Energiekonferenz Forchheim vom 28. Juni 2017 : Stülpmembranspeicher - Schlüsselkomponente für die Energiewende?
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4,13
Gegenstand der hier vorgestellten Arbeit ist die Untersuchung eines neuen Energiespeicherkonzepts, genannt der Stülpmembranspeicher. Es soll erforscht werden, ob dieses Speichersystem, welches ursprünglich dafür ausgelegt wurde elektrische Energie zu speichern, zusätzlich ausreichend thermische Energie speichern kann, um die Stadt Forchheim im Winter mit Fernwärme zu versorgen. Im Sommer soll das Wasser des Speichers durch regenerativen Energieüberschuss aufgeheizt werden. Auch an dieser Stelle soll untersucht werden, ob die Stadt Forchheim genügend thermischen Energieüberschuss erzeugen kann, sodass sie unab-hängig von fossilen Energieträgern leben kann.
4,4
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.
4,1
Ziel dieser Arbeit war es den Energiebedarf des Siedlungsgebiets Forchheim zu analysieren. Die beiden Energieträger Strom und Wärme sollten in ihrem Bedarf untersucht werden. Es wurden mögliche Faktoren, die den Bedarf beeinflussen könnten, untersucht. Die Arbeit soll eine Auskunft über Grund- und Spitzenlasten liefern, mit deren Hilfe Energieanlagen und Energiespeicher ausgelegt werden können.
Auch sollte ein möglicher Zusammenhang zwischen auftretenden Lastspitzen im Verlauf der beiden Energieträger untersucht werden.
Zuletzt wurde dem Wärmebedarf das regenerative Angebot durch Solarstrahlung gegenübergestellt. Verbrauchsdaten wurden von den Stadtwerken Forchheim zur Verfügung gestellt. Zur Bewertung der Einflüsse des Wetters wurden Temperatur und Globalstrahlung aus der MERRA-2 Datenbank heruntergeladen. So konnten mit dieser Arbeit folgenden Erkenntnisse erzielt werden:
-Grundlast und auftretende Spitzenlasten wurden ermittelt
-Tagestypen haben einen starken Einfluss auf den Strombedarf
-Es konnten verschiedene Lastprofile für den Strombedarf ermittelt werden
-Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen auftretenden Lastspitzen konnte nicht festgestellt werden
-Der Einfluss von Ferien auf den Energiebedarf konnte nur in der Weihnachtszeit festgestellt werden
-Die Temperatur beeinflusst maßgeblich den Wärmebedarf
-Das Betreiben des Energiespeichers als zusätzlichen saisonalen Wärmespeichers wurde begründet
4,7
4,9
Ein Stülpmembranspeicher dient der Langzeitspeicherung von elektrischem Strom. In Kombination mit einer ausschließlich regenerativen Energieversorgung können bei einer ausreichenden Kapazität Versorgungsengpässe ausgeglichen werden.
Beim Bau eines Stülpmembranspeichers entsteht eine große künstliche Wasserfläche. Wenn sich diese freie Fläche nicht ins Landschaftsbild einfügt, kann dies zu Problemen in der Anerkennung durch die Gesellschaft führen. Es besteht ebenso ein Sicherheitsrisiko, da seitlich tiefe Spalte vorhanden sind. Durch die Bewegung der Bauteile im Betrieb können Strömungen entstehen und eine Personengefährdung verursachen. Eine schwimmende Plattform als Abdeckung kann diese Unfallgefahren verringern. Des Weiteren wird die Fläche über dem Speicher nutzbar.
4,10
Der Anteil an erneuerbaren Energien am Bruttostrom soll in Deutschland auf 40 bis 45 Prozent bis zum Jahre 2025 (Bundesministerium der Justiz und für Verbraucherschutz) erhöht werden. Die Sonne scheint in Deutschland nur 1680 Stunden im Jahr (Fox, Sonnenkollektoren), mit einer ausreichenden Intensivität, um Photovoltaikanlagen betreiben zu können. Windräder können bei Flauten keinen Strom generieren und müssen bei zu starkem Wind abgeschaltet werden. Da Strom aus erneuerbaren Energieträgern selten dann produziert wird, wann er benötigt wird, ist eine Erforschung an neuen Speichertechnologien notwendig.
4,12
Zu Beginn der Arbeit wird der Stülpmembranspeicher als neuartiges System vorgestellt und erklärt. Um später dann das System durch physikalische Beziehungen mathematisch zu modellieren wird die Pumpturbine ebenfalls kurz vorgestellt und ihre Wirkungsweise erklärt. Als nächstes wird auf den Stand der Technik der Frequenz und Spannungsregelung eingegangen, wobei die Spannungsregelung im Verlauf der Arbeit dann nicht weiter behandelt wird, da der Stülpmembran-speicher mit integrierter Pumpturbine keine neuen Herausforderungen für ebendiese darstellt. Nun wird das mathematische Modell des Sys-tems hergeleitet, welches dann in Blockschaltbilder übersetzt und mittels BORIS, einer Simulationssoftware des Ingenieurbüros Kahlert simuliert und geregelt wird. Hier wird sich mit einer auf den Lastfall reagierenden Ausspeicherungsregelung befasst und diese entworfen. Weiterhin wäre die Einspeicherung interessant, welche allerdings im Rahmen dieser Arbeit nicht mehr behandelt wird.
4,5
Die aktuelle Lage im Energiebereich tendiert immer mehr zur regenerativen Energieerzeugung. Diese weist jedoch einige Schwierigkeiten auf. So ist die Energieversorgung aus Sonne und Wind keineswegs konstant. Des Weiteren ist der Bedarf auch nicht konstant und somit passen Bedarf und Versorgung nur in den seltensten Fällen zusammen. Ein möglicher Ansatz zur Lösung des Problems bietet ein Energiespeicher. Im Zusammenhang mit der Veranstaltung Projekt Energietechnik im Sommersemester 2017 an der Technischen Hochschule Nürnberg soll ein möglicher Speicher untersucht werden. Es handelt sich dabei um einen Stülpmembranspeicher (Prof. Dr.-Ing. Matthias Popp 2017). Ein Speicher, der bei Stromüberschuss mittels Pumpe das Wasser in einen Hochdruckbereich pumpt und bei Strombedarf über eine Turbine mit gekoppeltem Generator das Wasser in einen Niederdruck-bereich strömen lässt. Ein Problem hierbei liegt in den Ausmaßen des Speichers. Dieser soll rund 430 m tief sein und einen Durchmesser von 130 m haben (Prof. Dr.-Ing. Matthias Popp 2017). Mit bisherigen Mitteln erweist sich der Bau des Speichers als schwierig. Zusätzlich ist eine vorangestellte Überlegung, dass die Injektionen den Porenraum ausfüllen sollen, das Wasser im Porenraum verdrängen und dem Boden eine höhere Festigkeit geben. Dabei soll die Injektion eine abdichtende Wirkung haben. Das Einschnüren bei der Freilegung soll so verhindert werden.
Diese Arbeit befasst sich mit verschiedenen Möglichkeiten der Bodeninjektion (beispielhaft in Abbildung 0.1) und den dazu passenden Injektionsmitteln. Ziel ist es, herauszufinden, welche Methode zur Verfestigung des Untergrunds und welches Injektionsmittel am besten für die Umsetzung eines Energiespeichers geeignet ist. Zusätzlich werden die Kosten und die Wirtschaftlichkeit untersucht.
4,3
Am 12. Dezember 2015 wurde beim UN-Gipfel in Paris der Weltklima-vertrag beschlossen. (Bild der Wissenschaft, 2017 (6), 28) Im November des darauffolgenden Jahres wurde er von den meisten teilnehmenden Staaten ratifiziert und trat in Kraft. Ziel des Vertrages ist, den weltweiten Temperaturanstieg auf unter zwei Grad Celsius zu begrenzen. Der Klimawandel ist bereits heute in vielen Gebieten der Erde negativ spürbar. Bei einer Erwärmung um zwei Grad wären weitere Folgen sowohl für die Menschheit als auch für Flora und Fauna nicht auszuschließen. Einige davon sind die Gefahr von Dürren in Südeuropa, Gletscherschmelze im Himalaja, Überschwemmung von Inselstaaten im Pazifik, Waldbrände in Nordamerika oder Korallen-sterben im Pazifik.
Scheitert der Versuch der Temperaturbegrenzung, ergeben sich zusätzliche Risiken. Ein Anstieg der globalen Temperatur von vier Grad wäre mit erheblichen Konsequenzen verbunden. So wären Ernteausfälle in Afrika, Hitzetote in Asien, Artensterben im Regenwald oder das Abschmelzen des grönländischen Eispanzers nicht auszuschließen. (Bild der Wissenschaft, 2017 (6), 30-31) Damit das globale Ziel erreicht werden kann, schreibt der Weltklimavertrag den Industrienationen die Rolle der Vorreiter zu. Für Deutschland bedeutet dies eine emissionsfreie Wirtschaft bis ca. zur Mitte des Jahrhunderts. Der im November 2016 verabschiedete Klimaschutzplan der Regierung beinhaltet eine Halbierung der Emissionen aus der Energiewirtschaft bis zum Jahr 2030. (Bild der Wissenschaft, 2017 (6), 29) Um diese Ziele erreichen zu können, müssen die Kohlekraftwerke in Deutschland über kurz oder lang heruntergefahren werden. Dies ist nur möglich, wenn der Anteil an erneuerbaren Energien enorm ansteigt. Das Problem dieser Energieformen aus überwiegend Wind und Sonne ist jedoch das volatile Verhalten des Aufkommens. Die Sonne scheint nur tagsüber, im Winter sind die Tage sehr kurz. Der Wind kann vor allem im Sommer längere Flauten aufweisen. Die aktuelle Situation erfordert bei hohen Energiedichten Abregelungen ganzer Anlagen, da es sonst zu einer Überlastung des Stromnetzes kommen würde. Andererseits könnte bei Flautephasen keine durchgehend stabile Stromversorgung gewährleistet werden.