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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.
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.
Systemaufbau und Aggregate zur Stromspeicherung und Wärmebewirtschaftung eines Stülpmembranspeichers
(2023)
Diese Arbeit untersucht den Aufbau und die Funktionsweise eines Stülpmembranspeichers, um darauf aufbauend die am besten geeigneten Pumpspeicheraggregate für den geplanten Demonstrator in Haßfurt auszuwählen. Die Analyse ergibt, dass angesichts der ständig
variierenden Leistungsanforderungen Verdrängermaschinen Strömungsmaschinen vorzuziehen sind. Insbesondere zeichnen sich Axialkolbenmaschinen durch ihre hohe Flexibilität und ihren hohen Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Verdrängermaschinen aus.
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].
Die Projektarbeit „Auslegung einer regenerativen Stromversorgung inklusive eines Stülpmembranspeichers anhand der Stadt Haßfurt“ handelt von einer Analyse der Realdaten, welche von der Stadtwerk Haßfurt GmbH zur Verfügung gestellt wurden. Außerdem wurden der Ausbaustand der elektrischen Energieversorgung sowie die Auslegung eines Stülpmembran-speichers für die Kleinstadt Haßfurt untersucht. Auf die Funktion des Stülpmembranspeichers wird ebenso genauer eingegangen.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird untersucht, bei welchen Gestehungskosten eine erneuerbare Energieversorgung der Stadt Wunsiedel möglich ist. Dabei wird sowohl die Versorgung mit Strom als auch mit Wärme betrachtet. Als Bindeglied zwischen den beiden Versorgungssystemen dient ein Stülpmembranspeicher. Dieser ermöglicht es unterirdisch Strom und Wärme in einem Raum zu speichern. Im Laufe der Arbeit werden zunächst die Rahmenbedingungen der Energieversorgung festgelegt. Dies beinhaltet welche Systeme wie genutzt werden sollen. Die Stromversorgung soll aus Windenergieanlagen, Photovoltaikanlagen und Biomasseanlagen bestehen. Die Biomasseanlagen übernehmen dabei die Grundlastversorgung, während die Windenergieanlagen und die Photovoltaikanlagen vom aktuellen Energiewetter abhängig sind. Die Wärmeversorgung besteht aus Solarthermieanlagen und der Wärme von den Biomasseanlagen. Die Wärme wird über ein Wärmenetz an den Verbraucher geliefert. Bei Überschüssen werden sowohl der Strom als auch die Wärme im Stülpmembranspeicher gespeichert. Die Stromspeicherung erfolgt nur für mehrere Tage. Im Gegensatz zur saisonalen Wärmespeicherung, bei der Wärme aus dem Sommer für den Winter gespeichert wird. Die saisonale Wärmespeicherung wird durch eine besondere Schaltung im Wärmenetz ermöglicht. Diese Schaltung führt dazu, dass der Verbraucher als Prosumer fungieren kann. Der Verbraucher ist somit Konsument und Produzent von Wärmeenergie. Die Auswertung beruht auf realen Daten der Stadt Wunsiedel und wird mit Excel-Tools, bereitgestellt von Herrn Professor Popp, durchgeführt. Die realen Messreihen werden dazu aufbereitet und an die Gegebenheiten der Stadt Wunsiedel angepasst. Zur Berechnung werden verschiedenste Randfaktoren, wie Kostenansätze, gewählt. Die Ergebnisse der Auswertung sind die resultierenden Gestehungskosten und die benötigte Speichergröße. Zudem ergeben sich die betreffenden Nennleistungen der Photovoltaikanlagen und der Windenergieanlagen sowie die Anzahl der Solarthermieanlagen. Die Auswertung führt zu Stromgestehungskosten von ca. 22 ct/kWh und Wärmegestehungskosten von 17 ct/kWh. Beim Vergleich mit den aktuellen Stromgroßhandelspreisen bzw. den Kosten für andere Wärmenetze zeigt sich, dass das Versorgungssystem in einem Bereich liegt, in dem es wirtschaftlich arbeiten kann.
Die NASA stellt mit ihrer Reanalyse-Datenbank MERRA-2 weltweit aufgezeichnete Klimadaten wie Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeiten etc. zur Verfügung. Die Daten sind jeweils einem Rastergebiet zugeordnet, welche durch ein weltumspannendes Raster mit einer Auflösung von ca. 0,5° x 0,625° Breitengrad x Längengrad ent-steht. Es liegen aktuell Messdaten aus den Jahren 1980 bis 2019 vor (NASA, 2017, S. 1-3). In dieser Ausarbeitung werden diese Rohdaten aufbereitet, analysiert und hinsichtlich ihrer Aussagekraft für eine zukünftige Nutzung der vorhandenen regenerativen Energieformen zur Umwandlung in Nutzenergie interpretiert. Es wird erörtert, welche regenerativen Energieträger vor allem auch in Verbindung mit Speichertechnologien zur rein regenerativen Deckung des Energiebedarfs geeignet sind. Im Vergleich mit dem aktuellen Bestand an regenerativen Energieanlagen und unter der Annahme von gleichbleibender Einspeiseleistung aus Biomasse- und Laufwasseranlagen wird eine Empfehlung für einen optimalen Energiemix gegeben. Die Analyse bezieht sich auf ein Teilgebiet im Süden der Europäischen Metropolregion Nürnberg. Ein weiterer Bestandteil der Arbeit ist die Recherche zum aktuellen Technologiestand und den Kosten von geotechnischen Speichersystemen.
Die NASA (National Aeronautics and Space Administration) stellt mit ihrer Reanalyse-Datenbank MERRA-2 (Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applica-tions, Version 2) weltweit aufgezeichnete Klimadaten wie Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeiten etc. zur Verfügung. Die Daten sind jeweils einem Rastergebiet zugeordnet, welche durch ein weltumspannendes Raster mit einer Auflösung von ca. 0,5° x 0,625° Breitengrad x Längengrad entsteht. Es liegen aktuell Messdaten aus den Jahren 1980 bis 2019 vor (NASA, 2017, S. 1-3).
In dieser Ausarbeitung sollen diese Rohdaten aufbereitet, analysiert und hinsichtlich ihrer Aussagekraft für eine zukünftige Nutzung der vorhandenen regenerativen Energieformen zur Umwandlung in Nutzenergie interpretiert werden. Es soll erörtert werden, welche regenerativen Energieträger vor allem auch in Verbindung mit Speichertechnologien zur rein regenerativen Deckung des Energiebedarfs geeignet sind.
Das zu analysierende Gebiet umfasst im Wesentlichen Teile der bayerischen Landkreise Roth, Weißenburg-Gunzenhausen und Eichstätt, der Gebietsmittelpunkt in ge-ographischen Koordinaten ist 11.25°E 49.00°N.
Ein weiterer Bestandteil der Arbeit ist die Recherche zum aktuellen Technologiestand und den Kosten von geotechnischen Speichersystemen.
Nürnberg (Deutschland) – die rein regenerative Energieversorgung verlangt nach Speichersystemen, die deren volatilen Anteil langfristig vollumfänglich ausgleichen können. Als Basis hierfür könnten Lithium-Ionen-Batterien dienen, deren Entwicklung gerade besonders durch die erhöhte Nachfrage nach Elektromobilität schlagartig vorangetrieben wird. Reichweite, Schnellladefähigkeit und vor allem Kosten werden künftig hohe Anforderungen an Hochenergie-Batteriesysteme stellen. Wie sich der Wirkungsgrad und das Selbstentladungsverhalten auf die erforderlichen Energieumwandlungsparks zur systemverantwortlichen regenerativen Erfüllung einer Versorgungsaufgabe auswirkt, haben Studierende im Rahmen ihrer Projektarbeit herausgefunden.
POWER-TO-GAS (Projektskizze)
(2019)
Das Ziel der Projektarbeit ist es, eine Konzeptstudie darüber zu erstellen, welcher Bedarf an Energie-speicherung durch Power-to-Gas (PtG) Anlagen notwendig ist damit sich Nürnberg autark mit regenerativer Energie versorgen kann. Die Speichertechnologie PtG soll das Problem der saisonalen Energie-speicherung lösen. Hierbei soll auf die Dimensionierung der PtG Methode eingegangen werden, insbesondere auf die Produktionsmengen/-leistung und Speicher-kapazitäten solcher PtG Anlagen. Des Weiteren soll eine kurze ökonomische Betrachtung erfolgen.
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.
Im Rahmen des Energietechnikprojekts der Fakultät Maschinenbau der Technischen Hochschule Nürnberg wird das Ziel einer Senkung des CO2-Ausstoßes bis 2030 um 40% in der europäischen Metropolregion Nürnberg (EMN) untersucht.
Diese Projektarbeit beschäftigt sich mit dem Potential einer Power-to-Gas Anlage zur Speicherung von Energieüberschüssen und zum Ausgleich von Energiedefiziten. Hierbei werden ausschließlich Energiebilanzen betrachtet, welche sich durch den Einsatz von regenerativen Energieerzeugungsmethoden ergeben. Bevorzugt werden zur Analyse die Energiequellen Wind- und Solarenergie als Hauptenergiequelle herangezogen. Das Ziel dieser Projektarbeit ist es, das Power-to-Gas Verfahren zu analysieren und in Anbetracht des Zieles der EMN als sinnvolles Lösungskonzept zu bewerten.
Die Energiewende stellt nicht nur in Deutschland, sondern weltweit ein hochaktuelles Thema dar. Auch die Europäische Metropolregion Nürnberg1 hat sich dazu verpflichtet, zu diesem Thema einen entsprechenden Beitrag zu leisten. Hierzu wurde ein Klimapakt geschlossen, dessen Ziel es ist die Energieversorgung der Metropolregion durch regenerative Energieträger bedeutend zu steigern. Im Hinblick auf dieses Ziel erstellen die Studenten der Technischen Hochschule Nürnberg, Fakultät Maschinenbau mit Studienschwerpunkt Energietechnik, Projektarbeiten, in welchen Lösungsansätze zum Thema Energiewende der Metropolregion erarbeitet werden. Aufgabe der im Folgenden behandelten Projektarbeit ist es zu untersuchen, welchen Beitrag die Windenergie durch Nutzung der Überschüsse in Verbindung mit Wasserstoffspeichern im Jahr 2030 zur Energieversorgung der Metropolregion leisten kann.
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.
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.
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.