgenden Motiven eingesetzt
werden:
- 1. Andere Quellen stehen nicht zur
Verfügung.
- 2. Andere Quellen verursachen höhere Kosten.
- 3. Andere Quellen sind mit unerwünschten Nebenwirkungen verbunden.
- Antwort zu (1) – andere
Quellen stehen nicht zur Verfügung –
wird
in die ferne Zukunft gerichtet für
fossile Energieträger
eintreten.
- Antwort zu (2) – andere
Quellen verursachen höhere
Kosten –
tritt
in Zukunft mit Verknappung der Primärenergieträger ein. Bei Öl und Gas
trifft sie zum Teil schon heute zu.
- Antwort zu (3) – andere
Quellen sind mit unerwünschten
Nebenwirkungen verbunden –
sieht
ein großer
Teil unserer Bevölkerung
als gegeben bei:
- • Der Kernkraft. Der Ausstieg
aus dieser Technik ist derzeit gültiges
Gesetz.
- • Der
Kohleverstromung. Sie verändert
die Zusammensetzung der Atmosphäre
mit unumkehrbaren Folgewirkungen. Eine substanzielle Reduzierung
der Emission von Treibhausgasen ist erklärtes Ziel unserer Politik.
- • Der Öl- und Gasverstromung.
Sie verursacht ebenfalls Treibhausgase, wenn auch in geringerem
Ausmaß als
die Kohle. Zusätzlich
befinden wir uns bei diesen Energieträgern in der Abhängigkeit
von Lieferkartellen mit fragwürdiger
Zuverlässigkeit.
-
Auf
Basis der geschilderten Situation wird der Ausbau der Windkraft
in Deutschland mit Vehemenz vorangetrieben.
-
Sie
liefert bereits jetzt einen merklichen Anteil an der in Deutschland
produzierten Strommenge, obwohl der Stromverbrauch nicht an die
fluktuierende Erzeugung gekoppelt werden kann.
-
Die
erforderlichen Ersatzkapazitäten
können
auf zwei Arten gestellt werden:
- • Durch Schaffung
von Erzeugungskapazitäten,
die jederzeit verfügbar
sind.
- • Durch
Schaffung einer Überkapazität an fluktuierender
Erzeugung in Verbindung mit Energiespeichern, welche die temporär stattfindende Überproduktion
aufnehmen und damit die zeitweise zu geringe Produktion ausgleichen
können.
-
Der
Ausgleich heute geschieht zu fast 100% mit Methode (1).
-
Die
energiewirtschaftliche Zielvorstellung der Bundesrepublik Deutschland
in der Stromwirtschaft:
Ausstieg aus der Kernkraft und aus
der Nutzung fossiler Energieträger
ist ohne die Schaffung von Speicherkapazitäten in erheblichem Umfang nicht
umsetzbar.
-
Selbst
Teilziele, z. B. einen bestimmten Prozentsatz der benötigten Strommenge
mit Wind (oder Sonne) zu erzeugen, wird ohne die Schaffung von Speichern
nicht erreichbar sein, wenn nicht gleichzeitig riesige Ersatzkapazitäten mit
bedarfsgerecht verfügbaren
Energiequellen vorgehalten werden.
-
Windkraft als Energiequelle:
-
Zur
Windstromeinspeisung liegen langjährig gesicherte Datenreihen
vor, die es ermöglichen
abzuschätzen,
wie Erzeugungskapazitäten
und Speicher dimensioniert werden müssen, damit eine bedarfsgerechte
Versorgung gewährleistet
werden kann. Windräder
sind auf eine maximale Leistung ausgelegt, die sie bei starkem Wind
abgreifen können.
-
Im
Normalfall speisen Windräder
aber deutlich weniger ein, als sie erzeugen könnten, wenn ständig maximale
Windstärke
vorläge.
-
Die
langjährigen
Aufzeichnungen in Deutschland zeigen, dass ca. 20% der installierten
Windleistung im Durchschnitt eingespeist werden.
-
Die
tatsächliche
Einspeisung eines einzelnen Windrades bewegt sich zwischen 0% und
100% seiner maximalen Leistung.
-
Die
tatsächliche
Windstromeinspeisung aller Windkraftanlagen des Landes geht nie
auf Null zurück und
erreicht auch nie 100% weil ein bisschen Wind irgendwo immer bläst und nie
im gesamten Land gleichmäßig starker
Wind bläst,
so dass alle Windräder
100% erreichen könnten.
-
Das
bedeutet, um eine Stromversorgungsaufgabe mit Windstrom zu erfüllen, muss
ca. die 5-fache Erzeugungskapazität installiert werden, als im
Durchschnitt abgenommen wird.
-
Gleichzeitig
müssten
verlustfreie Speicher vorhanden sein, welche die temporäre Überproduktion
aufnehmen und dann zurückspeisen,
wenn zu wenig Windstrom anliegt.
-
Auf
Basis von Daten des Instituts für
Solare Energieforschung e. V. (UNI Kassel) zur Windstromeinspeisung
in Deutschland, wurde abgeschätzt,
wie eine Abstimmung zwischen Windstromerzeugungskapazität und Speicherkapazität sein müsste, damit
eine Versorgungsaufgabe mit Windstrom erfüllt werden kann:
-
Installierte Windleistung und Speicherbedarf:
-
Für eine Versorgungsaufgabe
bei 20% der installierten Windleistung ergibt sich:
Temporär können sich
Speicherkapazitäten
für über 70 Tage
aufbauen. In windschwachen Zeiten leeren sich dies Speicher und
konventionelle, bedarfsgerecht abrufbare Energiequellen müssen die
Versorgungsaufgabe übernehmen.
-
Die
für die
Versorgungsaufgabe erforderliche Erzeugungsleistung würde sieben
Mal vorgehalten:
5 × in
Form von Windkraftanlagen,
1 × als Speicherkraftwerk mit
ca. 70 Tagen Speicherkapazität,
1 × als bedarfsgerecht
abrufbares konventionelles Kraftwerk.
-
Bei
einer Versorgungsaufgabe bei 1/6 (16,7%) der installierten Windleistung
ergibt sich:
Die Versorgungsaufgabe kann nach einer Anlaufzeit
oder mit vorgeladenem Speicher, erfüllt werden.
-
Temporär können sich
Speicherkapazitäten
für über 100
Tage aufbauen. Windschwache Zeiten lassen sich mit so dimensionierten
Speichern überbrücken. Auf
die Vorhaltung von Ersatzkapazitäten
kann verzichtet werden.
-
Die
für die
Versorgungsaufgabe erforderliche Erzeugungsleistung würde sieben
Mal vorgehalten:
6 × in
Form von Windkraftanlagen,
1 × als Speicherkraftwerk mit
ca. 100 Tagen Speicherkapazität.
-
Bei
einer Versorgungsaufgabe bei 10% der installierten Windleistung
und 20 Tagen Speicherkapazität ergibt
sich:
Die Versorgungsaufgabe kann erfüllt werden.
-
Im
Untersuchungszeitraum wäre
wegen voller Speicher eine Strommenge für 85des Bedarfs, nicht genutzt
worden.
-
Windschwache
Zeiten ließen
sich mit dieser Überkapazität an Windkraftanlagen
und den auf 20 Tage dimensionierten Speichern überbrücken.
-
Auf
die Vorhaltung von Ersatzkapazitäten
könnte
verzichtet werden.
-
Die
für die
Versorgungsaufgabe erforderliche Erzeugungsleistung wird dabei elf
Mal vorgehalten:
10 × in
Form von Windkraftanlagen,
1 × als Speicherkraftwerk mit
ca. 20 Tagen Speicherkapazität.
-
Werden
Windenergieanlagen ohne die Schaffung erheblicher Speicherkapazitäten aufgebaut
und soll die damit gewinnbare Energie nicht ungenutzt verpuffen,
dann kann die installierte Leistung kaum mehr als ein Fünftel der
Versorgungsaufgabe erfüllen.
-
Windkraft und Fremdenergie ohne Speicher:
-
Ohne Energiespeicher, wo bei maximalem
Windstrom die Versorgungsaufgabe ohne Fremdstrom erfüllt werden
kann und kein Windstrom ungenutzt bliebe ergibt sich folgendes:
-
Im
Untersuchungszeitraum muss der Energiebedarf für 80% der Tage mit Fremdstrom
erzeugt werden, 20% der Versorgungstage würde der Wind beitragen. Dabei
muss es sich um bedarfsgerecht verfügbare Kraftwerke handeln, die
bei Verzicht auf Kernkraft und fossile Energieträger z. B. mit Biomasse betrieben
werden könnten.
-
Als
Speicher kann die Biomasse selbst dienen, so dass die Aufbereitung
der Biomasse für
die Energieumwandlung bedarfsnah erfolgen müsste.
-
Alternativ
kann eine vergleichmäßigte Umwandlung
der Biomasse in einen zur Verstromung geeigneten Energieträger (z.
B. Biogas) erfolgen, welcher dann vergleichbar zu einem Pumpspeicher
auf Vorrat gehalten und in Gaskraftwerken bedarfsgerecht verstromt
werden kann.
-
Die
für die
Versorgungsaufgabe erforderliche Erzeugungsleistung wird dabei zwei
Mal vorgehalten:
1 × in
Form von Windkraftanlagen,
1 × als bedarfsgerecht verfügbare Erzeugungseinheiten.
-
Überschlägige Ermittlung
des notwendigen Flächenbedarfs
zur Erzeugung der Biomasse für
bedarfsgerecht verfügbare
Kraftwerke zur Stromversorgung Deutschlands:
-
Mittlere
Sonneneinstrahlung: 1000 kWh/m2.
-
Ca.
1% dieser Energie wird durch Photosynthese in Pflanzen gebunden.
-
Diese
Energie kann mit einem Wirkungsgrad von ca. 30% verstromt werden.
-
Daraus
ergibt sich grob, dass sich über
Biomasse mit einem Quadratmeter Boden ca. 3 kWh Strom erzeugen lassen.
-
Der
Jahresstrombedarf Deutschlands beträgt derzeit rund 600 TWh.
-
Der
Flächenbedarf
dafür betrüge 600.000.000.000
kWh/3 KWh/m2 = 200.000 km2
-
Einordnung des notwendigen Flächenbedarfs
zur Erzeugung der Biomasse für
bedarfsgerecht verfügbare Kraftwerke
zur Stromversorgung in Deutschtand:
-
Deutschland
hat eine Gesamtfläche
von 357.092 km2.
-
Das
heißt,
beim derzeitigen Stromverbrauch würde als Anbaufläche für 100% Stromerzeugung
aus Biomasse ca. 56% der Landesfläche benötigt.
-
Würden, wie
im vorausgehenden Abschnitt dargestellt, 20% des Stroms mit Wind
erzeugt, dann wäre für die Biomasseproduktion
knapp 45% der Landesfläche
erforderlich.
-
Derzeit
werden ca. 53% der Fläche
Deutschlands landwirtschaftlich genutzt (knapp 190.000 km2).
-
Der
im Vergleich zur Versorgungsaufgabe exorbitant hohe Flächenbedarf,
der erforderlich ist, um damit einen substanziellen Anteil zur Stromversorgung
des Landes zu leisten zeigt, dass sich die Energieversorgungsfrage
in Deutschland auf diesem Wege wohl kaum lösen lassen wird.
-
Der
Einsatz von Biomasse als bedarfsgerecht verfügbare Energie zur Stromerzeugung
als Ergänzung zur
Windenergie wird daher über
ein Randdasein nicht hinausgehen können.
-
Das
gilt selbst dann, wenn es zu bedeutenden Einsparungen beim Stromverbrauch
kommen sollte.
-
Der
Blick auf diese Alternative zeigt, dass die fluktuierenden Erzeugungsformen
(Wind, Sonne) so genutzt werden müssen, dass Sie einen hohen
Anteil am Gesamtbedarf decken können,
wenn die Versorgungsaufgabe ohne Kernkraft und ohne fossile Energieträger realistisch
erfüllt
werden soll.
-
Nimmt
man die stromwirtschaftlichen Ziele der deutschen Energiepolitik
ernst, langfristig zeichnet sich dazu (außer Kohleverstromung mit CO-2
Abscheidung und/oder Wiedereinstieg in die Kernkraftnutzung) bisher
keine Alternative ab, dann wird am Aufbau erheblicher Speicherkapazitäten kein
Weg vorbeiführen.
-
Mischform aus Windkraft, Speicher und
Fremdenergie:
-
Eine
Mischform aus fluktuierender Erzeugung, Speicherkraftwerken und
bedarfsgerecht abrufbaren Erzeugungseinheiten hätte zur Folge, dass die Erzeugungskapazität drei Mal
installiert werden müsste:
als
Wind- und Solarkraftwerke
als Speicherkraftwerke
als bedarfsgerecht
abrufbare konventionelle Kraftwerke
-
Wirklich
erreicht werden können
die stromwirtschaftlichen Ziele der deutschen Energiepolitik nur, wenn
Versorgungsaufgaben, die mit fluktuierenden Erzeugungsformen gelöst werden
sollen, im Gleichklang mit den dafür erforderlichen Speicherkapazitäten und
der Schaffung der notwendigen Übertragungskapazitäten aufgebaut
werden.
-
Maßnahmenumfang
zur Schaffung von Pumpspeichern:
-
Grobe Abschätzung des Maßnahmenumfangs
zur Schaffung der Speicherkapazität mittels Pumpspeichern:
-
1
m3 Wasser auf einer Höhe von ca. 400 Metern speichert
ca. die Energiemenge 1 kWh.
-
Die
gesamte Einspeisung an Windstrom im Jahr 2007 betrug ca. 40.000
GWh pro Tag im Schnitt gute 100 GWh, die Durchschnittsleistung liegt
etwas über
4 GW.
-
Zur
Speicherung von 1 GWh benötigt
man ca. 1 Mio m
3 Wasser, entsprechend 1
Meter Tiefe·1
km
2 Oberfläche. Maßnahmenumfang
zur Schaffung von Pumpspeichern zum Jahresausgleich der Erzeugungsschwankungen der
existierenden deutschen Windkraftanlagen (Abgabe: 100 GWh/Tag)
Höhendifferenz | Gespeicherte Energie | Pegelschwankung
5Meter | Pegelschwankung
20 Meter |
| | 1
Tag | 20
Tage | 1
Tag | 20
Tage |
[m] | [kWh/m3] | [km2] | [km2] | [km2] | [km2] |
| | | | | |
100 | 0,26 | 77 | 1545 | 19 | 386 |
200 | 0,52 | 39 | 773 | 10 | 193 |
300 | 0,78 | 26 | 515 | 6 | 129 |
400 | 1,04 | 19 | 386 | 5 | 97 |
500 | 1,29 | 15 | 309 | 4 | 77 |
-
Diese
grobe Abschätzung
des Flächenbedarfs
für Pumpspeicherseen
zeigt, dass dieser um viele Größenordnungen
geringer ausfallen würde,
als es der Anbauflächenbedarf
für nachwachsende
Rohstoffe wäre, wenn
Windenergie ohne Speicher ausgeglichen würde.
-
Nachfolgend
wird der Flächenbedarf
für verschiedene
Speichervarianten unter der Annahme angegeben, dass der gesamte,
derzeit in Deutschland verbrauchte Strom durch Wind- und Solarkraftanlagen
erzeugt würde.
Jahresstrombedarf | 600 | TWh | | | |
durchschnittlicher
Tagesbedarf | 1644 | GWh | = | 1,64 | TWh |
Durchschnittsleistung | 68 | GW | | | |
Turbinierungswirkungsgrad | 94% | | | | |
Kapazität von Pumpspeichern als Funktion
der Fallhöhe
bei einem Turbinierungswirkungsgrad von Eta = 94% (Epot = m·g·h·Eta):
mittlere
Höhendifferenz | gespeicherte
Energie |
[m] | [Ws/m3] | [kWh/m3] = [TWh/km3] |
100 | 922 | 0,26 |
200 | 1.844 | 0,51 |
300 | 2.766 | 0,77 |
400 | 3.689 | 1,02 |
500 | 4.611 | 1,28 |
600 | 5.533 | 1,54 |
800 | 7.377 | 2,05 |
1000 | 9.221 | 2,56 |
Deckung des Speicherbedarfs mit Pumpspeichern:
Höhendifferenz | erforderliches
Volumen zur Speicherung des deutschen Stromverbrauchs für |
| | 1 | 2 | 5 | 10 | 20 | 50 | 100 | 200 | Tage |
100 | m | 6,4 | 12,8 | 32,1 | 64,2 | 128,3 | 321 | 642 | 1284 | km3 |
200 | m | 3,2 | 6,4 | 16 | 32,1 | 64,2 | 160 | 321 | 642 | km3 |
300 | m | 2,1 | 4,3 | 10,7 | 21,4 | 42,8 | 107 | 214 | 428 | km3 |
400 | m | 1,6 | 3,2 | 8 | 16 | 32,1 | 80 | 160 | 321 | km3 |
500 | m | 1,3 | 2,6 | 6,4 | 12,8 | 25,7 | 64 | 128 | 257 | km3 |
600 | m | 1,1 | 2,1 | 5,3 | 10,7 | 21,4 | 54 | 107 | 214 | km3 |
800 | m | 0,8 | 1,6 | 4 | 8 | 16 | 40 | 80 | 160 | km3 |
1000 | m | 0,6 | 1,3 | 3,2 | 6,4 | 12,8 | 32 | 64 | 128 | km3 |
-
Beurteilung von Pumpspeicherbecken
zum Ausgleich fluktuierender Stromerzeugungsformen für Deutschland:
-
- Fläche
der Bundesrepublik: 357.092 km2
- Flächenbedarf
für 80%
regenerativen Ausgleich mit nachwachsenden Rohstoffen: 160.000 km2 (ca. 45% der Landesfläche).
- Flächenbedarf
für Ausgleich
durch Pumpspeicher mit 100 Tagen Kapazität, 5 Metern Pegelschwankung
und 300 Meter Höhenunterschied:
- 2 × 42.783
km2 = 85.566 km2 (ca.
24% des Landesfläche).
-
Das
Ergebnis zeigt, dass der Flächenbedarf
zum Ausgleich der Flauten von Wind und Sonne bei der betrachteten
Auslegung etwa die Hälfte
dessen benötigt,
als für
den Anbau nachwachsender Rohstoffe erforderlich wäre.
-
Dieser
Flächenbedarf
reduziert sich, wenn größere Pegelschwankungen
realisiert werden.
- Bei Pumpspeichern mit 100 Tagen Kapazität, 20 Metern
Pegelschwankung und 300 Meter Höhenunterschied:
- 2 × 10.696
km2 = 21.392 km2 (ca.
6% der Landesfläche,
11% der Agrarfläche).
-
Als
Flächenbedarf
zum Ausgleich der Flauten von Wind und Sonne bei der betrachteten
Auslegung wäre
weniger als ein Siebtel der Flächen
erforderlich, die für
den Anbau nachwachsender Rohstoffe notwendig wären.
-
Bei
Pumpspeichern mit 100 Tagen Kapazität, 100 Metern Pegelschwankung
und 300 Meter Höhenunterschied
wären es
2 × 2.139
km2 = 4.278 km2 (ca.
1,2% der Landesfläche,
2,25% der Agrarfläche).
-
Zum
Ausgleich der Flauten von Wind und Sonne bei der betrachteten Auslegung
wäre weniger
als den 44. Teil der Flächen
erforderlich, die für
den Anbau nachwachsender Rohstoffe notwendig wären.
-
Je
größer die
Pegelschwankungen desto problematischer wird allerdings die Nutzung
der entstehenden Wasserflächen.
-
Beurteilung von Pumpspeicherbecken zum
Ausgleich fluktuierender Stromerzeugungsformen in Deutschland:
-
Die
durchgeführten
Betrachtungen zeigen, dass durch Einsatz eines kleinen Teils der
Fläche
der Bundesrepublik Deutschland Energiespeicher geschaffen werden
könnten,
die es ermöglichen,
die Stromerzeugung vollkommen auf fluktuierende Quellen, wie Wind
und Sonne umzustellen.
-
Dabei
ist anzunehmen, dass bei einer geschickten Kombination der Anteile
aus Windkraft und direkter Sonnenenergie der Speicherbedarf noch
reduziert werden kann, weil in der Regel dann der Wind stark ist, wenn
weniger Sonne scheint (im Winter) und umgedreht die Sonne scheint,
wenn weniger Starkwind vorherrscht (im Sommer).
-
Würden die
gesellschaftlichen Rahmenbedingungen, die Schaffung derartiger Speicher
zulassen, dann wären
diese mit hohen Kosten verbunden. Deshalb folgen Überlegungen,
wie die Aufgabe mit kleineren Speichern bei größerer Überkapazität bei den Windkraftwerken gelöst werden
kann.
-
Beurteilung des Speicherbedarfs zum Ausgleich
der fluktuierenden Stromerzeugung bei einer installierten Windleistung,
die mehr als sechs Mal so hoch ist, wie die geforderte Durchschnittsleistung:
-
Mit
6-fach installierter Windleistung benötigt man Speicher für gute 100
Tage.
-
Bei
7-fach installierter Windleistung (ca. 17% Überkapazität) halbiert sich der Speicherbedarf
auf ca. 50 Tage.
-
Bei
8-fach installierter Windleistung (ca. 33% Überkapazität) auf knapp 30 Tage. Bei 10-fach
installierter Windleistung (ca. 67% Überkapazität) auf knapp 20 Tage. Die weitere
Erhöhung
der Erzeugungskapazität bringt
immer weniger.
-
Beurteilung von Erzeugungs- und Ausgleichskapazitäten beim
Einsatz von Wind- und Sonnenenergie:
-
Zur
Erfüllung
der Versorgungsaufgabe muss von der Erzeugung zum Verbraucher ein
Stromnetz für die
einfache Leistungsübertragung
vorgehalten werden.
-
Erfolgt
die Versorgung maßgeblich
mit Windstrom und soll dieser nicht in hohem Maße ungenutzt bleiben, dann
sind für
Windkraftanlagen Stromnetzte mit der sechs- oder noch höher-fachen Leistung erforderlich, die
entweder zum Ausgleich über
kontinentale Entfernungen oder bis zum zugeordneten Speicher gehen.
-
Der
Speicher muss entsprechend dem Leistungsvielfachen der Windräder in der
Lage sein, diese Leistung abzüglich
der Versorgungsaufgabe aufzunehmen.
-
Der
Speicher muss maximal die einfache Leistung für die Versorgungsaufgabe abgeben
können, wenn
kein Wind bläst.
-
Es
erscheint daher überlegenswert,
Windkraftanlagen möglichst
nahe um einen Speicher zu gruppieren, um riesige, auf ein mehrfaches
der Versorgungsaufgabe ausgelegte Übertragungsnetzte zu vermeiden.
-
Beschreibung der Erfindung:
-
Wo
Wind „geerntet” wird,
sind in der Regel nicht die topografischen Verhältnisse, um Pumpspeicher in einer
bisher bekannten Ausführung
in die Landschaft bauen zu können.
-
Das
erfordert Landschaften mit großen
Höhenunterschieden,
die es zulassen, in der Berg- und in der Tallage große, im Volumen
aufeinander abgestimmte Stauseen anzulegen.
-
Selbst
in den Gebirgen sind dafür
geeignete Standorte selten und nicht leicht aufzufinden und zu erschließen.
-
Weil
das so ist, besteht die Erfindung darin, künstliche Landschaften zu schaffen,
die sich zur Einrichtung von Pumpspeichern eignen. Die Dimension
der zu schaffenden künstlichen
Landschaft soll es ermöglichen,
die Windkraft möglichst
in der Umgebung wo sie geerntet wird, so auszugleichen, so dass
damit eine Versorgungsaufgabe erfüllt werden kann.
-
Als
eine Form bietet sich ein Kegelring mit zentralem Oberbecken und
einer darum angeordneten Ringfläche
als Unterbecken an (Bild 1).
-
Als
weitere Form kann so ein Kegelring mit Oberbecken in einem Gewässer (See
oder Meer) angelegt werden (Bild 2).
-
Als
weitere Form kann so ein Kegelring zur Schaffung des Unterbeckens
in einem Gewässer
(See oder Meer) angelegt werden (Bild 3).
-
Als
weitere Form kann das Unterbecken auch unter das Landschaftsniveau
gelegt werden und/oder nicht konzentrisch zum Oberbecken angeordnet
sein (Bild 4).
-
Die
Erfindung beinhaltet auch künstlich
zu schaffende Landschaften, die sich in einem Übergangsbereich von Gewässer und
Land befinden (ohne Bild).
-
Die
Erfindung beinhaltet auch künstlich
zu schaffende Landschaften in Gebieten mit vorhandenen aber zu geringen
Höhenunterschieden,
um ohne Anwendung der beschriebenen Prinzipien einen Pumpspeicher
wirtschaftlich errichten zu können
(ohne Bild).
-
Die
Kreisform ist dabei in keiner Weise bindend. Aufgrund landschaftlicher,
siedlungsbedingter, untergrundbedingter, infrastrukturbedingter
oder sonstiger Gründe
können
auch andere Gestaltungsformen der künstlichen Landschaft gewählt werden.
Auch diese von konzentrischen Kreisen abweichenden Formen sind Bestandteil
der Erfindung.
-
Das
Prinzip der Erfindung besteht darin, den entstehenden Speicher so
groß zu
machen, dass er wirtschaftlich wird.
-
Weiterhin
umfasst die Erfindung die Nutzung der Wasserflächen des Pumpspeichers, insbesondere der
Oberbecken, für
Photovoltaik-Anlagen. Der Flächenverbrauch
des Pumpspeichers wird damit zusätzlich zur
Stromerzeugung genutzt.
-
Weiterhin
umfasst die Erfindung die Nutzung des Ringwalls und der Dammkrone
für Windkraftanlagen.
-
Weiterhin
umfasst die Erfindung die Nutzung des Ringwalls in den zur Sonne
ausgerichteten Bereichen für
Photovoltaik-Anlagen.
-
Das
alles führt
zur Bezeichnung „Energiekegel”.
-
Oberbecken
konventioneller Pumpspeicherbecken im Gebirge sind, bei viel kleineren
Dimensionen als in dieser Erfindung, häufig nicht anders aufgebaut
wie ein Ringwall. Allein durch die Wahl einer geeigneten Größe kann
mit der Erfindung auf dem flachen Land oder in einem flachen Meer
ein Speicher errichtet werden bei dem das Verhältnis von Erdbau zu Speichervolumen
(und damit zum Energieinhalt) vergleichbar wird zu Gebirgsspeichern.
-
Der
Einsatz viel größerer Baumaschinen
und der gute Zugang zur Baustelle lässt dabei erwarten, dass die
Kosten, bezogen auf die gespeicherte Energiemenge, eher günstiger
ausfallen werden.
-
Zur
Verdeutlichung soll Bild 5 ausdrücken,
dass mit dem Ringwall nichts anderes erreicht wird, als wenn eine
große
Anzahl typischerweise im Gebirge angestauter Kerbtäler in einem
großen
Kreis zusammengesetzt worden wären.
-
Beschreibung einer Variante der Erfindung
als Beispiel:
-
Kegelring-Energiespeicher
für 30
Tagesverbräuche
bei 10 GW Leistung:
-
technische Daten des Beispiels:
-
Oberbecken:
Höhe der Dammkrone: | 440
Meter |
Kronendurchmesser: | 9,6
km, Umfang: 30 km, Oberbeckenfläche
ca. 73 km2 |
Böschungswinkel: | 32°, entspricht
63% Steigung oder Verhältnis
1:1,6 |
Pegelschwankung
oben: | 100
Meter |
Kegelringvolumen: | 9,54
km3 |
Unterbecken:
Innendurchmesser: | 11
km |
Außendurchmesser: | 22,2
km, Wasserring-Fläche
290 km2 |
Pegelschwankung
unten: | 25
Meter, Gesamtwassertiefe: 34,5 Meter |
Gesamtsystem:
Austauschvolumen: | 7
km3 |
Gesamtflächenbedarf: | 400
km2 |
gesamte
Wasserfüllung: | 37
km3 |
maximale
Pumpleistung: | 70
GW (80 GW Peak minus Versorgungsaufgabe 10 GW) |
-
Kegelring-Energiespeicher – Beispielbeschreibung:
-
Zwei
derartige Kegelringspeicher mit einem Durchmesser von etwas über 22 Kilometern
und einem Flächenbedarf
von jeweils knapp 400 km2 (0,11% der Fläche Deutschlands)
würden
gut ausreichen, um den in der Leitstudie 2008 des Bundesministeriums
für Umwelt,
Naturschutz und Reaktorsicherheit bis zum Jahr 2030 geplanten Anteil
der Wind- und Sonnenenergie an der deutschen Stromerzeugung (ca.
164 TWh oder knapp 30% des prognostizierten Bruttostromverbrauchs)
bedarfsgerecht auszugleichen.
-
Die
Kosten derartiger Energiespeicher dürften nach bisherigen überschlägigen Berechnungen
in der Größenordnung
der Kosten der Windkraftanlagen liegen, die damit ausgeglichen werden
(80 GW Wind- und Solar-Peakleistung).
-
Für Windkraftanlagen
ergeben sich hervorragende Standorte auf der ca. 30 km langen Dammkrone oberhalb
440 Metern der Umgebung.
-
Der
Windpark um den Speicherkegel würde
ca. 4000 km2 umfassen mit 16.000 Anlagen
zu 5 MW in jeweils 500 Meter Abstand. Der Windparkdurchmesser läge bei ca.
71 km. Das wären
1,12% der Landesfläche.
-
Der
Energiekegel sollte möglichst
zentral innerhalb der einspeisenden Windkraftanlagen liegen, um kurze
Leitungswege zu den Pumpstationen zu bekommen.
-
Die
Aufrüstung
der Hochspannungsnetzte außerhalb
des Speicherrings zur kontinentalen Übertragung von Peakleistungen
würde überflüssig.
-
Das
Oberbecken könnte,
mit Pontons versehen ca. 55 km2 Sonnenkollektoren
aufnehmen. Die Sonnenscheindauer dürfte wegen der Höhe über der
Umgebung größer sein,
weil dort für
die Sonnenstrahlen ca. 400 Meter bodennahe Bewölkung wegfallen. Die übers Jahr
auf 365 Tage × 24
Stunden gemittelte Solarleistung daraus läge bei 600 bis 800 MW.
-
Der
Energiekegel könnte über die
Erfüllung
der Versorgungsaufgabe hinaus, kurzfristige Regel- und Ausgleichsleistung
in größtem Umfang
zur Verfügung
stellen.
-
Kegelring-Energiespeicher – Überlegungen
zur Umsetzung:
-
Zahlreiche
Tagebaue graben vergleichbare Dimensionen von Landfläche um.
Würde der
Abraum geordnet zu Energie-Kegelringen aufgeschichtet und die Tagebaugruben
bei Erschöpfung
der Vorräte
so ausgebildet, dass ein Untersee entsteht, dann wäre damit
ohne riesige zusätzliche
Kosten der Landschaftsbau für einen
Pumpspeicher erfolgt und ein nachhaltiger Beitrag zur Energiesicherheit
unseres Landes geleistet.
-
Touristische
Nutzung, die jetzt in der Regel für die gefluteten Becken stillgelegter
Tagebaue angestrebt wird, könnte
in den Unterbecken genauso stattfinden.
-
Zudem
würde ein
attraktiver Berg entstehen, der weitere Abwechslung ins flache Land
bringt.
-
Schwimmende
Landschaften auf den entstehenden Seen könnten attraktive Wohnlagen
aber auch Rückzugszonen
für wasserliebende
Flora und Fauna bieten.
-
Fünf derartige
Energiekegel, deren Wasserringe zusammen weniger als 0,6% der Landesfläche beanspruchen
würden,
könnten
dafür sorgen,
dass die komplette Stromversorgung Deutschlands auf regenerative Erzeugung
umgestellt werden kann, ohne dass Agrarflächen zur Stromerzeugung aus
Biomasse eingesetzt werden müssten.
-
6%
der Landesfläche
müssten
mit Windkraftanlagen bei einer insgesamt Peakleistung von 400 GW überbaut
werden. Landwirtschaftliche Nutzung bliebe in diesen Windparks weiterhin
möglich.
-
Natürlich kann
die Überlegung
mit den Energiekegeln analog auch mit kleineren Leistungen und einer größerer Anzahl
von Einheiten angestellt werden.
-
Die
Technik zur Erstellung derartiger Energiekegel ist in unserem Lande
umfassend vorhanden.
-
Auch
Offshore, in einem flachen Meer kann die Errichtung eines Energiekegels
erfolgen. Technik die zur Schaffung einer Palme (Insel-Landschaft)
in Dubai eingesetzt wird, könnte
so bei uns dafür
sorgen, dass ohne Landverbrauch unsere Abhängigkeit von Öl und Gas überwunden
wird.
-
Die
Nutzung von Kernkraft und die Verstromung fossiler Energieträger wären damit
nicht mehr erforderlich.
-
Für die Stromerzeugung
unseres Landes fielen dauerhaft keine Primärenergiekosten mehr an.
-
Zusätzliche Überlegungen
zur Erfindung:
-
Beurteilung einer geeigneten Abstimmung
zwischen Winderzeugungsüberkapazität und Speicherkapazität:
-
Haupteinflussgrößen sind:
-
Kosten der Windkraftanlagen
-
Kosten
der Turbinen und Generatoren für
die einfache Versorgungsaufgabe inklusive sonstige zur Erzeugungsleistung
proportionale Kosten.
-
Kosten
der Motorpumpentechnik, welche die Überkapazität aufnehmen müssen inklusive
sonstige zur Pumpleistung proportionale Kosten.
-
Kosten
zur Schaffung des Speichervolumens für Landerwerb, Erdbau, Abdichtung,
Wasserfüllung
und sonstige speichergrößenabhängige Kosten.
-
-
Überschlägige Abschätzung der
Kosten von Windkraft und Speicherkapazität für eine Versorgungsaufgabe:
-
Im
nachfolgenden Diagramm werden die Gesamtkosten GK-05 bis GK-10 in
TEUR/MW mit folgenden Annahmen ermittelt:
Investitionskosten
für Windkraftanlagen: | W-Inv
= 800 TEUR/MW |
Erzeugungsleistung
proportionale Kosten: | T-Inv
= 400 TEUR/MW |
Pumpleistung
proportionale Kosten: | P-Inv
= 200 TEUR/MW |
-
Die
vom Erdbau dominierte, speicherkapazitätsabhängigen Kosten werden variiert:
E-05
= 0,50 EUR/kWh
E-1 = 1,00 EUR/kWh
E-2 = 2,00 EUR/kWh
E-5
= 5,00 EUR/kWh
E-10 = 10,00 EUR/kWh
-
Beurteilung einer geeigneten Abstimmung
zwischen Winderzeugungsüberkapazität und Pumpspeicherkapazität mit 80%
Wirkungsgrad:
-
Das
Diagramm lässt
folgende Schlüsse
zu:
Das Kostenoptimum zur Lösung
einer Versorgungsaufgabe mit Windkraft liegt bei einer 6,5 bis 7-fach
installierten Windleistung (entspricht 30% ... 40% Erzeugungsüberkapazität), wenn
die Schaffung des Speichervolumens für eine Kilowattstunde nicht
mehr als 1 EUR kostet.
-
Sie
steigt bis etwa zur 10-fach installierten Windleistung (100% Erzeugungsüberkapazität), wenn
die Schaffung des Speichervolumens 10 EUR/kWh kosten würde.
-
Je
mehr Windkraft-Überkapazität zur Lösung der
Versorgungsaufgabe eingesetzt wird, desto stärker dominieren die Kosten
der Windkraft.
-
Das
Diagramm gibt Orientierung zur Beurteilung eines konkreten Pumpspeicherprojekts
in Bezug auf einen zukünftigen
Ausgleich von Windkraft.
-
Alternative Überlegung – Nutzung unserer Gebirge:
-
Es
liegt nahe, alternativ darüber
nachzudenken, Energiespeicher dort anzulegen, wo die Landschaft Höhenunterschiede
und Strukturen aufweist, welche die Schaffung derartiger Energiespeicher
mit geringeren Massenbewegungen, als im flachen Land, ermöglicht.
-
Im
Gegensatz zu Küstenzonen,
wo große
Flüsse
ankommen, weiche die Wassermassen zur Füllung großer Speicher liefern können, kann
in den Gebirgen, die Beschaffung der Wasserfüllung in der Größenordnung
von Kubikkilometern einen erheblichen Aufwand auslösen.
-
Inländische
Gebirgsspeicher wären
aus den vorgenannten Gründen
in größerer Anzahl,
mit kleineren Wassermassen erforderlich, um einen vergleichbaren
Anteil zur Energieversorgung beitragen zu können.
-
Eine
systematische Standortsuche wäre
erforderlich, um das vorhandene Potential in unserem Land dafür abschätzen zu
können. Beispiel
für Pumpspeicher
im Mittelgebirge: Wunsiedler See Projekt
Arbeitsvolumen: | 5
Mio m3 |
Erdbauvolumen: | 6,5
Mio m3 |
Mittlerer
Höhenunterschied: | 273
m |
gespeicherte
Energie: | 3,5
GWh |
Erzeugungsleistung
bei Auslegung auf |
4 Std.
(konventionell) | 870
MW |
8 Std.
(wie Goldisthal) | 435
MW |
Zum Ausgleich
von Windenergie für |
14
Tage (zu 11-fach Wind) | 10
MW |
zugehörige Pumpleistung | 120
MW |
dabei anfallende
Generatorleistung bei Verwendung von Pumpturbinen 150 MW |
-
Obwohl
es sich im Vergleich zum vorher betrachteten Kegelringspeicher um
eine sehr kleine Anlage handelt, ist das Verhältnis von Massenbewegung zu
Arbeitsvolumen in der Größenordnung
vergleichbar. Das Erdbauvolumen wird im Wesentlichen zur Errichtung
des Dammes für
das Oberbecken benötigt.
-
Rüstet man
die Anlage mit Pumpturbinen aus, dann liegt die abrufbare Erzeugungsleistung
weit über den
Anforderungen der Versorgungsaufgabe.
-
Dies
kann dazu beitragen, die Kosten so einer Anlage unter den derzeitigen
Bedingungen zu amortisieren, obwohl diese nicht, wie Windkraftanlagen,
durch EEG-Regelungen
begünstigt
werden. (EEG: Erneuerbare Energien Gesetzt)
-
Verwendung anderer Speichertechnologien:
-
Eine
Alternative zu Pumpspeichern bilden Druckluftkavernenspeicher.
-
Sie
erreichen Wirkungsgrade zwischen 40% und 60%.
-
Sie
können
unter Umständen
günstiger
als Pumpspeicher errichtet werden, erfordern jedoch wegen des geringeren
Wirkungsgrades von Haus aus eine höhere Überkapazität bei den Windkraftanlagen.
-
Auch
hierzu soll die Betrachtung des vierjährigen Zeitraums ein Gefühl vermitteln,
wie sich die Verhältnisse
mit dieser Technik darstellen würden.
-
Die
Betrachtung erfolgt mit einem angenommenen mittleren Wirkungsgrad
von 50%.
-
Die
7-fach installierte Windleistung reicht aus, wenn Strom für ca. 100
Tagesverbräuche
gebunkert werden kann.
-
Der
Speicherbedarf bei 8-fach installierter Windleistung beträgt ca. 50
Tage.
-
Der
Speicherbedarf bei 10-fach installierter Windleistung beträgt ca. 25
Tage.
-
Druckluftkavernenkraftwerke
könnten
eine Alternative oder Ergänzung
zu Pumpspeichern sein, wenn die erforderlichen unterirdischen Hohlräume geschaffen
werden können
und die Herstellkosten den erhöhten Windkraftbedarf
rechtfertigen.
-
Druckluftkavernen
beanspruchen oberirdisch praktisch keine Landflächen.
-
Als
weitere Speicheralternative wird die Wasserstofftechnologie diskutiert.
Sie erreicht Wirkungsgrade um 20%.
-
Wegen
des geringen Wirkungsgrades ist eine noch höhere Überkapazität bei den Windkraftanlagen erforderlich.
-
Auch
hierzu wurde der vierjährige
Zeitraum mit unterschiedlichen Überkapazitäten bei
der Windstromerzeugung untersucht.
-
Im
Untersuchungszeitraum (Jan 2005 bis Nov 2008) hätte eine 8-fach vorgehaltene
Erzeugungsleistung bei der Windkraft nicht ausgereicht um ohne Fremdenergie
die Versorgungsaufgabe zu erfüllen.
-
Der
Speicherbedarf bei 10-fach installierter Windleistung beträgt ca. 70
Tage.
-
Bei
einem Speicherwirkungsgrad von 20% entsteht ein erheblicher zusätzlicher
Bedarf an Windkraftanlagen, der notwendig wird, um den Speicher
zur Erfüllung
der Versorgungsaufgabe aufladen zu können. Ob diese Technologie
wirtschaftlich in Konkurrenz zu den beiden vorher diskutierten Techniken
treten kann, erscheint deshalb in fraglich.
-
Der
oberirdische Flächenbedarf
einer Wasserstofftechnologie wäre,
wie bei den Druckluftkavernen, ohne Bedeutung.
-
Abschließende Beurteilung von Erzeugungs-
und Ausgleichskapazitäten
beim Einsatz von Wind- und Sonnenenergie:
-
Ob
es angesichts der ehrgeizigen Ziele und Zeithorizonte unserer Energiepolitik
(bis 2050) realistisch ist, darauf zu hoffen, Windstrom über kontinentale
Entfernungen, mit neu zu schaffenden Hochleistungsstromnetzen zumindest
teilweise ausgleichen zu können,
gehört
kritisch überprüft. Nachbarländer die
auf bedarfsangepasste Erzeugungstechnologien setzen, müssen dafür erst gewonnen
werden.
-
Das
Potential so eines europaweiten Lastausgleichs, das auch die Offshore-Bereiche
umfassen muss, bedarf einer Gesamtanalyse um auf dieser Basis den
Ausgleichsbedarf und den damit verbundenen Aufwand zu kennen.
-
Ein
bedeutender Ausgleichsbedarf durch Energiespeicher in etwas reduziertem
Umfang wird auch bei einer kontinentalen Vernetzung erforderlich
bleiben.
-
Egal
ob wir durch Einsparungen den Stromverbrauch in Zukunft verringern,
oder ihn durch flächendeckende
Einführung
von Elektroautos sogar noch ausweiten:
An der Schaffung erheblicher
Speicherkapazitäten
führt kein
Weg vorbei, wenn zu unserer Stromversorgung die uns von der Natur
geschenkte, regenerative Sonnenenergie eingesetzt werden soll.
-
Die
Erfindung, die hiermit zum Patent angemeldet wird, liefert einen
Ansatz zur wirtschaftlichen Lösung
dieser Herausforderung.
-
Legende:
-
-
- h:
- Höhenunterschied der Schwerpunktlagen
- po:
- Pegelschwankung oben
- pu:
- Pegelschwankung unten
- t, tw:
- Wassertiefe
- hk:
- Dammkronenhöhe über Ursprungsgelände
- a:
- Abgrabungstiefe