Hubspeicherkraftwerk

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Ein Hubspeicherkraftwerk, auch Lageenergiespeicherkraftwerk, ist ein Typ von Speicherkraftwerk, in dem elektrische Energie in Form von potentieller Energie (Lageenergie) zwischengespeichert wird. Üblicherweise wird der Begriff nur verwendet, wenn hierbei ein Festkörper als Speichermasse dient. Wasserspeicherkraftwerke, insbesondere Pumpspeicherkraftwerke, die flüssiges Wasser als Speichermasse nutzen, fallen nicht unter den Begriff, obwohl sie ebenfalls Lageenergie speichern.

Stand der Entwicklung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Obwohl die physikalischen Grundlagen sehr einfach und auch die erforderlichen Techniken aus anderen Anwendungen im kleineren Maßstab hinreichend erprobt und bewährt sind, befindet sich das Konzept eines großtechnischen Hubspeicherkraftwerkes, das hinsichtlich Leistung und Speicherkapazität mit anderen Speicherkraftwerkstypen konkurrieren kann, noch in der Konzeptphase. Es gibt diverse Ideen, Erfindungen und Patentanmeldungen[1][2][3][4][5] und auch Forschungsvorhaben[6]. Einen Prototyp hat die Universität Innsbruck (UIBK) gebaut, ein weiterer ist im Entstehen.[7]

Potential und Wirtschaftlichkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Volumen eines Körpers und damit auch dessen Masse verändern sich in der dritten Potenz seiner Abmessungen (Beispiel: bei zehnfacher Kantenlänge vertausendfacht sich die Masse eines Würfels), während die Kosten der Hebetechnik in der Regel linear skalierbar sind. Hubspeicher mit kleinen Massen sind daher unverhältnismäßig teuer und können mit anderen Speicherkonzepten wie etwa Akkumulatoren kaum konkurrieren. So ergibt sich beispielsweise für einen Block von 1 Kubikmeter Volumen, der aus massivem Stahl besteht (Dichte 7,85 t/m³) und der 500 Meter in die Höhe gehoben wird, eine Energiespeicherung von rund 10,7 Kilowattstunden, was dem Energiegehalt von ca. 10 Kraftfahrzeug-Starterbatterien entspricht. Bei sehr großen Massen hingegen wären Hubspeicher nach Abschätzung der Entwickler äußerst wirtschaftlich.

Physikalische Grundlagen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Lageenergie, die ein Hubspeicher aufnehmen kann, entspricht dem Produkt aus Masse, Erdbeschleunigung und Höhendifferenz. In Formeln ausgedrückt: Die gespeicherte Lageenergie beim Heben/Senken einer Speichermasse gegen die Erdbeschleunigung um eine Höhendifferenz berechnet sich vereinfacht als:

Kennt man das Volumen und die mittlere Dichte der Speichermasse, kann man die Masse ersetzen:

Technische Konzepte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Förderturm aus dem Bergbau (Schacht 371 des Bergbaubetriebes Aue, ehemals tiefstes Bergwerk Europas, Tiefe 1800 m; Leistung der Fördermaschine 2000 kVA)

Hebetechnik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In Betracht kommt jede Technik, die Gegenstände in vertikaler Richtung bewegt. Die Vertikalbewegung kann dabei lotrecht (senkrecht) wie etwa bei einem Aufzug oder schräg wie z. B. bei einer Zahnradbahn erfolgen.

Als Förderanlage sind grundsätzlich fast alle Bauformen denkbar, die auch in der Fördertechnik oder bei Transportfahrzeugen eingesetzt werden, wie etwa Drahtseile, Ketten, Zahnstangen, aber auch Hebelmechanismen und Gewindespindeln. Schräg können die Massen z. B. auf Schienen auf- und abwärts bewegt werden. Die bewegbaren Massen, egal ob Einzelgewichte oder Schüttgut, sind jedoch in all diesen Fällen verhältnismäßig klein.

Für große Massen eignen sich hydraulische Hebevorrichtungen, insb. mit Wasser als Hydraulikmedium. Das Heben großer Massen über beträchtliche Höhendifferenzen ist beispielsweise aus dem Bau von Schiffshebewerken erprobt. Die Rückwandlung der Lageenergie in elektrische Energie kann dann mittels konventioneller Turbinentechnik geschehen. Es entsteht eine Hybridform aus Hubspeicher- und Pumpspeicherkraftwerk. Der Vorteil gegenüber klassischen Pumpspeicherkraftwerken, die nur mit Wasser arbeiten, besteht darin, dass durch die höhere Dichte von Metallen oder Gestein gegenüber Wasser bei gleichem Volumen ein mehrfaches an Energie gespeichert werden kann. Der Wirkungsgrad wäre ähnlich gut wie bei Pumpspeicherkraftwerken (ca. 75-85 %).

Das Konzept Powertower (engl., dt. sinngemäß Energieturm) der Universität Innsbruck bezeichnet einen hydraulischen Energiespeicher, in dem in einem säulen-, schacht- bzw. turmartigen Aufbau schwere Zylinder nach oben gepumpt werden. Dabei treibt der durch ihren Druck entstehende Wasserstrom eine Turbine an. Als Wirkungsgrad werden „weit über 80 %“ angegeben; als Ziel eine Energiespeicherkapazität von einer Megawattstunde.[8][9] Vergleichbar mit diesem Konzept, allerdings in sehr viel größerer Dimension, ist der Entwurf des Lageenergiespeichers von Eduard Heindl mit einem geplanten Zylinder von ca. 65 m Radius und 130 m Höhe, welcher aus einem möglichst homogenen Felsen ausgesägt würde. Aus dieser Zylindergröße resultiert eine Speicherkapazität von etwa 500 Megawattstunden.[10]

Das Konzept Buoyant Energy (ebenfalls von der Universität Innsbruck) besteht aus hydraulischen, schwimmenden Offshore-Systemen zur Umwandlung und Speicherung elektrischer Energie. Kern der Idee ist „eine Art schwimmendes Pumpspeicherkraftwerk“. Wasser wird zwischen einem in einem großen Schwimmkörper (z. B. aus Stahl oder Beton) integrierten Reservoir und dem umgebenden See bzw. Ozean je nach energiewirtschaftlicher Erfordernis (Stromüberschuss / Stromnachfrage) hin und her bewegt. Die elektrische Energie wird dabei vollständig durch die potentielle Energie gespeichert.[11]

Ein noch in der Erprobung befindliches Konzept sind Kugelpumpspeicher. Diese sollen in der Nähe von Offshore-Windparks in >100 Meter Tiefe als Speicher und Puffer bei Verbrauchsschwankungen dienen.[12]

Energierückspeisung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der entscheidende Unterschied vom Hubspeicherkraftwerk zu normalen Förderanlagen ist die Tatsache, dass die gespeicherte Energie bei der Abwärtsbewegung nicht in einer konventionellen Bremse „vernichtet“ (d. h. in Wärme umgesetzt), sondern wieder in elektrische Energie zurückgewandelt wird. Diese Rückwandlung ist aus anderen Anwendungen erprobt und bewährt.

Bereits heute existieren z. B. Zahnradbahnen wie etwa die Zugspitzbahn, aber auch Aufzüge, welche bei der Abwärtsbewegung elektrische Energie erzeugen und ins Netz zurückspeisen. Dabei werden generatorische Bremsen (Rekuperationsbremsen) oder Frequenzumrichter[13][14] eingesetzt. Insofern handelt es sich bei diesen Anlagen bereits um Hubspeicher. Aus der physikalischen Wirkung entsteht ein Vorteil gegenüber anderen Speicherkraftwerken: Da die Gewichtskraft der Speichermasse annähernd unabhängig von der Höhe ist, ist die Leistung des Kraftwerkes unabhängig vom „Füllstand“. Zudem verlieren sie während der Standzeit keine Energie, und die Leistung ist jederzeit sehr schnell abrufbar; ein solches Speicherkraftwerk wäre deshalb auch als Notstromversorgung verwendbar. Begrenzend für die Startzeit und die Leistung des Kraftwerks ist die Baugröße des Generators und der resultierende Anlaufstrom bzw. die Rampe des vorgeschalteten Frequenzumrichters.

Aufstellungsort[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zur Maximierung der zur Verfügung stehenden Höhendifferenz, die direkt proportional in die Speicherkapazität des Kraftwerkes eingeht, wird häufig vorgeschlagen, Hubspeicher in abgeworfene Bergbauschächte zu integrieren.[1][2] Solche Schächte, die normalerweise mehrere hundert, oft sogar weit über tausend Meter Höhe bieten, haben zudem den Vorteil, dass teilweise die Infrastruktur der ehemals vorhandenen Schachtförderung genutzt werden kann. Fördermaschinen mit bis zu 6 MVA Leistung sind Stand der Technik,[15] auch Netzrückspeisung gab es vereinzelt schon früher, z. B. im Kaiser-Wilhelm-Schacht[16]

Alternativ zu unterirdischen Schächten würde auch eine Installation auf dem offenen Meer Hübe von mehreren hundert Metern oder im Bereich von Tiefseegebieten bis weit über tausend Meter erlauben.[1] Wegen der Wassertiefe müsste das Kraftwerk auf einem großen Schwimmkörper errichtet werden, dessen Auftrieb das Gewicht von Kraftwerk und Speichermasse trägt. Das effektive Gewicht der Speichermasse reduziert sich dann durch den Auftrieb des Wassers, was einerseits den erforderlichen Schwimmkörper, andererseits aber auch das Speichervolumen vermindert. Probleme entstünden, vergleichbar mit anderen schwimmenden Bauwerken wie etwa Halbtaucherbohrinseln, durch hohen Seegang, Wind, Meeresströmungen und sonstige Witterungseinflüsse sowie die erforderliche elektrische Verbindung zum Festland. Bei schwimmender Bauweise böte sich wegen Synergien die Kombination mit einer schwimmenden Windkraftanlage an.

filmische Dokumentationen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c Werner Rau: Hubspeicherkraftwerke - Hubspeicher nutzen die Schwerkraft. Abgerufen am 25. März 2011.
  2. a b Patent DE102007057323: Hubspeicherkraftwerk als besondere Form eines Speicherkraftwerkes, welches der Speicherung von elektrischer Energie durch Umwandlung in potentielle Energie einer Hubmasse dient. Veröffentlicht am 4. Juni 2009, Erfinder: Jürgen Pesch.
  3. Frank Escombe: LoganStone Energy Storage. Sure Insight, abgerufen am 29. März 2011 (englischsprachig).
  4. Patent DE102011012594: Offshore Hydraulischer Energiespeicher. Veröffentlicht am 30. August 2012, Erfinder: Robert Klar / Markus Aufleger.
  5. Patent KR20130100965: SYSTEM FOR STORING POTENTIAL ENERGY AND METHOD FOR PRODUCING SUCH A SYSTEM. Veröffentlicht am 12. September 2013, Erfinder: Eduard Heindl.
  6. Achim Gottscheber: Hubspeicherkraftwerk - eine Alternative zur Speicherung elektrischer Energie. SRH Hochschule Heidelberg, abgerufen am 25. März 2011.
  7. Markus Aufleger: Hydraulischer Energiespeicher. Abgerufen am 7. Mai 2015.
  8. powertower.eu
  9. Deutschlandfunk, Forschung Aktuell, 19. November 2013, Thomas Gith: deutschlandfunk.de: Neuer Speicher für Energie aus Windkraftwerken (21. November 2013)
  10. Eduard Heindl: Idee und Funktion eines sehr großen Lageenergiespeichers. Abgerufen am 22. Juli 2014.
  11. Robert Klar: Offshore Hydraulische Energiespeicher. Abgerufen am 17. Juni 2014.
  12. forschung-energiespeicher.info:
  13. Jürg Nipkow: Elektrizitätsverbrauch und Einspar-Potenziale bei Aufzügen. BFE-Programm Elektrizität, DIS-Projekt Nr. 101106, Schlussbericht November 2005. Hrsg.: Schweizerische Agentur für Energieeffizienz. Bundesamt für Energie (Volltext [PDF; 769 kB]).
  14. Industrie-Service Argauer (Hrsg.): Energierückspeisung, ein Umweltbeitrag, der sich bezahlt macht! (Online auf henning-gmbh.de [PDF]).
  15. Fördermaschinen und Schächte. RAG Mining Solutions, Februar 2011, abgerufen am 25. März 2011.
  16. Heinz - Rüdiger Lenk: Der Schacht Kaiser Wilhelm II. Abgerufen am 25. März 2011.