Beitrag der Stülpmembranspeichertechnologie für den Strombedarf bei einer 100% regenerativen Versorgung der Metropolregion Nürnberg ...
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Energiekonferenz TH Nürnberg & N-Ergie
Beitrag der Stülpmembranspeichertechnologie
für den Strombedarf bei einer 100%
regenerativen Versorgung der Metropolregion
Nürnberg
Referent: Kevin Gerstberger
Kontakt: gerstbergerke64510@th-nuernberg.deGliederung
1. Motivation
2. Die Stülpmembranspeichertechnologie
Allgemeines / Aufbau
Funktionsweise
3. Die Datenanalyse
Rastergebietsauswahl
Vergleich von Potential und Verbrauch
4. Positionierung und Dimensionierung
Standortwahl
Auslegung
5. Literatur und Quellenverzeichnis
28.06.2018 Kevin Gerstberger 1Motivation
Pariser Klimaabkommen
Klimapakt der EMN
80 % CO2-Einsparung bis 2050
100 % regenerative Stromerzeugung
Fluktuierendes
Überbrücken
Energieangebot
Problem der
durch Wind und
Defizitzeiträume
Solar
28.06.2018 Kevin Gerstberger 2Die Stülpmembranspeichertechnologie
Allgemeines / Aufbau
− Geotechnisches Speichersystem
− Patentiert von Dr. Matthias Popp (2013)
− Etliche Forschungsarbeiten zur Umsetzung einer Anlage
− Nutzung zur Speicherung von potentieller und Wärmeenergie
1.) Stülpmembran
2.) Erdkolben
3.) obere Druckzone
4.) untere Druckzone
Funktionsweise 5.) Pumpenturbine
6.) Generator
7.) Stützkörper
− Hydraulisches anheben eines Erdkolbens durch Wasser 8.) Solarmodule
Geringerer Platzbedarf durch höhere Dichte
− Abttrennen der Druckzonen durch die Stülpmembran
Abbildung 1: Aufbau des Stülpmembranspeichers
Datenquelle: Popp, 2013, [10]
− Energieumsetzung durch eine Pumpenturbine
28.06.2018 Kevin Gerstberger 3Die Datenanalyse
Rastergebietsauswahl
− Geographische Lage
− Ausgeglichenes Verhältnis zwischen Stadt- und Landgebiete
− Hochrechnen der Verbrauchs- und Erzeugungsdaten über das
Einwohnerverhältnis
− Einwohner im Gebiet 288.572 Menschen
Abbildung 2: Google Earth mit EMN und MDN Gebietsoverlay
Datenquellen: Google Earth (2018) [5], Europäische Metropolregion Nürnberg(2017)[4] &
Main-Donau Netzgesellschaft(2018) [8]
28.06.2018 Kevin Gerstberger 4Die Datenanalyse
Vergleich von Potential und Verbrauch
− Tägliche Nutzung des Speichers ist Notwendig für Residuallastverhalten
den Ausgleich 350
300
250
200
− In den Wintermonaten gibt es einen Höheren
150
100
50
Ausgleichsbedarf 0
Residuallast [MW]
-50
-100
-150
-200
−Mittleres Produktionspotential 892 MW -250
-300
-350
-400
-450
− Maximale Leistungsaufnahme
-500
815 MW -550
-600
-650
-700
-750
− Maximales Leistungsabgabe 310 MW 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001
Zeitachse [h]
− Längster Defizitzeitraum 132 Stunden Abbildung 3: Residuallastverhalten über Jahresstunden
Datenquellen: Nasa (2018) [9], Main-Donau Netzgesellschaft (2017)[6,7,8] &
Bayernwerk(2017)[3]
− Benötigte Speicherkapazität 33.500 MWh
28.06.2018 Kevin Gerstberger 5Positionierung und Dimensionierung
Standortwahl
Kluge Standortwahl erhöht die Wirtschaftlichkeit
Kriterien für die Wahl:
− Speicherkapazität 10 GWh
− Bodenbeschaffenheit (kompakter Sand- und Kalkstein)
− Ausreichend Platzbedarf (ca.30 Hektar)
− Ist Netzanschluss / Infrastruktur Vorhanden
− Energieerzeugungsanlagen in der Nahe
− Gesellschaftliche und politische Akzeptanz
28.06.2018 Kevin Gerstberger 6Positionierung und Dimensionierung
Abbildung 4: Möglicher Standort Raitersaich
Quelle: Google Earth (2018) [5]
Abbildung 5: Geologische Übersichtskarte von Bayern
Quelle: Bayerisches Geologisches Landesamt, 1994, Geologische
Übersichtskarten [1]
28.06.2018 Kevin Gerstberger 7Positionierung und Dimensionierung
Abbildung 6: Allgemeine skizzenhafte Bemaßung des Stülpmembranspeichers
28.06.2018 Kevin Gerstberger 8Positionierung und Dimensionierung
Auslegung - Annahmen
Tabelle 1: Festlegung / Annahmen für die Berechnung
Festlegung / Annahme Formelzeichen Wert Einheit Festlegung / Annahme Formelzeichen Wert Einheit
Dichte Wasser ρw 1.000 kg/m³ Maximale Speicherdauer tmax 132 h
Dichte Untergrund ρun 2.600 kg/m³ Verbrauch pro Kopf Pkopf 750 W/Kopf
Dichte Kautschuk ρgu 960 kg/m³ Abstand zwischen den zrohr 0,5 m
Dichte Stahl ρst 7.850 kg/m³ Wärmerohren
Geforderte Egef 10.000 MWh Durchmesser Wärmerohre drohr 30 mm
Speicherkapazität Wandstärke Wärmerohre srohr 2,5 mm
Spaltbreite Sspalt 1 m Spezifische Betonkosten - 160 €/m³
Anteil über Erde xue 15 % Spezifische Stahlkosten - 850 €/t
Betonwandbreite Sbeton 0,6 m Spezifische - 1760 €/t
Zulässige Zugspannung Ϭzul,st 355 N/mm² Kautschukkosten
Stahl Spezifische - 22 €/m²
Seitenbeiwert Bewehrung xsb 1 % Grunderwerbskosten
Zulässige Zugspannung Ϭzul,mem 35 N/mm² Spezifische - 600.000 €/MW
Membran Kraftwerkskosten
Volumenanteil Stahl in der Xst,mem 35 % Spezifische Erdbaukosten - 5 €/m³
Membran Spezifische - 20 €/m³
Zuschlag für die - 40 % Spaltaushubkosten
Herstellung
28.06.2018 Kevin Gerstberger 9Positionierung und Dimensionierung
Tabelle 2: Ergebnisse für beispielhafte Auslegung
Auslegung - Ergebnisse
Bezeichnung Formelzeichen Wert Einheit
Geforderte Egef 10.000 MWh
Ergebnisstabelle
Speicherkapazität
Erdkolbenradius rk 154 m
Herstellungskosten rund 340 Mio. Euro
Gesamthöhe der Anlage hges 360 m
Gesamtflächenbedarf Ages 30 Hektar
40 Anlagen für die gesamte EMN notwendig
Kolbenabtriebskraft Fab 239.000 MN
Druck in der unteren pu 32 bar
Gesamtplatzbedarf 1200 Hektar
Druckzone
(0,055% der EMN) Spaltaushubvolumen Vspalt 548.000 m³
Aushubvolumen Vaushub 4.812.000 m³
Fazit:
Höhe der Anböschung hbösch 56 m
Bewehrungsgesamtmasse mbew 100.700 t
Hoher Wirkungsgrad und Speicherkapazität
Kautschuk Gesamtmasse mgu 2.000 t
Flexibles und platzsparendes Speichersystem
Gesamtvolumen Beton Vbeton 413.000 m³
kein saisonaler Ausgleichsspeicher
Tagesladungen tmax 5,5 d
zusätzliche Nutzung als Wärmespeicher möglich
Anzahl versorgbarer xperson 101.000 -
Menschen
Zweistelliger prozentueller Anteil an der Wärmeanlagenlänge lschlau 319 km
Stromspeicheraufgabe realistisch
28.06.2018 Kevin Gerstberger 10Literatur und Quellenverzeichnis
[1] Bayerisches Geologisches Landesamt, 1994, Geologische Übersichtskarten und Schriften, Aufgerufen am 24.05.2018 von
https://www.bestellen.bayern.de/application/eshop_app000003?SID=1278371431&ACTIONxSESSxSHOWPIC(BILDxKEY:%2716021%27,BILDxCLASS:%27Artikel%27,BILDxTYPE:%27PD
F%27)
[2] Bayernwerk, 2017, Netzkarte, Aufgerufen am 10.05.2018 von https://www.bayernwerk.de/content/dam/revu-global/bayernwerk/7.002_Netzkarte_Vorderseite.pdf
[3] Bayernwerk ,2017, Netzstrukturdaten, Aufgerufen am 10.05.2018 von https://www.bayernwerk-netz.de/de/bayernwerk-netz-
gmbh/netzinformation/veroeffentlichungspflichten/strom/netzstrukturdaten.html
[4] Europäische Metropolregion Nürnberg, 2017, Karten, Aufgerufen am 10.05.2018 von
https://www.metropolregionnuernberg.de/fileadmin/metropolregion_nuernberg_2011/07_service/02_downloads/Karten/EMN_Karte_Neu_inkl_Sonneberg.jpg
[5] Google Earth, 2018
[6} Main-Donau-Netzgesellschaft, 2017, § 17 Abs. 2 Nr. 3 Höchstentnahmelast, Excel-Datei, Aufgerufen am 08.05.2018 von
https://www.main-donau-netz.de/static-resources/content/vp_mdn/resources/doc/Hoechstlasten_je_Netzebene_2017.xlsx
[7] Main-Donau-Netzgesellschaft, 2017, § 17 Abs. 2 Nr. 6 Dezentrale Netzeinspeisung je Netzebene, Excel-Datei, Aufgerufen am 08.05.2018 von
https://www.main-donau-netz.de/static-resources/content/vp_mdn/resources/doc/Dezentrale_Einspeisung_je_Netzebene_2017.xlsx
[8] Main-Donau-Netzgesellschaft , 2017, Netzkennzahlen, Aufgerufen am 10.05.2018 von https://www.main-donau-netz.de/netze/strom/netzkennzahlen.html
[9] Nasa, 2018, MERRA2-Datenbank, Aufgerufen am 20.05.2018 von https://urs.earthdata.nasa.gov/
[10] Popp, 2013 , Stülpmembranspeicher Aufbau, Aufgerufen am 14.04.2018 von http://www.poppware.de/Stuelpmembranspeicher/Stuelpmembranspeicher_Aufbau_fbg.png
[11] Popp, 2013, Stülpmembranspeicher, Aufgerufen am 14.04.2018 von http://www.poppware.de/Stuelpmembranspeicher/
28.06.2018 Kevin Gerstberger 11Sie können auch lesen
