Die Technologie und der energetische Nutzen des Pumpspeicherwerkes Prosper Haniel - am Standort Prosper Haniel in Bottrop in der Bergbaufolge - innogy
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Die Technologie und der
energetische Nutzen des
Pumpspeicherwerkes Prosper‐Haniel
am Standort Prosper‐Haniel in Bottrop in der Bergbaufolge
Prof. Dr.‐Ing. André Niemann 7. März 2019
Warum Pumpspeicherwerke?
Vergleich Batteriespeicher Pumpspeicherwerke:
Pumpspeicherwerke Großbatteriespeicher
Geringe Investitionskosten 500‐850 €/kWh Investitionskosten von 500‐1200 €/kWh1
Lange Lebensdauer (80‐ 100 Jahre) Geringe Lebensdauer (10‐20 Jahre)1
Bereitstellung von Blindleistung möglich Keine Blindleistung möglich
Guter Wirkungsgrad (~80%) Wirkungsgrade bis zu 90 %
Lange Planungs‐ und Bauzeiten Schnelle Errichtungszeiten
Veränderung des Landschaftsbildes Auf „seltene Erden“ angewiesen
Massive Eingriffe in die Natur? Schlechte Ökobilanz?
1 Werte
bezogen auf Lithiumtitanat‐Akkumulator, Quelle IRENA: ELECTRICITY STORAGE AND RENEWABLES: COSTS AND
MARKETS TO 2030
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 2
Flexibilitätsnotwendigkeit aufgrund
der Volatilität der erneuerbaren Energien
Quelle: Dr. René Kühne,
Vattenfall Wasserkraft GmbH
Last, Windeinspeisung und Forecast in der 50Hertz‐Regelzone zwischen dem 01.‐31.01.2017 in MW
1) Einspeisung übersteigt Last 2) Hoher Gradient erfordert Flexibilität
3) Nahezu kein Wind und kein PV 4) Vorhersage Wind ≠ Einspeisung Wind
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 3
Derzeitige Situation von Pumpspeicherwerken
• Derzeitig finanzielle Situation am freien Energiemarkt schlecht:
Geringe Marge an den Strommärkten verhindert
Wirtschaftlichkeit
Preise des Regelenergiemarkts sehr niedrig
Viele Stillstandzeiten und wenig Erlöse
• PSW werden auf „schwarze Null“ gefahren Investitionsstau
• Stillstand bei fertiggestellten Planungen
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 4
Aufwand Genehmigungsplanung
Beispiel: PSW Atdorf, Schwarzwald (1,4 GW)
Hochkomplexer Planfeststellungsantrag:
•124 Ordner
•19.000 Seiten Beschreibungen / Gutachten
•1.100 Karten und Pläne
Hoher Anspruch an die Umweltplanung durch
heute geltenden gesetzlichen Rahmen
Sehr komplexe Umweltplanung mit ökologischen
Ausgleichsmaßnahmen mit enormen Umfang
(insgesamt ca. 1.200 ha)
Projekt wurde Oktober 2017 von
Schluchseewerk AG eingestellt (EnBW und RWE)
Quelle: ILF 2017
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 5
Zukünftige Rolle von Pumpspeicherwerken
Zunahme von Preisspitzen durch zunehmende Knappheit wegen Kraftwerksstilllegungen
Zunehmende Anzahl von Stunden mit sehr niedrigen oder negativen Strompreisen durch
weiteren Ausbau der Erneuerbaren Energien
Höhere Volatilität und damit
größere Marge zu erwarten
Mögliche Einführung eines Kapazitätsmarkts
kann ein weiteres Aktionsfeld darstellen
Problem: Genehmigungsverfahren
erschweren den Bau von PSW, da
sehr umfangreiche Umweltprüfungen wegen
Eingriffe in Eingriffe in Landschaft und Natur
Quelle: Dr. Norbert Krzikalla, BET
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 6
Standort: NRW Populationsdichte Siedlungen
Quelle: SEDAC, NASA
Quelle: SEDAC, NASA
Bergwerk
Prosper‐Haniel
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 7
Standort Prosper‐Haniel Schacht 1/2
Förderberg
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 8
Prinzipskizze des Gesamtkonzepts
Übertägiger
Speichersee
Oberbecken auf 70 muNN
Untertägiger Speicher zwischen
Untertägiger
‐512 und ‐490 muNN
Speicherring
Standort der Maschinen bei ca.
‐522 muNN
Maschinen und
Elektrotechnik
Quelle: RAG AG
(untertägige Kavernen)
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 9
Infrastruktur Untertage
‐522 m Kraftkaverne
Speicherstrecke
zum Förderberg
Maschinenkaverne
Quelle: RAG AG
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 10Förderberg Prosper II • Voll ausgebauter Transportschacht (Querschnitt ca. 25 m²) • Befahrbar bis auf ‐783 m • Länge: 3.653 m 7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 11
Grubenwasserhaltung im Ruhrgebiet
Aktuell Künftig mittels Tauchpumpen
Schacht
Vorfluter
grundwasserführende
Schicht
wasserstauende
Schicht
Hüllrohre
Tauchpumpen
Quelle: RAG AG Grubengebäude
Quelle: RAG AG
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 12Projektförderung 2010‐2017
2011 Projekt „Unterflur‐Pumpspeicherwerke – Nutzung von Anlagen des
Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energien“
Stiftung Mercator, MERCUR, Förderkennzeichen: Pr‐2011‐0022
2012 – 2014 Projekt „Entwicklung eines Realisierungskonzeptes für die Nutzung von
Anlagen des Steinkohlebaus als unterirdische Pumpspeicherkraftwerke“
MKULNV NRW, Projektträger ETN, Förderkennzeichen: PRO 0039,
NRW‐EU Ziel 2‐Programm 2007‐2013
2016 – 2018 Projekt „Machbarkeit eines untertägigen PSW am Bergwerk Prosper‐Haniel in
Bottrop in der Bergbaufolge“
MULNV NRW, Projektträger ETN, Förderkennzeichen: PRO 0063,
BMWi, Projektträger Jülich, Förderkennzeichen: 03E T6100
Fördervolumen seit 2012: 3,1 Mio. €
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 13Aktuell: 2. Phase der Machbarkeitsstudie 2016 ‐ 2019 • Förderbescheid‐Übergabe durch Hr. Minister Remmel am 25.08.2016 • Vorläufiges Ergebnis: technische Machbarkeit am Standort Prosper‐Haniel ist bestätigt • Kombinierte Förderung durch den Bund und das Land NRW: 7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 14
Arbeitspakete der 2. Phase
AB 3 Projektleitung, Verbundkoordination & Öffentlichkeitsarbeit (WaWi)
Bereitstellung von Daten (RAG, DMT)
AB 2 Arbeitspakete
AB 1 Grundlagenermittlung &
• AP 2.1 Ermittlung von Maßnahmen und Kosten zur Optionssicherung der
rechtlichen Rahmenbedingungen (RAG, DMT)
• AP 2.2 Industriebeteiligung und Betreibermodelle (RAG, WaWi, LEE)
• AP 2.3 Investitions‐ und Betriebskosten eines untertägigen Pumpspeicherwerkes (LEE)
• AP 2.4 Detailuntersuchung der geologischen Rahmenbedingungen (Geologie, DMT)
• AP 2.5 Weiterentwicklung eines technischen Konzeptes für ein UPSW
(WaWi, LEE, ILF, RAG, DMT)
• AP 2.6 Restriktionen aus Bauablauf und Logistik; Inbetriebnahmekonzept (DMT, ILF)
• AP 2.7 Betriebs‐ und Arbeitssicherheit für Bau und Betrieb
inkl. Monitoring‐ und Schutzkonzept (RAG, DMT, ILF)
• AP 2.8 Stakeholderdialog – regionalwirtschaftliche und strukturpolitische Chancen (RISP)
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 15Spezifikation der betrachteten Pumpspeichervarianten
Variante A Variante B
Installierte Turbinenleistung 200 MW
Bruttofallhöhe 530 m
Speicherkapazität (Wasser) 600.000 m³
Speicherkapazität (elektrisch) 735 MWh
85.000 Haushalte für einen Tag
Länge aufzufahrender Stollen 26,7 km
Nutzung des Schrägschachtes Nein
Entladedauer 3 h, 40 min
Maschinenkonfiguration Ternärer Reversible
Maschinensatz Pumpturbine
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 16Schacht 10 Bergwerk Prosper‐Haniel:
Haniel, Schacht 1
• Druckschacht
• Bewetterung
Haniel, Schacht 2
• Kavernenzugang
Schacht 9 • Entrauchung
Prosper IV, Schacht 9
• Entlüftung
Schacht 1/2 Bottrop • Revision
Förderberg/ Prosper II, Förderberg
Prosper II • Bau und Betriebszugang
inkl. Energieableitung und
Bildquelle: RAG
Netzanbindung
Bildquelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Bergwerk_Prosper‐Haniel
Fachtagung für Energiespeicherung ‐
7. März 2019 Dresden 17Lage des Speicherrings • Länge: 15.5 km Schacht 1 und 2 werden als Druckrohrleitung, • Volumen: 575.000 m³ Kommunikationsleitungen und Energieableitung genutzt • Durchfluss: 40 m³/s • Max. Fallhöhe: 598 m • Leistung: 201 MW • Energie: 800 MWh (4 h) 7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 18
Franz Haniel
Underground Pumped Storage
Franz Haniel
Schacht 1 & 2
+60 m
Abraum
‐300 mNN
2. Sohle
3. Sohle
‐530 mNN
5. Sohle
6. Sohle
‐1000 mNN
Kohlenhaltig
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 19Franz Haniel
Underground Pumped Storage
Franz Haniel
Schacht 1 & 2
+60 m
Abraum
‐300 mNN
2. Sohle
3. Sohle
‐530 mNN
5. Sohle
6. Sohle
‐1000 mNN
Kohlenhaltig
Zukünftiger Grundwasserspiegel
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 20Franz Haniel
Underground Pumped Storage
Franz Haniel
Schacht 1 & 2 OBERBECKEN
+60 m
Abraum
‐300 mNN
2. Sohle
3. Sohle
UNTERTÄGIGER ‐530 mNN
RINGSPEICHER 5. Sohle
6. Sohle
‐1000 mNN
Kohlenhaltig
Zukünftiger Grundwasserspiegel
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 21Durchgeführte geologische Untersuchungen Allgemeine Geologie Standort Prosper‐Haniel • Auswertung von geologischer Karten, Schachtschnitten, Flözrissen und Tiefbohrungen • Interpretation des Gebirgsaufbaus hinsichtlich Faltung, Tektonik und Lithologie • Konstruktion von geologischen Querschnitten und Schemazeichnungen Grubenbau • Erhebung digitaler Daten zum Aufbau des Grubengebäudes • Ermittlung der geometrischen Eigenschaften des Streckensystems (ArcGIS) • Aufstellung einer Matrix zur Bewertung des aktiven und inaktiven Streckensystems • Erfassung abgeworfener Strecken und Baufelder Hydrogeologie • Hydrogeologische Einordnung des Untersuchungsgebietes • Hydrochemische Untersuchungen zur Realisierung eines offenen Systems (PHREEQ‐C) 7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 22
Durchgeführte geologische Untersuchungen • Großtektonische Betrachtung • Aufbau eines tektonischen Modells (Leapfrog Geo) zur dreidimensionalen Visualisierung von tektonischen Störungen und Lithologien • Erfolgte Analyse einer Trassenschar für einen unterirdischen Ringspeicher Detailbetrachtung am Kavernenstandort • Räumliche Vorpositionierung von Kavernenstandorten • Festlegung der Lage und Orientierung von Erkundungsbohrungen • Geotechnische Aufnahme der Erkundungsbohrungen • Aufbau eines geologischen 3D‐Schichtenmodells (Leapfrog Geo) • Nummerische Berechnungen zur Stabilität der Kavernenbauten (FLAC) 7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 23
Standort Prosper‐Haniel
• Bergwerksgelände teilweise im Besitz der Steag
(Grubengasverwertungsanlage)
• Direkt angrenzende Schutzgebiete (FFH & LSG)
Die Flächendarstellung des Flächennutzungsplans
wurde 03/2017 letztmalig aktualisiert. (Quelle: Stadt
Bottrop/RVR)
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 24Vorhandene Infrastruktur (Übertragungsnetz) 110 kV
220 kV
380 kV
Schacht
1&2
Förderberg
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 25Konzeption zur Energieableitung
• Anbindung an 110 kV Spannungsnetz
bereits vorhanden
• Verortung des oberen Speichers auf dem
Betriebsgelände der RAG AG möglich
Schacht 2 • Dimensionierung ist zu klären und abhängig
Schacht 1 vom unterem Speichervolumen
110 kV-Leitung
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 26Konzeption zur Energieableitung Förderberg/
Prosper II
• Mehrere Spannungsebenen in 500 bis
1.000 Meter Entfernung
• Kabelführung von Maschinenkaverne
Trafokaverne Förderberg
über Tage
• Absicherung der Hochspannungskabel 220 kV-Leitung
im Förderberg
380 kV-Leitung
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 27Lageübersicht technisches Konzept Untertage
• 3 Maschinensätze á 67 MW
bestehend jeweils aus
Turbine, Pumpe, Generator
(Ternärer Satz)
• Horizontale Achse
• Höhe Achse: ca. ‐521 NN
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 28Kavernenkonzept 7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 29
Betriebs‐ und Arbeitssicherheit für Bau und Betrieb • Betriebssicherheit ist dauerhaft zu gewährleisten • Konzepte für die Anlagenrevision • Dauerhafter Umgang mit Gebirgsmechanik • Gewährleistung der Explosionsschutzanforderungen • Auslegung der Bewetterung für alle Betriebszustände • Entrauchungs‐ und Entfluchtungsmöglichkeiten, • u. a. 7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 30
Rechtliche Rahmenbedingungen
Haupteinordnung für Bau und Betrieb in Berg‐ oder Wasserrecht
Derzeitiger Sachstand: Wasserrecht
In beiden Systemkonfigurationen (offen/geschlossen) muss die Bereitstellung von Wasser zu
Zwecken der Einspeisung und Ausgleich von Verlusten geregelt sein.
Wasserkontingente und Entnahme‐Entgeld
Laufende Untersuchung von Anforderungen, die in einem Planfeststellungsverfahren von Bedeutung
sind
Untersuchung von Baurecht, Kreislaufwirtschaftsrecht, Bergrecht, Naturschutzrecht,
Immissionsrecht, etc.
Ergebnis dieses Arbeitspaketes:
Anlage kann ohne gesetzgeberischen Handlungsbedarf in bestehenden Rechtsrahmen
genehmigt werden
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 31Investitionskosten der betrachteten Varianten
Investitionskosten zweier ausgesuchter UPSW‐Varianten
800 Mio
658 Mio. Euro
700 Mio 614 Mio. Euro Sonstiges
Investitionskosten in Euro
600 Mio
Kavernen
500 Mio
Maschinen
400 Mio
Infrastruktur
300 Mio
200 Mio Oberbecken
100 Mio
Speicherring
0 Mio
Minimum A Variante A Maximum A Minimum A Variante B Maximum A
3290 Euro/kW 3070 Euro/kW
zum Vergleich PSW Atorf: 1070 Euro/kW
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 32Jährliche Betriebsaufwendungen Jährliche Betriebsaufwendungen = Wartungskosten + Betriebskosten + Instandhaltungskosten 1. Personalkosten 2. Materialaufwand und Fremdleistung 3. Abschreibung 4. Abgaben 5. Übriger Betriebsaufwand Bei UPSW ca. 4,2 Mio. Euro / Jahr 6. Bergmännische Sicherheitskosten 7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 33
Die wichtigsten Ergebnisse ‐ „in a nutshell…“ • Technische Machbarkeit konnte für das Bergwerk Prosper‐ Haniel bestätigt werden • Konzept als geschlossenes System mit definierten Ober‐ und Unterbecken • Anlage mit 201 MW bei 800 MWh Kapazität (4 h) • Auffahrung und der bestehenden Schachtanlagen zu einem 15,5 km Ringspeicher • Investitionskosten unter der derzeitigen Marksituation kaum tragbar • Markt oder energiepolitische Anpassungen erforderlich • Rechtliche Rahmenbedingungen gegeben (PFV + Rahmenbetriebsabschlußsverfahren) • reduzierte Landschafts‐ und Umwelteingriffe sorgen für eine erhöhte Akzeptanz im Vergleich zu klassischen PSW • Anbindung an das Übertragungsnetz niederschwellig aufgrund der vorhandenen Netzinfrastruktur Grafik: bdw; Foto: RAG 7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 34
Mediale Präsenz
Anfragen aus: Australien, China, Chile,
Korea, Spanien, Slowenien,
Südafrika, Belgien, Frankreich,
Ukraine, Polen, Tschechien,
USA, Italien,…
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 35Mediale Präsenz
UPSW in den Medien
25
18 17 18
6 7
5 4
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 36Feedback der Stakeholderbefragung
Stakeholder
BUND – Landesverband NRW Landesverband Erneuerbare Energien (LEE)
Business Metropole Ruhr GmbH (BMR) NABU – Landesverband NRW
Deutscher Gewerkschaftsbund (DGB NRW) pro Ruhrgebiet e.V.
Handwerkskammer Münster Regionalverband Ruhrgebiet (RVR)
Haus und Grund Ruhr Verbraucherzentrale NRW
IHK Nord Westfalen Wirtschaftsförderung Kreis Recklinghausen
Innovation City Ruhr Management GmbH WiN Emscher‐Lippe GmbH
KlimaExpo.NRW
Tenor der Stakeholdergespräche: grundsätzlich positiv…
• stabilisiere den Umbau des Energiesystems, gewährleistet als Speicher
Versorgungssicherheit inmitten des metropolen Ballungsraums
• verkörpere Bergbaufolge nicht nur durch Nachnutzung, sondern auch i.S. der
Weiterverwertung von Bergbau‐Know‐How
• habe das Format zu einem innovativen regionalen Leitprojekt
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 37Feedback der Stakeholderbefragung Kritische Einwürfe • ließe sich auf dem aktuellen Energiemarkt nicht darstellen und sei angesichts der Investitionskosten mit hohem Risiko behaftet • sei ein infrastrukturelles Großprojekt alter Machart, einmal im Betrieb, werden keine weiteren technologischen Innovationen angestoßen Anregungen und Impulse • Synergien herstellen: EL als Region von Speichertechnologien (virtuelles Kraftwerk plus Brennstoffzellentechnik) und Energieeffizienz • Entwicklung des Standorts Prosper‐Haniel in Bottrop inklusive Oberbecken als städtebauliches Highlight 7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 38
Feedback der Stakeholderbefragung Wichtige Potenziale: Bedarf an ergänzenden Studien … • Regionale Wertschöpfungseffekte • Exportfähigkeit und internationale Technologieführerschaft • Wer partizipiert Wie: Technologische Dienstleister, Engineering, F& E…. ? Ein großer Trumpf: die Bevölkerung in EL ist bergbauaffin… • Beteiligung vor Ort an der Planung • Wirtschaftliche Teilhabe ermöglichen, z.B. analog einer „Energiegenossenschaft“ • Akzeptanz, weitergehend sogar großer Zuspruch vorhanden 7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 39
EU‐Aktuell ‐ Plattform für Kohleregionen im Wandel
• Hintergrund:
in 41 Regionen in 12 Mitgliedstaaten wird/wurde Kohle gefördert ‐
Das Bekenntnis der EU zum Umstieg auf regenerative Energien ist unumkehrbar und
nicht verhandelbar
• Die einzurichtende Plattform für Kohleregionen im Wandel soll helfen,
die Herausforderungen der Erhaltung von Wachstum und Beschäftigung in diesen
betroffenen Gemeinschaften zu bewältigen (ökologisch und sozial)
• Dialog über
politische Rahmenbedingungen und Finanzierung
Strukturwandel, einschließlich wirtschaftlicher Diversifizierung und Umschulung
die Einführung von Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energieträger,
Ökoinnovationen und fortschrittliche Kohletechnologien
• Am 11. Dezember 2017 fand in Straßburg der Auftakt zur „Kohleplattform“ statt
• „Best‐Practice“‐Regionen und Projekte werden Ende Februar 2018 vorgestellt werden
7. März 2019 Fachtagung für Energiespeicherung ‐ Dresden 40Vielen Dank
Prof. Dr.‐Ing. André Niemann
andre.niemann@uni‐due.de
Universität Duisburg‐Essen
Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft
Universitätsstraße 15
45141 Essen Projekt „Machbarkeit eines untertägigen PSW am Bergwerk Prosper‐Haniel
in Bottrop in der Bergbaufolge“
MWIDE NRW, Projektträger ETN, Förderkennzeichen: PRO 0063,
BMWi, Projektträger Jülich, Förderkennzeichen: 03E T6100Sie können auch lesen
