Solaranlagen und Produkte der Vormonate:

Sicherung der regionalen Stromversorgung aus erneuerbaren Energiequellen durch Hubspeicherkraftwerke

von Werner Rau
03.03.2010

1. Einleitung
Regenerative Energien, neue Verbraucher (Autos, Klimaanlagen) und der zunehmend weiträumige Transport von Strom (z.B. Windenergie von der Küste ins Binnenland) stellen immer höhere Anforderungen an die Stromnetze in Europa. Angebotsspitzen bei Starkwind oder hoher Solarstrahlung sollen möglichst effizient über mehrere Stunden in die Zeiten hoher Stromnachfrage verschoben werden. Außerdem stellt die steigende Anzahl nicht koordinierter Erzeuger erhöhte Anforderungen an die Stabilisierung der Stromnetze.
Solar-Anlage des Monats als PDF-Dokument

Werner Rau, Diplom-Physiker
Skizze eines Hubspeicher-Kraftwerks
Skizze eines Hubspeicher-Kraftwerks
Diplom-Physiker Werner Rau: Hubspeicher-Kraftwerke können auf vielfältige Weise mit verfügbarer Technik entwickelt und errichtet werden und ermöglichen einen hohen energetischen Wirkungsgrad.

In der Rubrik "Solar-Anlage" des Monats plädiert Werner Rau, Diplom-Physiker aus Keltern auf dem Solarserver für eine zur regionalen Energiespeicherung besonders geeignete Technik: Hubspeicherkraftwerke. "Hubspeicher-Kraftwerke können Solar- und Windstrom speichern. Sie helfen damit, Angebotsspitzen der Stromerzeugung in die Zeiten hoher Stromnachfrage zu verlagern. Ebenso wie Pumpspeicherkraftwerke können Hubspeicher- Kraftwerke auch zur Stabilisierung der Stromnetze eingesetzt werden", betont Rau. Seit acht Jahren setzt sich der Initiator und Betreiber mehrerer Bürger-Solarstromanlagen aktiv für die Nutzung erneuerbarer Energien ein. Sein aktuelles Engagement konzentriert sich auf die Entwicklung von Hubspeicher-Kraftwerken. Dafür sucht er noch Kooperationspartner und Sponsoren.

Pumpspeicherkraftwerke sind derzeit die einzige großtechnische Lösung, die die genannten Anforderungen wirtschaftlich erfüllen1. Das älteste deutsche Pumpspeicher Kraftwerk Herdecke hat z.B. ein Speichervermögen von 600 MWh bei einer Nennleistung von 150 MW. Neue Pumpspeicher-Kraftwerke sind jedoch an das Vorkommen von Wasser bei ausreichenden Höhenunterschieden gebunden und sehr aufwendig zu planen und zu bauen. Der weitere Ausbau ist z.B. aufgrund von Umweltauflagen in Deutschland kaum noch möglich. Die Errichtung des größten deutschen Pumpspeicherkraftwerks Goldistal hat von der Planung bis zur Fertigstellung 30 Jahre gedauert.

2. Das Prinzip
Hubspeicher-Kraftwerke nutzen die potentielle Energie der Schwerkraft, die durch die Gleichung Epot = m * g* h beschrieben ist. (m = Masse in kg, g = Erdbeschleunigung 9,81 m/sec2, h = Hubhöhe in m). Wird eine Masse von 1kg um 1 m angehoben, so ist eine Arbeit von 9,81 Nm zu verrichten, das entspricht einer potenziellen Energie von 9,81 Ws. Zur Vereinfachung werden nachfolgend 10Ws je kg * m Hub angenommen.

Modell eines Hubspeicherkraftwerks
Abb. 1: Modell eines Hubspeicherkraftwerks

Die potentielle Energie treibt seit Jahrhunderten Wasserräder oder die heute gebräuchlichen Pumpspeicher-Kraftwerke an. Hubspeicherkraftwerke ersetzen lediglich den Masseträger Wasser, der bei den Pumpspeicher Kraftwerken zur Speicherung des Stroms in einen höher gelegenen Stausee gepumpt wird, durch beliebige schwere Masseträger (z.B. Gestein, Beton, Eisen). Die Speicherung elektrischer Energie mit der Hilfe von festen Masseträgern erfordert Hubvorrichtungen, die ein hohes Produkt m * h kostengünstig realisieren.

Ein Modell demonstriert die Speicherung von Solarstrom mit der Hilfe von Seilwinden2. Das Bild zeigt ein Trägerportal, auf das eine kleine Seilwinde montiert ist. Ein 12V DC Getriebemotor nutzt die Energie des Solarmoduls und hebt den Masseträger von 8 kg 1,5 m hoch. In der Abenddämmerung treibt das Gewicht  den DC Motor in entgegen gesetzter Richtung an und erzeugt eine Minute lang eine Leistung von 1W, ausreichend um 20 Leuchtdioden zu betreiben.

Das gezeigte Modell lässt sich zu einer preisgünstigen Beleuchtungseinheit für Haushalte in ländlichen Regionen der Entwicklungsländer erweitern. Wird ein Gewicht von 200 kg um 4m angehoben, so ist darin eine potentielle Energie von  ca. 8.000 Ws = 2,2 Wh gespeichert, ausreichend um 2 Stunden lang Licht zu erzeugen. Das Gewicht kann mit einer einfachen Seilwinde in 3 Minuten auch von Hand angehoben werden. Eine solche Beleuchtungseinheit kann für unter 100 EUR hergestellt werden, danach erspart sie dem Betreiber die Brennstoffkosten für eine Kerosinlampe und das Einatmen ungesunder Abgase.

Hubspeicherkraftwerke sind stark skalierbar. Eine Beispielrechnung veranschaulicht das Potenzial im großtechnischen Bereich: Ein Quader Schwerbeton mit den Kantelängen 3 x 4 x 10 Metern beinhaltet 120 m3, das entspricht dem Volumen von zwei Seecontainern und wiegt ca. 360 t. Der Betonquader speichert 100 kWh potentielle Energie wenn er um 100 m angehoben wird.

Durch die Multiplikation einer solchen Speicherzelle lassen sich beliebig große Speicher herstellen. In den heutigen Pumpspeicherkraftwerken werden oft mehrere Millionen Tonnen Wasser um bis zu 600m auf ein erhöhtes Niveau (oberer Stausee) angehoben. Der Hub von festen Masseträgern in gleicher Größenordnung kann mit der heutigen Technik nur durch die Modularisierung der festen Masseträger erreicht werden. In den nachfolgenden Ausführungen wird der Hub einer Masse von 360t um 100 m als technisch sinnvolle Einheit angenommen.

3. Technische Konzepte
3.1 Seilwindenhub auf Trägerportal
Hubspeicher mit Seilwindenhub auf der Basis eines Trägerportals Abb. 2: Hubspeicher mit Seilwindenhub auf der Basis eines Trägerportals (1: Gewicht, 2: fahrbare Seilwinde,
3: Trägerportal) 
      

Hubspeicher mit Seilwindenhub verwenden Seilwinden zum Anheben der Gewichte. Um die spezifischen Speicherkosten (EUR/kWh) zu reduzieren, werden von einer Seilwinde nacheinander mehrere Gewichte angehoben bzw. wieder abgesenkt. Das Trägerportal einer solchen Anlage ähnelt den Verladeeinrichtungen in Containerhäfen. Es kann je nach den örtlichen Gegebenheiten als Doppelwand, Grube,  Brücke ausgeformt sein. Dabei können bestehende Industriegebäude (z.B. Fabrikhallen, Kohlebunker) oder der Verlauf der vorhandenen Topografie (z.B. Steilwände in Steinbrüchen) genutzt werden, um zusätzlichen Landschaftsverbrauch zu vermeiden und die Baukosten zu reduzieren. Bei der Integration solcher Anlagen in Hochbauten  (z.B. Hochhäuser, Kühltürme, Windmühlen) können die Gewichte des Hubspeichers zur Stabilisierung des Bauwerks verwendet werden. 

Selbst in tiefen Gewässern sind solche Bauwerke möglich. Momentan werden schwimmende offshore- Windmühlen in tiefen Gewässern geplant, die von dem Gewicht der Plattform aufrecht gehalten werden. Absenkbare Gewichte könnten gleichzeitig einen Teil des erzeugten Windstroms speichern.

3.2 Seilwindenhub an Steilwand
Hubspeicherkraftwerk nutzt SteilwandAbb. 3 zeigt eine Steilwand z.B. in einem Steinbruch. Auf dem oberen Hubniveau werden zwei waagrechte Träger mit Schienen verlegt, auf denen eine Seilwinde fährt. Auf dem oberen und unteren Hubniveau befinden sich Ablageflächen, auf denen die Gewichte abgestellt und gestapelt werden.

Die Skizze veranschaulicht, wie Hubspeicher-Kraftwerke kostengünstig und bei geringem Platzbedarf in das Gelände integriert werden können.


Abb. 3: Hubspeicherkraftwerk nutzt Steilwand
(1: Geländeformation mit Steilwand, 2: waagrechte
Träger mit Fahrweg 3: Pfeiler unterstützt Fahrweg,
4: Seilwinde 5: Gewicht)


Werden z.B. 5 Betonquader aufeinander gestapelt, können auf nur 1 Hektar Grundfläche ca. 500 solcher Gewichte angehoben und abgesenkt werden. Das entspricht einer Speicherkapazität von 50 MWh.

Die gezeigte Anordnung hat gegenüber freistehenden Trägerportalen den Vorteil, dass nur geringe Windlasten auf das Bauwerk einwirken. In vielen Fällen können die Baukosten dadurch optimiert werden, dass die Abbrucharbeiten in einem Steinbruch das Gelände für die spätere Nutzung vorbereiten.

3.3 Kettenhub
Hubspeicher mit KettenhubAbb. 4 zeigt ein Kettenförderband, das an einer Steilwand (z.B. in einem Steinbruch, Bergwerksschacht) errichtet wird. Die Lagerplätze am unteren und oberen Ende des Kettenhubs sind horizontal ausgebildet und mit Schienen belegt. Sie können aus einer oder mehreren Ebenen bestehen. Die Gewichte sind als Zylinder ausgebildet, die auf  den Schienen mit geringem Energieaufwand horizontal gerollt werden können. Übergabevorrichtungen auf jeder Ebene hängen die Gewichte in den Kettenhub ein oder rollen die Gewichte vom Kettenhub herunter auf den Lagerplatz.
Abb. 4: Hubspeicher mit Kettenhub
(1 Kettenzug, 6,7 unterer und oberer Speicherplatz,
8 Gewicht als Zylinder ausgebildet, 10 Übergabevorrichtungen,
11 Gelände mit Steilwand, 12 Hubhöhe)


Die Gewichte können z.B. aus Stahlrohren gefertigt werden, die mit Schwerbeton ausgefüllt sind. Damit lässt sich ein spezifisches Gewicht von ca. 4t/m3  erreichen. Ein Zylinder mit einem Durchmesser von 4 m und einer Länge von 7 m wiegt wiederum 360 t. Auf einer Schienenlänge von 200m können 50 Gewichte gelagert werden. Bei einem Hub von 100 m enthält der Speicher eine potentielle Energie von 5MWh.

Hubspeicher mit Kettenhub können ohne Verholzeiten kontinuierlich betrieben werden. Wahlweise können die Gewichte auch quaderförmig ausgebildet sein und auf Rollenbahnen oder Rädern energiearm horizontal bewegt werden.

3.4 Zahnradhub
Hubspeicher mit ZahnradhubHubspeicher mit Zahnradhub werden zwischen hohen Wänden errichtet. Der Masseträger ruht auf einem Hubwagen, der durch Elektromotoren/Generatoren angetrieben an Zahnschienen aufwärts und abwärts fährt. Ein Gewicht von 360 t speichert in einem Bergwerksschacht von 1.000 m Tiefe eine potentielle Energie von 1 MWh.

Hubspeicher mit Zahnradhub  haben den Vorteil, dass mehrere Hubwagen übereinander angeordnet werden können. Werden z.B. 10 Hubwagen in den Bergwerkschacht eingesetzt, entsteht ein Speicher mit einem Inhalt von 10 MWh. Je nach Leistungsanforderung können die Hubwagen einzeln oder gleichzeitig angehoben bzw. abgesenkt werden. Zusätzlich können die Hubwagen auch so gestaltet werden, dass sie oben und unten seitlich aus dem Schacht herausgefahren werden können.
Abb. 5: Hubspeicher mit Zahnradhub
(1: Gewicht (Masseträger) 3: Hubwagen mit
Zahnrädern, Getriebe und Elektromotor/Generator
4: Zahnstange, 5: Stützwände, 6: Fundament
7: Hubhöhe, 8: Stromnetz)


Diese Bauweise würde dem Konzept eines Pumpspeicherkraftwerks sehr nahe kommen. Anstatt des Wassers werden die festen Masseträger auf der oberen bzw. unteren Hubebene horizontal verteilt.

3.5 Fahrzeughub
Hubspeicher mit FahrzeughubEine Gleisanlage besteht aus 2 Gleisen, die im Tal und auf der Anhöhe in einen Bahnhof münden. Beim Entladen des Speichers fahren mit Gewichten beladene Unterflurfahrzeuge bergab und speisen den  erzeugten  Strom in das Netz zurück.

Abb. 6: Hubspeicher mit Fahrzeughub
(1: Gleisanlage, 2: Unterflurfahrzeug, 3: Gewicht (Masseträger), 4: Hubhöhe
5: Anschluss an Stromnetz, 6: Stromnetz 7: Ablagen für Gewichte)


Gleichzeitig fahren leere Fahrzeuge bergauf, um weitere Gewichte zu holen. Im oberen und unteren Bahnhofsbereich befinden sich Stützmauern und Vorrichtungen, auf denen die Gewichte abgelegt werden. Es wird wieder ein Gewicht von 360 t angenommen. Hat die Steigung eine Höhe von z.B. 300m, so speichert jedes angehobene Gewicht 300kWh. 340 Gewichte reichen aus, um 100 MWh potentielle Energie zu speichern. Bei einer Steigung von 10% beträgt die Länge der Gleise zwischen den Bahnhöfen 3 km. Je nach Leistungsanforderung können ein oder mehrere beladene Fahrzeuge gleichzeitig bergauf bzw. bergab fahren.

Hubspeicher-Kraftwerke mit Fahrzeughub können in jedem Gelände mit ausreichendem Höhenunter-schied errichtet werden. Die Gleisanlage kann oberirdisch oder auch in einem Tunnel verlegt werden. Die Gruben des Braunkohleabbaus sind bis zu 400m tief und könnten einer zweiten Nutzung zugeführt werden.

3.6 Hydraulikhub
Hubspeicher mit HydraulikhubAbbildung 7 zeigt zwei Hydraulikzylinder, in denen die Hydraulikkolben, auf denen die Masseträger ruhen, mit der Hilfe eines Elektromotors und einer Umkehrturbine angehoben werden. Beim Entladen des Hubspeichers pressen die Gewichte die Hydraulikflüssigkeit (z.B. Wasser) zurück durch die Umkehrturbine, die jetzt den Stromgenerator antreibt.

Abb. 7: Hubspeicher mit Hydraulikhub
(1: Gewicht (Masseträger), 2: Hydraulikzylinder, 3: Hydraulikkolben mit Schaft
4/8: Elektromotor/Generator, 5/7: Umkehrturbine, 6: Druckrohre mit Ventilen
10: Stromnetz, 11: Fundament)


Die Hydraulikzylinder werden über Druckrohre und die Ventile einzeln oder gleichzeitig angefahren. Hydraulikzylinder von 20m Höhe und mit einer Tragkraft von 1800 t erscheinen  technisch machbar. Eine solche Zelle kann wiederum 100 kWh potentielle Energie aufnehmen. Das gezeigte technische Konzept kann aus vielen Hubzylindern bestehen und kommt dem eines Pumpspeicher-Kraftwerks wiederum sehr nahe.

Eine weitere Skalierung und Kosteneinsparung kann dadurch erreicht werden, dass einem Hydraulikzylinder mehrere Gewichte über je ein Gleis auf der oberen und unteren Hubebene zugeführt werden. Hubspeicher- Kraftwerke mit Hydraulikhub benötigen wenig Platz und können in jedem Industriegebiet errichtet werden.

4. Potential und Kosten
Die skizzierten Beispiele belegen, dass Hubspeicher-Kraftwerke auf vielfältige Weise mit verfügbarer Technik entwickelt und errichtet werden können. Alle geschilderten Konzepte stellen mechanische Vorrichtungen dar, die mit einem hohen energetischen Wirkungsgrad konstruiert werden können. Eine namhafte Firma gibt den Wirkungsgrad für den Hub Ihrer schweren Seilwinden mit 94% an. Der Gesamtwirkungsgrad von Pumpspeicher-Kraftwerken von bis zu 80% erscheint deshalb erreichbar.

Hubspeicher-Kraftwerke verlieren keine Energie bei einer Speicherung über lange Zeiträume.

Im Verbund mit Photovoltaikanlagen besitzt diese Technik die Fähigkeit, auch nachts, wenn die Sonne längst untergegangen ist, Strom zu erzeugen. Hubspeicherkraftwerke können z.B. in Wüstengebieten, die keinen Zugang zu öffentlichen Versorgungsnetzen haben, errichtet werden, um Solarstrom zu speichern. Im Vergleich zu solarthermischen Kraftwerken benötigt diese Technik kein Kühlwasser.

Im küstennahen Flachland können Hubspeicherkraftwerke überschüssigen Windstrom speichern.

Die tatsächlichen Anforderungen an die Energiespeicher werden in Zukunft sehr stark von dem Mix und den damit verbundenen Angebotsschwankungen der erneuerbaren Energieträger bestimmt. Es liegen keine Studien und Analysen vor, die die Kosten und die Wirtschaftlichkeit von Hubspeicher-Kraftwerken untersuchen. Die nachfolgende Kalkulation unterstellt behelfsweise, dass Hubspeicherkraftwerke und Pumpspeicher-Kraftwerke sich hinsichtlich Speicherinhalt, Leistung und Kosten ähnlich verhalten. Sie stellt einen ersten – sicherlich unzulänglichen - Versuch dar, das Potential und die Kosten von Hubspeicher-Kraftwerken zu veranschaulichen.

Staschus 3 gibt den Pumpstromverbrauch 2006  mit 9 TWh an. Im Tagesdurchschnitt sind das ca. 25 GWh. Hubspeicherkraftwerke können überall in der Bundesrepublik errichtet werden. Unterteilt man die Bundesrepublik gedanklich in 275 Regionen mit je 300.000 Einwohnern, so müssten in jeder Modellregion täglich  ca. 90 MWh  Speicherstrom erzeugt werden, um die Kapazität der Pumpspeicherkraftwerke  zu verdoppeln. Bei einem Wirkungsgrad von 90 % für die Rückgewinnung ist eine potentielle Energie i.H.v. ca. 100 MWh bereitzustellen. Bei einem Hub von 100m werden hierfür 1.000 Gewichte a 360t benötigt.

Die Leistung von Pumpspeicher-Kraftwerken ist so bemessen, dass sie Ihren Speicherinhalt in ca. 6 Stunden abgeben können. Übertragen auf das Hubspeicherkraftwerk einer Modellregion ist eine Nennleistung von ca. 15 MW je 300.000 Einwohner erforderlich. Diese Leistung kann z.B. von 30 Seilwinden-Generatoren mit einer Nennleistung von je 1 MW im Dauerbetrieb erzeugt werden. Jede Seilwinde müsste pro Tag 33 Gewichte anheben bzw. absenken. Die Dauer eines Hubs beträgt 6 Minuten.

Staiß4 gibt die spezifischen Investitionskosten für kleinste und mittlere Wasserkraftwerke zwischen 8.600 und 5.400 EUR/kW Leistung an. Bei dem größten Pumpspeicherkraftwerk Europas (Goldistal in Thüringen) sinken diese auf 600 EUR/kW Leistung. Aus diesen Angaben lassen sich die Kostendegression und die Stromgestehungskosten für Pumpspeicherkraftwerke abschätzen. Die Wirtschaftlichkeitsgrenze von 10 Cent/kWh wird bei einer Leistung von 15 MWh und spezifischen Investitionskosten in Höhe von ca. 2.300 EUR/kW Leistung erreicht. Sofern sich diese Annahmen auf Hubspeicherkraftwerke übertragen lassen, müsste jede Modellregion ca. 35 Mio EUR in den Bau von Hubspeicherkraftwerken investieren. Für die Bundesrepublik ergäbe sich ein Investitionsbedarf i.H.v. ca. 10 Milliarden EUR, um die Speicherkapazität der heutigen Pumpspeicherkraftwerke zu verdoppeln.


5. Zusammenfassung
Hubspeicher-Kraftwerke sind technisch machbar und können in virtuellen Kraftwerken einen wichtigen Anteil der benötigten Speicherenergie aufnehmen und bereitstellen. Sie können die lokalen Gegebenheiten (steile Abhänge, Steinbrüche, Bergwerkschächte, Industriegebiete, hohe Bauwerke usw.) optimal nutzen und oft einen Zusatznutzen mit anderen Bauwerken erwirtschaften. Sie können die Verbreitung der Erneuerbaren Energien (Wind, Sonne) und eine regional ausgerichtete Energieversorgung unterstützen.

Hubspeicherkraftwerke sind als Forschungsobjekt zu etablieren. Die Speicherung elektrischer Energie mit Hilfe der Schwerkraft fester Masseträger wird derzeit nicht untersucht. Folgende Fragen sind zu beantworten:

  • Welcher Speicherbedarf (Leistung und Inhalt) wird tatsächlich benötigt?
  • Welcher Wirkungsgrad und Leistung können bei verschiedenen technischen Konzepten erreicht werden?
  • Wie schnell können die Hubvorrichtungen angefahren werden?
  • Wo liegen die Kostenoptima der Hubvorrichtungen hinsichtlich Hubleistung und Hubhöhe?
  • Wie hoch sind die tatsächlichen Investitionskosten?

Pumpspeicherkraftwerke werden in Deutschland fast ausschließlich von den großen Energieversorgern, die in vier Zonen Regelenergie bereitstellen, betrieben. Die Erforschung und der Betrieb von Hubspeicherkraftwerken erfordern politische Rahmenbedingungen, die eine Teilnahme regionaler Anbieter ermöglicht. Die Vergütung des für den Spitzenbedarf erzeugten Stroms sollte im Erneuerbare- Energien-Gesetz verankert werden.

Literatur:
1) ETG Task Force Energiespeicher, Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energien, Energietechnische Gesellschaft im VDE (ETG)
2) Rau Werner, Hubspeicher-Modell speichert Solarstrom, VDE-ETG Mitgliederinformation Jul 2009, S 29
3) Staschus Konstantin und Wegner Bernd, Elektrizitätswirtschaft, Das Energie Fachmagazin BWK 4/2007 Seiten 114 ff
4) Staiß, Frithjof: Wasserkraft, Jahrbuch Erneuerbare Energien 2007 Teil II Seiten 70 ff, Stiftung Energieforschung BW im Bieberstein Verlag

Kontakt
www.hubspeicher.de
Tel:  07236 980227,  
eMail:  hubspeicher@t-online.de
Dipl. Phys. Werner Rau, Jahrgang 1941 studierte an den Universitäten Marburg und am Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg Physik. Nach seinem Studium war er über 30 Jahre in der freien Wirtschaft in leitenden Positionen  der kommerziellen Datenverarbeitung tätig. Seit der Pensionierung beschäftigt sich der Autor mit den Themen Erneuerbare Energien und Energiewende. Der Autor ist Initiator und Geschäftsführer mehrerer Bürger-Solaranlagen.

Technischer Hinweis
obige Bilder und ein Bild des Autors im .jpg Format können unter der eMail Anschrift des Autors angefordert werden. Eine vor Ort Demonstration des gezeigten Modells kann mit dem Autor vereinbart werden. Die gezeigten Konzepte sind zum Patent angemeldet.

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