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Bei dem Stülpmembranspeicher (Abbildung 1) handelt es sich um einen Speicher der Energie sowohl in Form von Wärme und potenzieller Energie speichert. (Vergl. Abbildung 1: Grundaufbau des Speichers)
Grundprinzip ist ein mit Wasser gefüllter Zylinder, in dem sich ein Bodenmasse-Kolben nach oben und unten bewegen kann. Der Kolben ist mit einer Stülpmembran 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 Druckerhöhung, die zu einem Anheben des Kolbens führt. Dies erfolgt bei Energieüberschuss im Stromnetz. Bei Stromdefizit kann der Kolben abgesenkt werden und die Energie kann mittels einer Turbine aus der Wasserströmung von der unteren in die obere Kammer entnommen werden. Die Wärmenutzung erfolgt durch Einspeisung von warmem Wasser aus einem Fernwärmenetz in die obere Kammer des Kolbens. Durch den Dichteunterschied von warmen zu kaltem
Wasser entsteht eine Schichtung des Wassers mit der wärmsten 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 Wärme funktioniert dieser Mechanismus in umgekehrter Reihenfolge. Das kalte Wasser wird am unteren Ende des Zylinders eingespeist, die gleiche Menge wird über eine Transferleitung von der unteren in die obere Kammer gepumpt und wieder die gleiche Menge
wird am oberen Ende des Zylinders in das Fernwärmenetz eingespeist.
Die vollständige Auslegung wurde in 6 Teilbereiche aufgeteilt.
Im Nachfolgenden Bericht wird ausschließlich auf die Baulichen Aspekte für den Zylinder, Kolben und die allgemeine Grundstruktur eingegangen.
Die Maßnahmen zum Systemaufbau und Aggregate zur Stromspeicherung sowie Wärmebewirtschaftung behandelte Herr Rami Haidar[7], die Platzierung und Einbau der Aggregate, Rohrleitungen und Strömungs-führung Herr Julian Schmitt [11] , die Herstellung der Stülpmembran Herr Franz Lampe [8], den Einbau und die Befestigung der Stülpmembran Herr Nikolai Neubauer [10] und die Wärmedämmung und die Auslegung eines Solarkollektorfeldes zur Wärmeversorgung angeschlossener Wohngebäude Herr Peter Müller-Leimbach [9].
Das Ziel ist es einen funktionierenden Stromspeicher zu entwickeln der die Minderproduktion von Energie an wind- und sonnenenergiearmen Tagen ausgleicht. Über das Modell sollen sämtliche Aspekte der Funktionsweise dieses Stromspeichers überprüft werden und das Laden und Entladen des Stromspeichers simuliert werden.
Bei dem Stülpmembranspeicher handelt es sich um einen Speicher, der Energie sowohl in Form von Wärme als auch potenzieller Energie speichert. Das Grundprinzip ist ein mit Wasser gefüllter Zylinder, in dem sich ein Bodenmasse-Kolben nach oben und unten bewegen kann.
Bei Stromüberschuss im Netz wird der Kolben mithilfe einer Pumpe vom Wasser angehoben. Besteht ein Stromdefizit im Netz, kann der Kolben abgesenkt werden, das herausströmende Wasser wird durch eine Turbine mit Generator geleitet. Mit dem vorhandenen Wasser lässt sich ebenso Wärme speichern. Dazu wird Wasser außerhalb des Speichers erwärmt und in den Speicher gespeist, gleichzeitig wird kaltes Wasser der selben Menge entnommen. Bei Wärmebedarf kann nun das warme Wasser entzogen werden. Die Erwärmung des Wassers erfolgt regenerativ über Solarkollektoren, deren Auswahl und benötigte Anzahl in dieser Arbeit erörtert wird. Zudem benötigt der Speicher eine Dämmung, um Wärmeverluste zu verringern. Dies wird ebenso in der vorliegenden Arbeit behandelt. Beide Bereiche werden hinsichtlich ihrer Kosten betrachtet.
Das Projekt verläuft im Rahmen des Seminars Projekt Energietechnik des sechsten Semesters Maschinenbau an der TH Nürnberg. Ziel des Projekts ist es, eine Konzeptstudie zu erstellen, bei der das Nürnberger Stromversorgungsnetz hundertprozentig regenerativ versorgt werden kann. Bei vollkommener regenerativer Energieversorgung entsteht das Problem von Energiedefiziten aufgrund volatiler Wettererscheinungen. Um diesem Problem entgegen zu wirken wird die Speichertechnologie Power-to-Gas (PtG) als mögliche Lösung untersucht. Damit soll geklärt werden, welcher Bedarf für eine saisonale Energiespeicherung besteht. Hierfür werden die Wetter- und Energiedaten aus dem Jahr 2016 ausgewertet und im Zuge dessen lässt sich auf Versorgungsdefizite schließen, die in versorgungsschwachen Perioden bestehen. Aus diesem Versorgungsdefizit lässt sich der Speicherbedarf ermitteln, welcher durch diverse Speichertechnologien abgedeckt werden muss. Eine Option zur langfristigen Speicherung in großen Maßen könnten chemische Speicher sein, dabei müssen große Mengen an synthetisch hergestelltem Erdgas bzw. Wasserstoff produziert werden. Die Speicherverteilung wird im Vorfeld durch eine ökonomische Optimierung ermittelt, um so den Anteil der PtG-Technologie bestimmen zu können. Welches jährlich saisonale Energiedefizit herrscht und welche Energiemenge die PtG Methode abdecken muss, ist Bestandteil der Untersuchung dieser Projektarbeit.
Untersuchung des Potentials einer Power-to-Gas Anlage als m Rahmen des Energietechnikprojekts der Fakultät Maschinenbau der Technischen Hoch-schule Nürnberg wird das Ziel einer Senkung des CO2-Ausstoßes bis 2030 um 40% in der euro-päischen Metropolregion Nürnberg (EMN) untersucht. Ziel dieser Projektarbeit ist es, das Po-tential zu erforschen, regenerative Energieüberschüsse mithilfe einer Power-to-Gas-Anlage (PtG) in Methan umzuwandeln, um durch Rückverstromung Energiedefizite zu decken. Hierbei werden ausschließlich Energiebilanzen ausgewertet, welche sich durch den Einsatz der rege-nerativen Energiequellen Solar- und Windenergie ergeben. Besonders wird in dieser Arbeit auf die Rückverstromung durch Gas und Dampf-Kraftwerke (GuD) in der EMN unter energie-technischen Aspekten eingegangen. Des Weiteren sollen Möglichkeiten der Nutzung von Ab-wärme, die beim Methanisierungsprozess entsteht, aufgezeigt und unter energietechnischen Gesichtspunkten analysiert werden. Um diese Ziele zu erreichen, wird zu Beginn der Arbeit eine Analyse der Wetterdaten für ein schlechtes Wetterjahr durchgeführt. Unter der Voraus-setzung, dass nur der Energiemix aus Solar- und Windenergie betrachtet wird, können aus jenen Wetterdaten und der Versorgungsleistung der EMN die saisonalen Energieüberschüsse und -defizite abgeleitet werden. Mit den erhaltenen Energieüberschüssen kann eine Vorher-sage über die Menge des mittels PtG-Verfahren produzierten Methans getroffen werden. Die Energiedefizite dienen als Basis der zu erbringenden Leistung der Rückverstromung mittels GuD-Kraftwerk und lassen in Verbindung mit der erforderlichen Menge an Methan eine Aus-sage zu, ob eine PtG-Anlage eine sinnvolle Lösung zur Energiespeicherung für die EMN ist oder nicht. Mit der ermittelten Menge an Methan mithilfe des Energieüberschusses kann auch eine Aussage über das Potential der gewonnenen Abwärme während des Methanisierungsprozes-ses getroffen werden und welchen Nutzen diese im Sinne der KWK (Kraft-Wärme-Kopplung) der EMN bringt.
Als Einstieg in die Technologie der Stülpmembranspeicher soll im bayrischen Haßfurt ein Demonstrator dieses Systems errichtet werden. Es sollen Nachweise über die Funktionsfähigkeit sowie die Herstellbarkeit des Stülpmembranspeichers 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 Nürnberg galt es Umsetzungsvorschläge und Kostenabschätzungen für 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 Strömungsführung des Systems (Schmitt, 2023). Möglichkeiten für Einbau und Befestigung der Membran innerhalb des Speichers untersuchte Herr Nicolai Neubauer (Neubauer, 2023). Untersuchungen zur Stromspeicherung und Wärmebewirtschaftung des Speichers tätigte Herr Rami Haider (Haider, 2023). Weiterführend erfolgte die Auslegung der Wärmedämmung des Speichers sowie einem Solarkollektorfeld durch Herrn Peter Müller-Leimbach (Müller-Leimbach, 2023). Gegenstand des folgenden Berichts wird ausschließlich die Herstellung der Stülpmembran des Speichers sein. Sie bildet das Herzstück dieser neuen Technologie und ist als kritisches Bauteil für die Funktionsfähigkeit und damit die Daseinsberechtigung eines Stülpmembranspeichers zu verstehen. Nach heutigem Stand existiert eine Membran in einem solchen Anwendungsfall nicht und wurde auch noch nie versucht herzustellen. Es sind also zunächst Möglichkeiten zur Herstellung auszuloten und ein neues Herstellungsverfahren zu entwickeln. Langzeitverhalten von Material und Verbindungen zum restlichen Speicher während des Betriebs sind nicht untersucht und für den konkreten Anwendungsfalls weitestgehend unerforscht. Für ähnliche Belastungsfälle kann Jedoch auf umfassende Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Bereich der Textilfördergurte in Bergbau- sowie Lebensmittelindustrie zurückgegriffen 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 Verfügung. Es ist denkbar, auf Basis bestehender Produkte der ContiTech Conveyor Belt Group aufzubauen und so eine Membran herzustellen, die sich langfristig für das spezielle Biege- und Dehnungsverhalten eignet. Im Verlauf des Berichts wird zunächst die Funktionsweise des Stülpmembranspeichers erklärt. Daraus werden die Aufgaben abgeleitet, welche der Membran selbst zu Teil werden. Für die vorgegebenen Dimensionen und Eckdaten des Demonstrators werden Belastungsberechnungen durchgeführt und so die Belastungen im Anwendungsfall bestimmt. Ebenfalls werden sonstige Umwelteinflüsse, denen die Membran ausgesetzt ist, festgehalten. Einleitung 9 Anschließend wird der Aufbau einer geeigneten Membran erklärt und ein geeignetes Fertigungsverfahren beschrieben. Abschließend folgt eine kurze Kostenübersicht sowie Prognose, wie mit der Entwicklung der Membran weiter zu verfahren wäre. Der Demonstrator, für den in diesem Bericht die Stülpmembran konzipiert wird, besitzt folgende relevante Dimensionen und Eckdaten: Der Kolben hat eine Länge von 10 Metern und misst 10 Meter im Durchmesser. Der Ringspalt zwischen Kolben und Speicherinnenwand beträgt 0,26 Meter. Im Verlauf des Be- und Entladens soll der Kolben um 10 Meter angehoben werden können. Der Kolben wird aus Stahlbeton mit einer Dichte von 2,24 !" gefertigt. Die Stülpmembran wird aus textilverstärkten Fördergurtstücken gefertigt, die längs aneinander vulkanisiert werden. Die Skizze in Abb.1 dient zur Veranschaulichung dieses Prozesses. Aus den Anforderungen für Kolbenhub und Ringspaltbreite ergibt sich mit einer Zulängung von 0,7 Metern jeweils am Ende der Membran eine Gesamtlänge von sieben Metern. Für die Planung der Fertigung ist von zwei Meter breiten Fördergurt-elementen auszugehen. Dies ist weiteren Anforderungen an die Membran geschuldet, welche im Verlauf des Berichts ersichtlich werden.
Nutzung von Windenergieüberschüssen durch Einsatz von Wasserstoffspeichern (Abschlussbericht)
(2019)
In dieser Arbeit wird untersucht, inwiefern sich die aufgrund der Volatilität von Windenergie ausbildenden Überschüsse mithilfe von Wasserstoffspeichern nutzen lassen, um Defizite auszugleichen. Dabei wird sich vor allem auf das Klimaziel der Europäischen Metropolregion Nürnberg bezogen, bis zum Jahr 2030 bereits 60 Prozent des Stromverbrauchs durch erneuerbare Energien zu decken. Basierend auf den Merra-2 Daten der NASA, sowie den Netzdaten der Main-Donau Netzgesellschaft, werden Überschüsse und Defizite im Windenergieverlauf sowohl für das Jahr 2017 als auch für 2030 ermittelt. Darüber hinaus werden die unterschiedlichen technologischen Verfahren der Wasserelektrolyse hinsichtlich ihrer Einsatzfähigkeit in Zusammenhang mit regenerativen Energieträgern erklärt und verglichen.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz von Speichern im Jahr 2030 eine notwendige Voraussetzung ist, um das Klimaziel zu erreichen und gleichzeitig eine hohe Versorgungssicherheit zu gewährleisten.