Wochenserie: Neue Technologien für dezentrale Stromspeicher

Teil 1 – Dezentrale Speicher-Technologien auf Basis der Schwerkraft: Gravity Power, Lageenergiespeicher, Andritz Hydro, Energy Cache, Hubspeicher

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CleanTech & Energiespeicher News. In dieser Woche veröffentlicht CleanThinking.de täglich einen Beitrag zum Thema Energiespeicher. Den Anfang machen Dezentrale Speicher-Technologien auf Basis der Schwerkraft. Der Autor der Serie „Neue Technologien für dezentrale Stromspeicher“ ist Christian Wiesner, Vertriebsleiter der ROTOKINETIK UG, aus Hamburg.

In der aktuellen Studie der DENA, der Deutschen Energieagentur, zum notwendigen Ausbau der Deutschen Verteilnetze bis 2030, taucht ein neuer Begriff auf : Der „dezentrale Stromspeicher“. Dieser unterscheidet sich von den bekannten Pumpspeicherwerken im wesentlichen dadurch, dass er direkt oder nahe bei bei den Verbrauchern, also am sogenannten „Point-Of-Consumption“ (POC) installiert ist. Pumpspeicherwerke dagegen benötigen spezielle geologische Formationen, und diese finden sich meist eher nicht in der Nähe von Ballungsgebieten oder Industriezentren.

Nach Aussage der DENA sind diese dezentralen Stromspeicher sowohl Segen als auch Fluch, sie können helfen den notwendigen Ausbau der Verteilnetze um viele Milliarden Euro günstiger zu gestalten, von Einsparungen in Höhe von bis zu 20 Prozent der berechneten 27,5 bis 42,5 Milliarden Euro ist in der Studie die Rede. Das freilich nur wenn die Speicher netzentlastend betrieben werden, auch das Gegenteil ist aber möglich, und die DENA sieht darin dann ein potentielle Gefahr für die Netze.

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Für uns sollte das Grund genug sein uns diese dezentralen Stromspeicher näher anzusehen. Das bedeutet im Speziellen: Welche neuen Technologien stehen dafür zur Verfügung? Der klassische dezentrale Stromspeicher ist natürlich die Batterie, heute gerne und oft in der Form von Li-Ionen-Batterien. Im zweiten Teil dieser Artikelreihe werden wir daher auf einige neue, exotische Batterietypen eingehen. Hier im ersten Teil wollen wir uns aber auf die Schwerkraft konzentrieren, und über neue Speichertechnologien berichten die auf ihr basieren.

Gravity Power – GPM Module

GPM_Modul_Gravity_Power

Quelle: Website Gravity Power LLC

Das US-Unternehmen Gravity Power LLC, in Deutschland repräsentiert von der Gravity Power GmbH mit Geschäftsführer Horatio John von Freyend, hat zweifelsfrei eine der interessantesten neuen Technologien für dezentrale Stromspeicher vorgestellt. Ein sehr großer und schwerer Kolben – mittels spezieller Sägen direkt aus dem Fels geschnitten – wird dabei über Wasserdruck in einem unterirdischen Stollen nach oben gepumpt. Dafür wird Energie benötigt, die dann aber in der potenziellen Energie des schweren Kolbens gespeichert ist. Wird der Kolben wieder abgelassen, so treibt der entstehende Wasserdruck eine Turbine an, und diese produziert Strom.

Das Konzept erinnert sehr stark an den bekannten Lageenergiespeicher des Prof. Dr. Eduard Heindl, jedoch wird der Kolben nicht aus dem Erdreich angehoben, sondern arbeitet in einem unterirdischen Schacht. Der Flächenverbrauch kann so recht niedrig gehalten werden, und es sollte wohl auch einfacher sein dafür geeignete geologische Voraussetzungen zu finden, auch nahe bei den Verbrauchern. Gravity Power sehen den Hauptzweck der eigenen GPM-Einheiten als Tagesspeicher, also das Einspeichern von Strom in der Nacht, und der Verkauf der Energie während der Tagesspitzen. Daher sind die die geplanten Speicher-Kapazitäten auch deutlich niedriger, mit den ersten Einheiten peilt man 100 bis 200 Megawattstunden je Röhre an.

Mit dem Tunnelbauer Babendererde, ANDRITZ Hydro und Hochtief haben die Amerikaner jedenfalls kompetente Partner mit an Bord, man kann gespannt sein wo und wann die erste Einheit errichtet werden wird. Dr. Heindl wird es jedenfalls mit Fassung tragen, es ist sogar anzunehmen, dass einige der geplanten Verfahren bei beiden Technologien zum Einsatz kommen könnten. So könnte der Lageenergie-Speicher, der mit 1,6 Terrawattstunden Energiekapazität ja die Antwort auf den dringenden Bedarf nach Groß-Speichern und Saisonal-Speichern sein soll, am Ende vielleicht sogar noch von den Erfahrungen mit den GPM-Modulen profitieren.

Energy Cache

Energy_Cache_DPA_Handelsblatt

Quelle: Energy Cache, dpa 2

Das US-Unternehmen Energy Cache ist eines von mindestens drei Unternehmen, die etwas gemeinsam haben: Sie entwickeln Stromspeicher, und werden von Bill Gates, Inhaber von Microsoft und einer der reichsten Menschen der Erde, finanziert. Im Falle von Energy Cache denkt man zunächst an einen schlechten Witz, bis man sich auf deren Homepage das Video der Demo-Anlage angesehen hat: Über eine Seilbahn wird Kies in kleinen Gondeln einen Berg hinauf transportiert, natürlich unter Aufbietung von elektrischem Strom. So wird Energie in der potentiellen Energie der angehäuften Kieshaufen gespeichert.

Wird diese wieder benötigt, so lädt man den Kies wieder in die Gondeln, und der schwere Kies treibt die Seilbahn den Berg hinunter. Dabei wird elektrische Energie produziert. Obwohl an sich eine pfiffige Idee, stellt sich die Frage, ob das wirklich so viel platzsparender und effizienter sein soll als ein Pumpspeicherwerk? Und einen dafür geeigneten Hang gibt es sicher auch nicht überall in unserem Land, leider macht Energy Cache auch keine Angaben zu Kosten. Es ist in jedem Fall wert erwähnt, und auch weiter beobachtet zu werden.

Hubspeicher / RauEE

Konzept Hubspeicher

Quelle: RauEE

Mit den Ideen von Dipl. Phys. Werner Rau zu seinen sogenannten Hubspeichern soll der ersten Teil der Vorstellung von dezentralen Speichern schließen. Er schlägt vor, große Gewichte über eine Hub-Vorrichtung auf ein höher gelegenes Niveau zu bewegen, und dort über eine Rollenbahn in ein Lager zu bewegen. Wird die so gespeicherte potenzielle Energie wieder benötigt, holt man die Gewichte wieder aus dem Lager und lässt sie über die Vorrichtung nach unten gleiten.

Der Antriebsmotor wird dann zum Generator, und gibt die gespeicherte Energie als elektrischen Strom wieder aus. Das ist technisch ohne jeden Zweifel machbar und wird weniger Platz verbrauchen als ein Pumpspeicherwerk. Jedoch ergibt die Kostenbetrachtung von RauEE, mit circa 2.000 Euro je Kilowatt und rund 400 Eurp pro Kilowattstunde leider doch ziemlich hohe mögliche Kosten für solche Einheiten, zumindest bei kleineren Bauformen.

Im zweiten Teil der Wochenserie beschäftigt sich Christian Wiesner morgen mit unterschiedlichen, neuartigen Batterie-Technologien.

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11 Kommentare

  • Nachtrag :

    Hier noch ein Schwerkraft-basiertes Speichersystem das mit schweren Zügen arbeitet, von der Fa. ARES :

    http://www.gizmag.com/ares-rail-energy-storage/28395/

  • Es ist zweifelsfrei spannend und notwendig, dass an weiteren und neuen Batterietechnologien geforscht wird.
    Die Menschen die derzeit mit immer höher werdenden Strompreisen belastet werden suchen aber vermutlich eher nach schnellen und pragmatischen Lösungen die bezahlbar sind.
    Es gibt sie die Speichersysteme die sich in Krankenhäuser seit knapp 20 Jahren bewährt haben und nun für Einfamilien/Doppel/Reihen und kleinere Mehrfamilienhäuser adaptiert wurden.
    Sie bestehen vereinfacht ausgedrückt aus einem intelligentem Steuerungssystem, dem Herzstück der Anlage, dem Akku System aus Bleigel – oder Lythiumionenbatterien einem Wechselrichter, der Verstringung und dem Photovoltaik Dach.
    Beispiel: Vierpersonenhaushalt mit einem Jahresverbrauch von ca. 5.000 KW
    Eigenverbrauch ca. 80 %
    Kosten der gesamten Anlage, ca. € 22.000,00 inkl. einem Akkuaustauschsatz.
    Berechnung erst einmal über 20 Jahre.
    Kosten für die Familie ohne Speichersystem: Durchschnittskosten pro KW über 20 Jahre 35 Cent ( vorsichtig kalkuliert, etwa 3,0 % Steigerung pro Jahr basierend auf 23 Cant 2013)
    € 35.000,00
    Differenz: € 13.000,00, dazu kommt die Förderung ab 1,5.2913 in Höhe € 2.000,00 und die Abschreibung über 20 Jahre bei einem Steuersatz von 25% in Höhe von € 5.000,00 (verteilt auf 20 Jahre)
    Egal wie man nun rechnet, ob der Investor die Anlage finanziert oder cash bezahlt, er ist
    1, autark und losgelöst von Politik und Stromlobby
    2, deutliche Einsparung an Sromkosten – denn die Sonne schickt nun mal keine Rechnung
    Mehr gerne unter http://www.speicherkraft.de

    Ihr Gilbert Denzer
    Kfm Vertriebsleiter
    Speicherkraft Energiesysteme München
    0172 8420404

    • Sehr geehrter Herr Denzer,

      etwas sehr wichtiges fehlt leider in Ihrer Rechnung :

      Sie gehen von einem Eigenverbrauch von 80% aus, was realistisch ist, d.h. es werden immer noch 20% des Bedarfs aus dem Stromnetz gedeckt. Jedoch trägt Ihre Beispielfamilie nur noch zu ca. 20% zu den der Allgemeinheit erwachsenden Kosten aus dem Erhalt desselben bei, und was noch schlimmer ist, Ihre Beispielfamilie wird das Netz in Zukunft genau dann belasten, wenn über mehrere Tage keine Sonne da ist, also just zum ungünstigsten Zeitpunkt.

      Wenn Sie tatsächlich glauben dass das auf die Dauer so funktionieren wird, dann sind Sie entweder sehr naiv, oder einfach nur unglaublich geschäftstüchtig. Sollte es tatsächlich einen Trend dazu geben dass immer mehr Familien mit Eigenheimen sich über Batteriespeicher von Ihrer Zahlungsverpflichtung gegenüber dem allgemeinen Stromnetz, auf das sie sich ja ständig weiterhin verlassen wollen wenn mal keine Sonne scheint, befreien wollen, dann wird ganz sicher ein generelles Netzentgelt pro Anschluss kommen, unabhängig vom tatsächlichen Verbrauch, und nur abgestimmt auf die maximale Leistung die der Anschluss zu einem beliebigen Zeitpunkt liefern können muss. Das halte ich auch für sehr gerecht, es kann nicht sein dass man als Häuslebesitzer mit Solarzelle sich nur noch dann aus dem Netz bedient, wenn es gerade opportun ist, den Erhalt desselben aber gerne den Unternehmen und Mietern überlässt. Versorgungssicherheit, für Wasser und für Strom, ist ein teures Gut, wie die Sicherheit auf unseren Strassen, und das kostet Geld !

      Sollten die generellen Netzanschlusskosten dann kommen, werden Heimspeicher endgültig unrentabel. Dass diese Einheiten technisch machbar sind, ist ja seit Ewigkeiten bekannt. Natürlich hat sich dafür in der Vergangenheit niemand interessiert, weil es ja völliger Unsinn ist dass jeder Bürger einen solchen Speicher im Keller hat, da weder ökonomisch noch ökologisch begründbar. Ich erlaube mir dazu auf ein Papier von mir hinzuweisen :
      http://download.rotokinetik.com/ROTOKINETIK%20-%20Betrachtungen%20zur%20Foerderung%20von%20Solarstromspeichern%20-%20C.%20Wiesner%20-%202013.pdf

      Wenn wir versuchen sollten unseren mittelfristigen Bedarf an Stromspeichern über Batterie-Heimspeicher zu decken, so wird uns das zwischen 600 und 6.000 Milliarden Euro kosten, und das alle 8 – 10 Jahre, denn so lange halten die Speicher höchstens, ganz egal was die Hersteller vollmindig versprechen. Zum Vergleich, die gesamte Deutsche Staatsverschuldung liegt derzeit bei 2.230 Milliarden Euro, wie sinnvoll das ist, kann sicher jeder selbst ausmalen.

      Was unser Land benötigt ist keine ‚Demokratisierung‘ der Energieversorger und auch sicher keine schnellen Geschäftemacher die sich jetzt – nachdem sie Milliarden Euro an Fördergelder für den PV-Wahnsinn abgeschöpft haben – schnell die nächste Milchkuh suchen, sondern ein kluges, zentral geplantes und regional auf unsere Speicherbedürfnisse abgestimmtes Strom-Speicherkonzept. Dieses sollte idealerweise auch die Vernetzung zwischen Stromenergie und Wärmeenergie beinhalten, denn nur so sind die Speicherbedarfe kostengünstig zu erreichen.

      Leider sind unsere Politiker derzeit im Wahlkampf, und damit im Ausnahmezustand. Sie verteilen lieber Wahlgeschenke an Süd-Deutsche Häuslebauer, anstatt über tragfähige Speicherkonzepte für das gesamte Lande nachzudenken. Die kosten ja Geld, und mit solchen schlechten Nachrichten traut sich im Moment kein Politiker an die Wähler heran. Dabei erhalten die PV-Zellen im Süden heute schon 50% der Ausschüttungen aus dem EEG, tragen aber nur zu 25% zu den Erneuerbaren bei.

      Gott sei Dank scheint das unselige Förderprogramm für die Batterie-Heimspeicher jetzt aber auf Eis gelegt worden zu sein, hoffentlich kommt jetzt ein besserer, demokratisch und sozial korrekterer Vorschlag …..

      • Neuartiger Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil.

        Vorteile dieses Pumpspeichers gegenüber Speichern, bei denen der Arbeitsdruck durch vertikal arbeitende Gewichte erzeugt wird:

        Wesentlich größeres Speichervolumen.
        Kaum Widerstände durch kurze Wasserwege und einen nach oben hin offenen Speicher.
        Keine Transport- und Volumeneinschränkung durch schwere, großräumige Gewichte.
        Wesentlich geringere Druckbelastung der Dichtung im Arbeitsbetrieb.
        Völlige Entlastung der Dichtung im Schwimm- bzw. Ruhemodus.
        Erheblich geringere Wartungs- und Reparaturkosten durch freien Zugang zu allen Aggregaten.
        Niedrigere Herstellungs- und Errichtungskosten.
        Zeitlich uneingeschränkte Vorhaltung der vollen Speicherleistung.

        Bei Pumpspeichern mit vertikal arbeitenden Gewichten wird das von den Gewichten verdrängte Wasser der Turbine entweder durch ein parallel geführtes Außenrohr (siehe Gravity Power) oder durch das Gewicht selbst (siehe Powertower) zugeführt. Im ersten Fall treten Reibungsverluste aufgrund der Länge des Außenrohres auf, im zweiten Fall ergeben sich erhebliche Turbulenzen, da das durch die Turbine geleitete Wasser in einen mit Wasser gefüllten, geschlossenen Speicherbereich gepresst wird.
        In beiden Fällen wird die Leistung der Turbinen durch Reibungsverluste und Gegendrücke reduziert. Eine Verbesserung der Leistung durch Erhöhen des Arbeitsdrucks mittels größerer Gewichte ist nur teilweise sinnvoll, da dies zu einer Reduzierung des Speichervolumens und damit zu einer Minderung der Gesamt-Speicherleistung führt. Ein weiterer Schwachpunkt beider Speicherformen ist der auf den Dichtungen lastende extrem hohe Druck, der den Dichtungen stark zusetzt. Da sich diese unter Wasser und zudem an schwer zugänglichen Stellen befinden, sind Reparaturen an ihnen äußerst zeit- und kostenintensiv. Dass im Falle des „Powertowers“ zudem die im Wasser liegende Turbine und der Generator verkapselt werden müssen, ist ein zusätzlicher Nachteil. Ein weiterer, sehr gravierender Nachteil beider Systeme liegt darin, dass eine langfristige Vorhaltung der Speicherenergie nicht möglich ist, da sich die Arbeitsgewichte aufgrund ihres hohen Abtriebs nicht und wenn, dann nur für sehr kurze Zeit fixieren lassen.

        Nachtrag:
        Die technischen Probleme bei der Umsetzung der Energiewende können durch Pumpspeicher oder artverwandte Speicher gelöst werden. Diese Speicherformen haben nicht nur das größte Speichervolumen, sondern auch den Vorteil, dass die Rückumwandlung der Speicherenergie in elektrische Energie bei ihnen völlig CO2 frei erfolgt.

        KLOSS-INNOVATIONSBÜRO, Bochum

  • Vielen Dank für den Übersichtsartikel zu Speichertechniken.
    Vermutlich wird die Welt der Schwerkraftspeicher in Zukunft wesentlich vielfältiger als nur einfache Pumpspeicher. Wichtig ist, dass in der Phase, wo noch viel Entwicklungsaufwand nötig ist, ausreichende Unterstützung aus der Wissenschaft kommt.
    Die Technologie von GP sehe ich schon deshalb als wichtig an, weil sie vermutlich erstmals zeigt, dass Tiefe ein hohes Potenzial hat.

  • Finde die Idee mit der Lage Energie.
    Es müsste doch Möglichkeiten geben diese Systeme in alten Bergwerken einzusetzen. Bei Batterie Gross Speichern habe ich Zweifel bei der Lebensdauer.?

    Gute Information
    Mit Sonnigen Grüßen Solarstrom Simon

    • Guten Abend Herr Simon,

      moderne Batterie-Systeme werden einen Markt für die Stromspeicherung auf Netzebene haben, was einige Groß-Projekte in den USA bestätigen. Ihre Bedenken zur Tauglichkeit von Batterien für diesen Anwendungszweck teile ich prinzipiell, jedoch muss man ganz klar zwischen den verschiedenen Verfahren unterscheiden.

      Die exzellenten NaS-Batterien von NGK, oder die ‚dry cells‘ von Xtreme Power, entwickelt speziell für Groß-Batterien auf Netzebene, sollten nicht in ‚einen Topf‘ mit x-beliebigen Li-Ionen-Zellen geworfen werden, die ursprünglich für mobile Anwendungen gedacht waren und sich für diese als zu schlecht erwiesen haben !

      Es ist eine Schande dass mit die besten Li-Ionen-Zellen auf dem Markt, die hoch belastbaren Zellen von Leclanché aus der Schweiz mit Keramik-Separatoren, im Moment nicht so starken Absatz finden wie eigentlich prognostiziert. Gerade für stationäre Anwendungen im Netzbereich ist eine möglichst hohe Anzahl von Ladezyklen essentiell wichtig um einigermassen kostendeckend mit Batterien operieren zu können, aber anscheinend arbeiten die Köpfe der Einkäufer hier nicht zielführend, ‚cheap is beautiful‘ 🙁 ….

      mfG

      C. Wiesner
      ROTOKINETIK UG (in Gründung)

  • Martin Clemens

    noch ergänzend zu meinem ersten Kommentar: Der Abstand zwischen Kolben und Schacht (ca 2,80m) wird bei Gravity Power Modulen durch speziell entwickelte Dichtungen überbrückt, die u.a. auch Service- oder Reparaturzugang ermöglichen.

  • Martin Clemens

    Hier noch eine kleine Korrektur zu diesem Beitrag: Bei der Gravity Power (GP) Technologie wird der Kolben nicht „mit speziellen Sägen aus dem Fels geschnitten“ (das ist bei dem Lageenergiespeicher so). Bei GP wird der Schacht im Tagebau mit regulärer Tunnelbau Technologie erstellt. Der Kolben (halbe Schachthöhe) wird anschliessend mit einer Mischung aus Aushub u zB Eisenerz befüllt. Nur in seltenen Ausnahmefällen wird der Kolben aus dem existierenden Fels geschnitten. Zwischen Kolben u Schacht besteht ein Abstand von ca 2,80m der bei dem Bau für die Maschinen benötigt wird und später Serviceleistungen möglich macht.
    Ich darf auch darauf hinweisen, dass die GP Technologie seit 2008 entwickelt u inzwischen patentiert wurde. Das sind Jahre bevor Prof Heindl mit seiner Entwicklung begann.

    • Sehr geehrter Herr Clemens,

      ich hoffe sehr dass Sie meine Vergleiche zwischen Dr. Heindl’s Lageenergiespeicher und Ihren GPM-Modulen nicht ‚in den falschen Hals‘ bekommen haben. Dr. Heindl zielt mit seinem Konzept ja eher auf Langzeit-(=Saisonal-)Speicherung ab, während Gravity Power den Haupt-Nutzen der GPM-Module bei der Tages-Speicherung sehen, und daher eher mit Pumpspeicherwerken in Mitbewerb treten, jedoch mit den Vorteilen der dezentralen Anordnung.

      Es gibt leider keinerlei Informationen im Internet zur Historie der GPM-Module, von den vorhandenen Patenten von 2008 (!) höre ich hier zum ersten Mal. Mein Wissensstand war, dass Jim Fiske damals noch an Schwungradspeichern (Launchpoint LLC) arbeitete, ich hätte niemals vermutet dass seine Ideen bereits so alt sind ?

      Wie im Artikel erwähnt hoffe ich persönlich, dass sich die GPM-Module von Gravity Power und das Projekt von Dr. Heindl gegenseitig befruchten können. Mit unseren RK-Akkumulatoren werden beide sicher nicht in Mitbewerb treten, dazu sind unsere Energieinhalte (1 MWh) viel zu klein, und unser Zeitfenster (max. 10 h) zu begrenzt.

      Ich finde es stark, dass Sie persönlich hier kommentieren, hoffe aber auch dass Sie die generelle Berichterstattung über Ihr Verfahren als positiv und fördernd empfunden haben, das war zumindest meine Absicht 🙂 ….

      mfG

      C. Wiesner
      ROTOKINETIK UG (in Gründung)

      • Martin Clemens

        Sehr geehrter Herr Wiesner,
        Ihre Vergleiche mit Prof Heindls Lageenergiespeicher sind absolut naheliegend und gehören auch in diesen Artikel. Ich wollte nur den Hinweis auf die Steinsägen richtigstellen.
        Das Patent existiert übrigens nicht seit 2008. Nach meiner Kenntnis wurde es 2008 angemeldet und dann am 1.5.2012 erteilt.
        Natürlich haben wir uns über Ihre Berichterstattung gefreut und hoffen auf mehr!
        MfG

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