Neuartiger Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil

Energiespeicher

Lösung der Energiewende? Neuartiges Pumpspeicher-Kraftwerk mit schwimmendem Speicherteil. Wäre das Thema der Speicherung von erneuerbarer Energie gelöst, so wäre der Siegeszug von Wind und Sonne unumkehrbar. So aber sind wir nach wie vor auf Öl und Gas als Brückentechnologie angewiesen, um Energiespitzen zu überbrücken und im Winter zu zu heizen. Das Innovationsbüro Kloss aus Bochum kommt nun mit einer neuartigen Speichertechnologie, einem Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil. Die Idee ist bereits patentiert und könnte das Speicherthema ein für alle mal lösen.


Um eine vollwertige, regenerative Energieversorgung schneller zu erreichen und damit die teuren Erdgas-, Erdöl- und Kohleimporte für unser Land zu reduzieren sowie, um die Stromkosten wie auch die CO2-Belastungen drastisch zu senken, bedarf es großer Anstrengungen.

25x mehr Speicherkapazität ist nötig

Größtes Hindernis auf diesem Weg ist der extreme Mangel an Speicherkapazität, der bei einem weiteren und vor allem schnelleren Ausbau der regenerativen Energien unweigerlich zu Zusammenbrüchen unserer Stromnetze führen wird. Laut einer Studie (Dr. Popp, Stand 2010) wird der Bedarf an Speicherkapazität bundesweit auf mehrere 1000 GWh geschätzt, wobei aktuell nur eine Speicherkapazität von rund 40 GWh vorhanden ist.

Nur 20-30 Standorte wären geeignet

Die zur Zeit einzigen Speicher mit nennenswertem Speichervolumen sind Pumpspeicher. Da diese funktional zwei Speicherbecken in unterschiedlichen Höhenlagen benötigen und deshalb nur in gebirgigem Gelände errichtet werden können, ergeben sich für den Bau weiterer Pumpspeicher bundesweit nur 20 bis 30 Standorte.

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Herkömmliche Pumpspeicher-Kraftwerke benötigen Speicherbecken in unterschiedlichen Höhenlagen. Sie können deshalb nur in gebirgigem Gelände errichtet werden.

Hiermit können die Probleme der Energiewende nicht gelöst werden. Auch nicht mit der Weiterentwicklung sonstiger Speicherarten oder mit dem Bau neuer Überland-Stromleitungen, deren Bedarf weit geringer als geplant ist und die zudem zu teuer und durch Bürgerwiderstände nicht rechtzeitig umsetzbar sind. Die Regelung, die Kosten hierfür sowie die Kosten für die Befreiung stromintensiver Betriebe auf private Stromabnehmer umzulegen, könnte zudem zu sozialen Spannungen führen.

Ein neues Denken ist nötig

Wirkliche Durchbrüche, die die Kosten senken und allen helfen, lassen sich nur durch neue Denkansätze in den Speichertechnologien erreichen. Diese Denkansätze gibt es bereits in realer Form. Die mit Abstand besten Ergebnisse erzielen Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil, die die Vorteile von Pump-Speichern und Lageenergie-Speichern in optimierter Form nutzen, so dass sie zur Zeit allen bekannten Energiespeichern, auch solchen, die sich in der Weiterentwicklung befinden, leistungs- und kostenmäßig weit überlegen sind.


Das neuartige Pumpspeicher-Kraftwerk mit schwimmendem Speicherteil kann stark zum gelingen der Energiewende beitragen. Plötzlich ist die Speicherung von erneuerbarer Energie überall möglich. (Bild zum vergrößern anklicken)

Gegenüber herkömmlichen Pumpspeichern mit zwei Speicherbecken, die wegen ihres großen Speichervolumens als Vergleichsobjekt dienen sollen, weisen Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil folgende Vorteile auf:

1. Von der Geländeform unabhängige Standortwahl.
2. Hohe Bürgerakzeptanz durch filigranes Erscheinungsbild (ähnlich Regen-Rückhaltebecken).
3. Schonung der Umwelt – über 60 Prozent geringerer Flächenverbrauch.
4. Je nach Bodenbeschaffenheit bis über 50 Prozent geringere Baukosten bei gleicher Leistung.
5. Geringere Wartungs- und Instandhaltungskosten.
6. Weniger Reibungsverluste durch das Einsparen langer Druckwasser-Rohre bzw. -Stollen.
7. Höhere Leistungsspitzen durch höhere Arbeitsdrücke.
8. Erheblich geringerer Energieverbrauch für das Füllen des Speichers.
9. Höherer Wirkungsgrad – im Leistungsbereich über 92 %.

Die Lösung: ein Swimming Pool mit schwimmendem Druck-Speicherteil

Bei dieser neuartigen Pumpspeicher-Entwicklung handelt es sich um eine mit Wasser gefüllte, nach oben hin offene Außenschale mit innenliegendem, schwimmenden Speicherteil und einer in dessen Boden befindlichen Öffnung mit angeschlossenem Steigrohr sowie einem darin befindlichen Schieber. Für den Arbeitstakt wird der Schieber geöffnet. Sodann fließen die durch das Gewicht des schwimmenden Speicherteils samt Aufbauten verdrängten Wassermassen durch das Steigrohr und treiben hier eine Turbine mit angeschlossenem Generator an.

Nach dem Durchströmen der Turbine werden die Wassermassen durch den Wasserstand in der oberen Steigrohr-Zone geringfügig gebremst (Dieser Gegendruck ist unerlässlich, um die Turbine vor Kavitationsschäden zu schützen). Danach fließen sie in den schwimmenden Speicherteil, füllen erst ihn, dann den darüber liegenden Raum, wodurch sich das Gewicht des schwimmenden Speicherteils zunehmend erhöht. Demzufolge nimmt auch der auf die Turbine einwirkende Wasserdruck kontinuierlich zu (Das Gewicht des schwimmenden Speicherteils und das darauf lastende Wasser führen zu sehr hohen Arbeitsdrücken, die von bekannten Pumpspeichern – selbst bei großen Wasser-Fallhöhen – selten erreicht werden).

Mit zunehmendem Wasserstand wird das obere Ende des Steigrohrs überflutet. Erst dann bauen sich durch die darüber liegenden Wasserschichten geringe Widerstände auf, die aber von den aufstrebenden Wassermassen ohne Probleme durchdrungen werden.

Nachdem der schwimmende Speicherteil vollständig geflutet auf dem Boden aufliegt, wird der Schieber geschlossen. Danach werden die innerhalb und oberhalb des Speicherteils befindlichen Wassermassen abgepumpt und unterhalb seines Bodens wieder eingeleitet. Dies erfolgt so lange, bis der Speicherteil geleert ist und seine obere, schwimmende Position erreicht hat. Danach beginnt der nächste Arbeitstakt.

Vorteile des Pumpspeichers mit schwimmendem Speicherteil gegenüber Lageenergie-Speichern bei denen der Arbeitsdruck durch hohe Kolben-Gewichte erzeugt wird:

1. Keine Transportprobleme durch überschwere, großvolumige Gewichte.
2. Bessere Außenführung des Druckkörpers durch homogenere, innere Gewichtsverteilung.
3. Größeres Wasservolumen (Arbeitspotenzial) durch das Fehlen großvolumiger Gewichte.
4. Sehr viel geringere Druckbelastung der Dichtung im Arbeitsbetrieb.
5. Völlige Entlastung der Dichtung im Ruhestand (vor Leistungsbeginn).
6. Schonung der Turbine durch sanfteres Anfahren.
7. Geringere Wartungs- und Reparaturkosten durch freien Zugang zu allen Aggregaten.
8. Sehr geringe Baukosten aufgrund der filigranen Baustruktur sowie der Nutzung des Aushubs.
9. Zeitlich unbegrenztes Vorhalten der vollen Speicherleistung.

Bei Lageenergie- oder Schwerkraft-Speichern (Powertower, Gravity Power, Heindl-Megaspeicher) wird das speicherbare Wasservolumen durch die Größe ihrer Gewichte beschränkt. Da die Größe des Arbeitsvolumens der des Wasservolumens entspricht, ist das Arbeitsvolumen dieser Speicher entsprechend gering. Eine Verbesserung der Leistung durch Erhöhen des Arbeitsdrucks mittels größerer Gewichte ist wenig sinnvoll, da dies zu einer weiteren Verringerung des Wasservolumens und somit zu einer weiteren Reduzierung des Arbeitsvolumens führt.

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Herkömmliche Pumpspeicherkraftwerke benötigen immer entsprechende gebirgige Landschaften und können deshalb nicht überall hin gebaut werden. Nur 20-30 Standorte in Deutschland sind geeignet.

Ein besonderer Schwachpunkt dieser Speicherformen ist der auf den Dichtungen lastende extrem hohe Druck, der diesen stark zusetzt. Da sich die Dichtungen unter Wasser und zudem an sehr schwer zugänglichen Stellen befinden, sind Reparaturen an ihnen äußerst zeit- und kostenintensiv.

Ein weiterer Nachteil dieser Speicherformen liegt darin, dass eine langfristige Vorhaltung ihrer vollen Speicherenergie nicht möglich ist, da sich die Gewichte aufgrund ihres hohen Abtriebs nicht oder nur sehr kurzfristig fixieren lassen. Ihre Herstellungskosten und ihr Platzverbrauch sind durch den Transport und der Lagerung des Bodenaushubs weit höher als bei Pumpspeichern mit schwimmenden Speicherteilen. Beim Heindl-Megaspeicher muss noch nach Lösungen gesucht werden, wie sich seine riesigen Wassermengen sinnvoll abführen und speichern lassen.

Fazit:

Die technischen Probleme bei der Umsetzung der Energiewende könnten bereits heute durch Pumpspeicher mit schwimmenden Speicherteilen sowie durch verbesserte Lageenergie-Speicher gelöst werden. Beide Speicherformen verfügen über ein sehr großes Leistungsvolumen und haben gegenüber Kohle- und Gas-Kraftwerken neben vielen Vorzügen den Vorteil, dass bei ihnen die Umwandlung ihrer Speicherenergie in elektrische Energie völlig CO2-frei erfolgt und ein Ausstoß von Feinstaub, Stickoxyden und Quecksilber wie bei Kohle-Kraftwerken gänzlich fehlt.

Lesen Sie zu diesem Thema auch: „Riesenbatterie im Gasometer“ >>

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Comments

  1. Karl Streuer says:

    Das Konzept ist quatsch. Wenn auf der Schale z.B. 2 m Wasser liegen, muss das Wasser aus dem unteren Becken auch 2 m höher steigen als zu Beginn, als die Schale noch leer war. Diese 2 zusätzlichen Meter Wassersäule oberhalb der Turbin sorgen dafür, dass die nutzbare Druckdifferenz nicht größer wird. Letztendlich bewegt sich das Wasser nicht. Es wird nur eine Betonschale hoch und runtergehoben.

    Ansonsten sind Ihre Artikel oft interessant. Diesmal haben Sie sich in meinen Augen aber von einem „Erfinder“ narren lassen.

    • Ich glaube, da hast du das Prinzip noch nicht ganz verinnerlicht (oder ich stehe „auf der Leitung“… ;-))

      Ich sehe es so (und halte es für ein sehr interessantes und machbares Konzept, da genial einfach):
      Das Wasser wird, bedingt durch den Druck des Schalengewichts, auf Schalenniveau in die Konstruktion hineingepresst.

      Es steigt *immer die gleiche Höhe* vom Schalenboden bis zum Generator (dieser Steigweg ist gegen das in der Schale befindliche Wasser baulich abgetrennt), und treibt diesen an.

      Nach getaner Arbeit fließt das Wasser in die Schale ab, und verleiht ihr zusätzliches Gewicht.

      Es sollte sogar auf „offenem Wasser“ funktionieren, wenn die äußeren Seitenwände bis auf Generatorniveau hochgezogen werden (statt der Dichtungen) und es gegen Kentern gesichert ist, z.B. indem es die Form eines Schiffsrumpfes annimmt.

  2. H.Schomburg says:

    Zu neuartiger Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil:
    Warum machen Sie sich die Speichung von Energie nicht viel einfacher, indem Sie alle anfallenden Energieformen zunächst in Wärmeenergie wandeln und dann mittels der > als 200 Jahre alten Niedertemperatur-Stirlingmotor-technik in Elektroenergie wandeln?
    Das bedarf allerdings eines großen Aufwandes, der sich über Jahre erstreckt. Z.B. wäre es erforderlich im Raum 06571 Roßleben den ehemaligen Kalischacht dann mit einem Teil des Wassers der Unstrut, welches dann stark erwärmt durch Solartechnik, Überschußenergie aus Nachtstrom und Windenergie von ca. 60°C in diesem alten Schachtsystem eingelagert wird. Es wird Jahre dauern, bis sich dann die Wandungen des Schachtgewölbes als Isolationschicht durch vielleicht 1km^3 Wasser gleichmäßig auf 60° als Wärmespender aufgebaut haben, um dann in Wangen/Unstrut in einer Großanlage, gebaut als Niedertemperatur-Stirlinggenerator einen Teil von Sachsen-Anhalt und Thüringen mit Strom zu versorgen. Ich vermute, die Wärmeverluste in einen solchen Wärmespei-
    cher betragen dann über Jahrhunderte < als 2%, da dann schon die Erdwärme zum tragen kommt.

    MfG
    H.Schomburg

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