@inproceedings{MuellerLeimbach2023, author = {M{\"u}ller-Leimbach, Peter}, title = {Auslegung \& Betrachtung der Wirtschaftlichkeit eines Solarkollektorfeldes und einer W{\"a}rmed{\"a}mmung f{\"u}r den St{\"u}lpmembranspeicher}, doi = {10.34646/thn/ohmdok-1247}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:92-opus4-12471}, pages = {3 -- 20}, year = {2023}, abstract = {Bei dem St{\"u}lpmembranspeicher handelt es sich um einen Speicher, der Energie sowohl in Form von W{\"a}rme als auch potenzieller Energie speichert. Das Grundprinzip ist ein mit Wasser gef{\"u}llter Zylinder, in dem sich ein Bodenmasse-Kolben nach oben und unten bewegen kann. Bei Strom{\"u}berschuss im Netz wird der Kolben mithilfe einer Pumpe vom Wasser angehoben. Besteht ein Stromdefizit im Netz, kann der Kolben abgesenkt werden, das herausstr{\"o}mende Wasser wird durch eine Turbine mit Generator geleitet. Mit dem vorhandenen Wasser l{\"a}sst sich ebenso W{\"a}rme speichern. Dazu wird Wasser außerhalb des Speichers erw{\"a}rmt und in den Speicher gespeist, gleichzeitig wird kaltes Wasser der selben Menge entnommen. Bei W{\"a}rmebedarf kann nun das warme Wasser entzogen werden. Die Erw{\"a}rmung des Wassers erfolgt regenerativ {\"u}ber Solarkollektoren, deren Auswahl und ben{\"o}tigte Anzahl in dieser Arbeit er{\"o}rtert wird. Zudem ben{\"o}tigt der Speicher eine D{\"a}mmung, um W{\"a}rmeverluste zu verringern. Dies wird ebenso in der vorliegenden Arbeit behandelt. Beide Bereiche werden hinsichtlich ihrer Kosten betrachtet.}, subject = {Erneuerbare Energien}, language = {de} } @inproceedings{Neubauer2023, author = {Neubauer, Nicolai}, title = {Einbau und Befestigung der St{\"u}lpmembran des St{\"u}lpmembranspeichers}, doi = {10.34646/thn/ohmdok-1246}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:92-opus4-12461}, pages = {1 -- 26}, year = {2023}, abstract = {In Zeiten der Klimakrise ist die Umstellung auf regenerative sowie erneuerbare Energieformen unausweichlich. Dabei stellen bereits jetzt Energieanlagen wie Windkraftr{\"a}der oder Photovoltaikanlagen eine gute Alternative zu konventionellen Anlagen dar. So stehen der Wind und die Sonnenstrahlung kostenlos zur Verf{\"u}gung und deren Gebrauch weist kaum Nachteile f{\"u}r die Umwelt auf. Dennoch haben beide Ressourcen ein großes Manko auf: deren Verf{\"u}gbarkeit. W{\"a}hrend Kohle und {\"O}l zu jeder Tages- und Nachtzeit bedarfsorientiert verbrannt werden kann, besteht keinerlei M{\"o}glichkeit, die Sonne auch in der Nacht zum Strahlen „zu bewegen". Dagegen scheint die Sonne am Tage oft so zuverl{\"a}ssig, dass daraus mehr Energie in elektrischen Strom umgewandelt werden kann, als eigentlich ben{\"o}tigt wird. {\"A}hnliches gilt f{\"u}r den Wind, der zu jeder Tages- und Nachtzeit wehen kann. Doch auch der Wind richtet sich dabei nicht nach dem Energiebedarf der Bev{\"o}lkerung. Um {\"u}bersch{\"u}ssige Energien dennoch speichern und bei Bedarf schnell und unkompliziert abrufen zu k{\"o}nnen, existieren viele Arten von Energiespeichern. So gibt es neben elektrischen Speichern (z.B. Lithium-Ionen-Akkus) und chemischen Speichern (z.B. Wasserstoffspeicher) auch mechanische Speicher (z.B. Pumpspeicher). Eine Art der mechanischen Energiespeicherung stellt der St{\"u}lpmembranspeicher dar.}, subject = {Erneuerbare Energien}, language = {de} } @inproceedings{Lampe2023, author = {Lampe, Franz}, title = {Herstellung der St{\"u}lpmembran eines St{\"u}lpmembranspeicher}, doi = {10.34646/thn/ohmdok-1244}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:92-opus4-12447}, year = {2023}, abstract = {Als Einstieg in die Technologie der St{\"u}lpmembranspeicher soll im bayrischen Haßfurt ein Demonstrator dieses Systems errichtet werden. Es sollen Nachweise {\"u}ber die Funktionsf{\"a}higkeit sowie die Herstellbarkeit des St{\"u}lpmembranspeichers erbracht werden und so der Weg zu einem System in industriellem Maßstab geebnet werden. Im Rahmen des Projekts Energietechnik im sechsten Semester des Bachelor-studiengang Maschinenbau in der Vertiefungsrichtung Energietechnik an der technischen Hochschule N{\"u}rnberg galt es Umsetzungsvorschl{\"a}ge und Kostenabsch{\"a}tzungen f{\"u}r den konkreten Bau eines Demonstrators zu erarbeiten. Im Zuge dieser Arbeiten wurden folgende Teilbereiche des Systems getrennt betrachtet: Die Baumaßnahmen zur Errichtung der Grundstruktur behandelte Herr Anton Wolf (Wolf, 2023). Herr Julian Schmitt untersuchte eine geeignete Platzierung und den Einbau der Aggregate, Rohrleitungen und Str{\"o}mungsf{\"u}hrung des Systems (Schmitt, 2023). M{\"o}glichkeiten f{\"u}r Einbau und Befestigung der Membran innerhalb des Speichers untersuchte Herr Nicolai Neubauer (Neubauer, 2023). Untersuchungen zur Stromspeicherung und W{\"a}rmebewirtschaftung des Speichers t{\"a}tigte Herr Rami Haider (Haider, 2023). Weiterf{\"u}hrend erfolgte die Auslegung der W{\"a}rmed{\"a}mmung des Speichers sowie einem Solarkollektorfeld durch Herrn Peter M{\"u}ller-Leimbach (M{\"u}ller-Leimbach, 2023). Gegenstand des folgenden Berichts wird ausschließlich die Herstellung der St{\"u}lpmembran des Speichers sein. Sie bildet das Herzst{\"u}ck dieser neuen Technologie und ist als kritisches Bauteil f{\"u}r die Funktionsf{\"a}higkeit und damit die Daseinsberechtigung eines St{\"u}lpmembranspeichers zu verstehen. Nach heutigem Stand existiert eine Membran in einem solchen Anwendungsfall nicht und wurde auch noch nie versucht herzustellen. Es sind also zun{\"a}chst M{\"o}glichkeiten zur Herstellung auszuloten und ein neues Herstellungsverfahren zu entwickeln. Langzeitverhalten von Material und Verbindungen zum restlichen Speicher w{\"a}hrend des Betriebs sind nicht untersucht und f{\"u}r den konkreten Anwendungsfalls weitestgehend unerforscht. F{\"u}r {\"a}hnliche Belastungsf{\"a}lle kann Jedoch auf umfassende Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Bereich der Textilf{\"o}rdergurte in Bergbau- sowie Lebensmittelindustrie zur{\"u}ckgegriffen werden. Als Partner steht hier der Leiter der R\&D Engineered Products for Conveying Solutions der Research \& Development Abteilung des Sektors ContiTech der Continental Group zur Verf{\"u}gung. Es ist denkbar, auf Basis bestehender Produkte der ContiTech Conveyor Belt Group aufzubauen und so eine Membran herzustellen, die sich langfristig f{\"u}r das spezielle Biege- und Dehnungsverhalten eignet. Im Verlauf des Berichts wird zun{\"a}chst die Funktionsweise des St{\"u}lpmembranspeichers erkl{\"a}rt. Daraus werden die Aufgaben abgeleitet, welche der Membran selbst zu Teil werden. F{\"u}r die vorgegebenen Dimensionen und Eckdaten des Demonstrators werden Belastungsberechnungen durchgef{\"u}hrt und so die Belastungen im Anwendungsfall bestimmt. Ebenfalls werden sonstige Umwelteinfl{\"u}sse, denen die Membran ausgesetzt ist, festgehalten. Einleitung 9 Anschließend wird der Aufbau einer geeigneten Membran erkl{\"a}rt und ein geeignetes Fertigungsverfahren beschrieben. Abschließend folgt eine kurze Kosten{\"u}bersicht sowie Prognose, wie mit der Entwicklung der Membran weiter zu verfahren w{\"a}re. Der Demonstrator, f{\"u}r den in diesem Bericht die St{\"u}lpmembran konzipiert wird, besitzt folgende relevante Dimensionen und Eckdaten: Der Kolben hat eine L{\"a}nge von 10 Metern und misst 10 Meter im Durchmesser. Der Ringspalt zwischen Kolben und Speicherinnenwand betr{\"a}gt 0,26 Meter. Im Verlauf des Be- und Entladens soll der Kolben um 10 Meter angehoben werden k{\"o}nnen. Der Kolben wird aus Stahlbeton mit einer Dichte von 2,24 !" gefertigt. Die St{\"u}lpmembran wird aus textilverst{\"a}rkten F{\"o}rdergurtst{\"u}cken gefertigt, die l{\"a}ngs aneinander vulkanisiert werden. Die Skizze in Abb.1 dient zur Veranschaulichung dieses Prozesses. Aus den Anforderungen f{\"u}r Kolbenhub und Ringspaltbreite ergibt sich mit einer Zul{\"a}ngung von 0,7 Metern jeweils am Ende der Membran eine Gesamtl{\"a}nge von sieben Metern. F{\"u}r die Planung der Fertigung ist von zwei Meter breiten F{\"o}rdergurt-elementen auszugehen. Dies ist weiteren Anforderungen an die Membran geschuldet, welche im Verlauf des Berichts ersichtlich werden.}, subject = {Energiespeicher}, language = {de} } @inproceedings{Schmitt2023, author = {Schmitt, Julian}, title = {Platzierung und Einbau der Aggregate, Rohrleitungen und Str{\"o}mungsf{\"u}hrungen am St{\"u}lpmembranspeicher Demonstrator-System}, doi = {10.34646/thn/ohmdok-1243}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:92-opus4-12432}, pages = {II -- 16}, year = {2023}, abstract = {Durch den fortschreitenden Klimawandel mit seinen verheerenden Folgen f{\"u}r Mensch, Natur und Umwelt ist es von Bedeutung ein Umdenken in der Energiegewinnung der Zukunft und Gegenwart anzustreben. Unsere derzeitigen Energietr{\"a}ger welche Anteile am Prim{\"a}renergiebedarf in Deutschland haben, bestehen noch zu großen Anteilen aus fossilen Quellen wie in Abb. 1 zu sehen ist. Dies muss umgehend durch deutlich gr{\"o}ßere Anteile an Erneuerbaren abgel{\"o}st werden [1]. Abbildung 1: Anteile verschiedener Energietr{\"a}ger am Prim{\"a}renergie-verbrauch in Deutschland im Jahr 2020 [1] Durch die Unvorhersehbarkeit und der ungeplanten Energiegewinnung aus Erneuerbaren Energietr{\"a}gern, sowie deren teilweise deutliche {\"U}berproduktion als der eigentliche Bedarf abverlangt, sind L{\"o}sungen zur Energiespeicherung notwendig. Somit ist eine der entscheidendsten Fragen der Zukunft »Wie k{\"o}nnen wir die {\"u}bersch{\"u}ssige Energie aus Erneuerbaren Quellen sinnvoll und mit so wenig Einfluss auf Natur und Umwelt wie m{\"o}glich speichern?« Die Debatte {\"u}ber die Energiewende ist in der Gesellschaft in aller Munde. Es wird jedoch oft nicht von der W{\"a}rmewende gesprochen, welche jedoch einen großen Teil zur notwendigen Energiewende beitr{\"a}gt. Somit ist klar, ohne die W{\"a}rmewende kann auch keine Energiewende vollzogen werden! Weshalb es auch hier von großer Relevanz ist, sinnvolle Speicherkonzepte in der Zukunft entstehen zu lassen. Eines dieser W{\"a}rmespeicherkonzepte w{\"a}re Teil des St{\"u}lp-membranspeichers, bei den riesigen Wassermassen zur Stromspeicherung {\"u}ber Lageenergie verwendet werden, jedoch gleichzeitig mit seiner guten Speicherkapazit{\"a}t als thermischer Speicher dienen. Dieses ganzheitliche Konzept zur Speicherung von Energie aus Erneuerbaren Quellen soll in folgendem Projektbericht, welcher Teil eines gesamten Projektes zum Bau eines St{\"u}lpmembranspeicher Demonstrator-Systems ist, teilweise aufgearbeitet werden. Einleitung 2 Das gesamte Projekt umfasst 6 Einzelbereiche. Beginnend mit den Tief- und Hochbauarbeiten f{\"u}r einen St{\"u}lpmembranspeicher-Demonstrator durch Herrn Anton Wolf [2]. Der Systemaufbau und die Aggregate zur Stromspeicherung und W{\"a}rmebewirtschaftung eines St{\"u}lpmembranspeichers wurden von Herrn Rami Haidar behandelt [3]. Die Herstellung der St{\"u}lpmembran eines St{\"u}lpmembranspeichers durch Herrn Franz Lampe sowie der Einbau und die Befestigung der St{\"u}lpmembran eines St{\"u}lpmembranspeichers durch Herrn Nicolai Neubauer [4] [5]. Zuletzt erfolgt durch Herrn Peter M{\"u}ller-Leimbach die Auslegung \& Betrachtung der Wirtschaftlichkeit eines Solarkollektorfeldes und einer W{\"a}rmed{\"a}mmung f{\"u}r den St{\"u}lpmembranspeicher [6].}, subject = {Energiewende}, language = {de} } @inproceedings{Haidar2023, author = {Haidar, Rami}, title = {Systemaufbau und Aggregate zur Stromspeicherung und W{\"a}rmebewirtschaftung eines St{\"u}lpmembranspeichers}, doi = {10.34646/thn/ohmdok-1241}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:92-opus4-12414}, pages = {II -- II}, year = {2023}, abstract = {Diese Arbeit untersucht den Aufbau und die Funktionsweise eines St{\"u}lpmembranspeichers, um darauf aufbauend die am besten geeigneten Pumpspeicheraggregate f{\"u}r den geplanten Demonstrator in Haßfurt auszuw{\"a}hlen. Die Analyse ergibt, dass angesichts der st{\"a}ndig variierenden Leistungsanforderungen Verdr{\"a}ngermaschinen Str{\"o}mungsmaschinen vorzuziehen sind. Insbesondere zeichnen sich Axialkolbenmaschinen durch ihre hohe Flexibilit{\"a}t und ihren hohen Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Verdr{\"a}ngermaschinen aus.}, subject = {Energiespeicher}, language = {de} } @inproceedings{Wolf2023, author = {Wolf, Anton}, title = {Tief- und Hochbauarbeiten f{\"u}r einen St{\"u}lpmembranspeicher-Demonstrator}, doi = {10.34646/thn/ohmdok-1242}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:92-opus4-12426}, pages = {1 -- 12}, year = {2023}, abstract = {Bei dem St{\"u}lpmembranspeicher (Abbildung 1) handelt es sich um einen Speicher der Energie sowohl in Form von W{\"a}rme und potenzieller Energie speichert. (Vergl. Abbildung 1: Grundaufbau des Speichers) Grundprinzip ist ein mit Wasser gef{\"u}llter Zylinder, in dem sich ein Bodenmasse-Kolben nach oben und unten bewegen kann. Der Kolben ist mit einer St{\"u}lpmembran an der Zylinderwand befestigt und diese trennt zudem den Zylinder in zwei Kammern auf. Eine oberhalb des Kolbens und eine unterhalb. Durch Pumpen von Wasser von der oberen in die untere Kammer erfolgt dort eine Druckerh{\"o}hung, die zu einem Anheben des Kolbens f{\"u}hrt. Dies erfolgt bei Energie{\"u}berschuss im Stromnetz. Bei Stromdefizit kann der Kolben abgesenkt werden und die Energie kann mittels einer Turbine aus der Wasserstr{\"o}mung von der unteren in die obere Kammer entnommen werden. Die W{\"a}rmenutzung erfolgt durch Einspeisung von warmem Wasser aus einem Fernw{\"a}rmenetz in die obere Kammer des Kolbens. Durch den Dichteunterschied von warmen zu kaltem Wasser entsteht eine Schichtung des Wassers mit der w{\"a}rmsten Schicht ganz oben im Zylinder. Da das Wasservolumen im Zylinder gleichbleiben soll, wird genauso viel kaltes Wasser am unteren Ende des Zylinders entnommen, wie warmes Wasser oben eingespeist wird. Um ein ungewolltes Absenken des Kolbens zu vermeiden, wird die gleiche Menge Wasser wie eingespeist wird von der oberen in die untere Kammer gepumpt. Bei Entnahme der W{\"a}rme funktioniert dieser Mechanismus in umgekehrter Reihenfolge. Das kalte Wasser wird am unteren Ende des Zylinders eingespeist, die gleiche Menge wird {\"u}ber eine Transferleitung von der unteren in die obere Kammer gepumpt und wieder die gleiche Menge wird am oberen Ende des Zylinders in das Fernw{\"a}rmenetz eingespeist. Die vollst{\"a}ndige Auslegung wurde in 6 Teilbereiche aufgeteilt. Im Nachfolgenden Bericht wird ausschließlich auf die Baulichen Aspekte f{\"u}r den Zylinder, Kolben und die allgemeine Grundstruktur eingegangen. Die Maßnahmen zum Systemaufbau und Aggregate zur Stromspeicherung sowie W{\"a}rmebewirtschaftung behandelte Herr Rami Haidar[7], die Platzierung und Einbau der Aggregate, Rohrleitungen und Str{\"o}mungs-f{\"u}hrung Herr Julian Schmitt [11] , die Herstellung der St{\"u}lpmembran Herr Franz Lampe [8], den Einbau und die Befestigung der St{\"u}lpmembran Herr Nikolai Neubauer [10] und die W{\"a}rmed{\"a}mmung und die Auslegung eines Solarkollektorfeldes zur W{\"a}rmeversorgung angeschlossener Wohngeb{\"a}ude Herr Peter M{\"u}ller-Leimbach [9].}, subject = {Energiespeicher}, language = {de} }