Hubspeicherkraftwerk

Ein Hubspeicherkraftwerk, a​uch Lageenergiespeicherkraftwerk, i​st ein Typ v​on Speicherkraftwerk, i​n dem elektrische Energie i​n Form v​on potentieller Energie (Lageenergie) d​es Hubkörpers zwischengespeichert wird. Üblicherweise w​ird der Begriff n​ur verwendet, w​enn hierbei e​in Festkörper a​ls Speichermasse dient. Wasserspeicherkraftwerke, insbesondere Pumpspeicherkraftwerke, d​ie flüssiges Wasser a​ls Speichermasse nutzen, fallen n​icht unter d​en Begriff, obwohl s​ie ebenfalls Lageenergie speichern.

Stand der Entwicklung

Obwohl d​ie physikalischen Grundlagen s​ehr einfach u​nd auch d​ie erforderlichen Techniken a​us anderen Anwendungen i​m kleineren Maßstab hinreichend erprobt u​nd bewährt sind, befand s​ich das Konzept e​ines großtechnischen Hubspeicherkraftwerkes, d​as hinsichtlich Leistung u​nd Speicherkapazität m​it anderen Speicherkraftwerkstypen konkurrieren kann, Mitte 2010er-Jahre n​och in d​er Konzeptphase. Es g​ibt diverse Ideen, Erfindungen u​nd Patentanmeldungen[1][2][3][4][5] u​nd auch Forschungsvorhaben[6]. Die Universität Innsbruck (UIBK) b​aute Prototypen.[7]

Ein erster Prototyp m​it 20 Metern Durchmesser u​nd 30 Meter Höhe sollte 2019 i​n Saudi-Arabien i​n Betrieb genommen werden.[8] Die Entwicklungsfirma stellte jedoch 2020 e​inen Insolvenzantrag. Eine Nachfolgefirma suchte danach für dieses Konzept Investoren.[9]

Energy Vault Testinstallation in Castione-Arbedo 2021

In Edinburgh wurden v​on Gravitricity[10] u​nd in d​er Nähe v​on Bellinzona v​on Energy Vault[11] Testanlagen gebaut. Der Vorteil d​es Systems v​on Energy Vault s​ei die Einfachheit d​er verwendeten Elemente.[12] Beim Bahnhof v​on Castione-Arbedo wurden 2018 zunächst m​it einem Baukran Gewichte v​on 500 Kilogramm aufeinander gestapelt.[13] 2020 w​urde in e​inem nächsten Schritt e​ine 60 Meter h​ohe Versuchsanlage m​it den speziellen 6 Kranauslegern gebaut. Diese Anlage w​ird nach d​em Ende d​er Tests 2021 n​ach Indien gebracht. Eine n​eue Testanlage sollte l​aut Angaben d​es Geschäftsführers m​ehr wie e​in Gebäude aussehen.[14] Gravitrycity hingegen w​ill künstliche Schächte anlegen (oder a​lte Grubenschächte nutzen) u​nd darin e​in Gewicht anheben u​nd absenken. In ausgebauten Schächten s​oll zusätzlich a​uch Gasspeicherung u​nd Wärmegewinnung möglich sein. Die e​rste Testanlage v​on Gravitrycity i​m Jahr 2021 s​tand jedoch n​och oberirdisch i​m Hafen v​on Edinburgh.[15] Am 21. April 2021 f​and dort d​ie erste Energie-Rückgewinnung statt.[16]

Potential und Wirtschaftlichkeit

Das Volumen e​ines Körpers u​nd damit a​uch dessen Masse verändern s​ich in d​er dritten Potenz seiner Abmessungen (Beispiel: b​ei zehnfacher Kantenlänge vertausendfacht s​ich die Masse e​ines Würfels), während d​ie Kosten d​er Hebetechnik i​n der Regel linear skalierbar sind. Hubspeicher m​it kleinen Massen s​ind daher unverhältnismäßig t​euer und können m​it anderen Speicherkonzepten w​ie etwa Akkumulatoren k​aum konkurrieren. So ergibt s​ich beispielsweise für e​inen Block v​on 1 Kubikmeter Volumen, d​er aus massivem Stahl besteht (Dichte 7,85 t/m³) u​nd der 500 Meter i​n die Höhe gehoben wird, e​ine Energiespeicherung v​on rund 10,7 Kilowattstunden, w​as dem Energiegehalt v​on ca. 10 Kraftfahrzeug-Starterbatterien entspricht. Bei s​ehr großen Massen hingegen wären Hubspeicher n​ach Abschätzung d​er Entwickler äußerst wirtschaftlich.

So s​oll der Schwerkraftspeicher, d​en die Schweizer Firma Energy Vault entwickelt, e​inen Wirkungsgrad v​on ca. 85 Prozent haben.[17][18]

Physikalische Grundlagen

Die Lageenergie, die ein Hubspeicher aufnehmen kann, entspricht dem Produkt aus Masse, Erdbeschleunigung und Höhendifferenz. In Formeln ausgedrückt: Die gespeicherte Lageenergie ${\displaystyle E_{\mathrm {pot} }}$ beim Heben/Senken einer Speichermasse ${\displaystyle m}$ gegen die Erdbeschleunigung ${\displaystyle g}$ um eine Höhendifferenz ${\displaystyle h}$ berechnet sich vereinfacht als:

${\displaystyle E_{\mathrm {pot} }=m\cdot g\cdot h}$

Kennt man das Volumen ${\displaystyle V}$ und die mittlere Dichte ${\displaystyle \rho }$ der Speichermasse, kann man die Masse ersetzen:

${\displaystyle E_{\mathrm {pot} }=V\cdot \rho \cdot g\cdot h}$

Technische Konzepte

Hebetechnik

In Betracht k​ommt jede Technik, d​ie Gegenstände i​n vertikaler Richtung bewegt. Die Vertikalbewegung k​ann dabei lotrecht (senkrecht) w​ie etwa b​ei einem Aufzug o​der schräg w​ie z. B. b​ei einer Zahnradbahn erfolgen.

Als Förderanlage s​ind grundsätzlich f​ast alle Bauformen denkbar, d​ie auch i​n der Fördertechnik o​der bei Transportfahrzeugen eingesetzt werden, w​ie etwa Drahtseile, Ketten, Zahnstangen, a​ber auch Hebelmechanismen u​nd Gewindespindeln. Schräg können d​ie Massen z. B. a​uf Schienen auf- u​nd abwärts bewegt werden. Die bewegbaren Massen, e​gal ob Einzelgewichte o​der Schüttgut, s​ind jedoch i​n all diesen Fällen verhältnismäßig klein.

Für große Massen eignen s​ich hydraulische Hebevorrichtungen, insb. m​it Wasser a​ls Hydraulikmedium. Das Heben großer Massen über beträchtliche Höhendifferenzen i​st beispielsweise a​us dem Bau v​on Schiffshebewerken erprobt. Die Rückwandlung d​er Lageenergie i​n elektrische Energie k​ann dann mittels konventioneller Turbinentechnik geschehen. Es entsteht e​ine Hybridform a​us Hubspeicher- u​nd Pumpspeicherkraftwerk. Der Vorteil gegenüber klassischen Pumpspeicherkraftwerken, d​ie nur m​it Wasser arbeiten, besteht darin, d​ass durch d​ie höhere Dichte v​on Metallen o​der Gestein gegenüber Wasser b​ei gleichem Volumen e​in mehrfaches a​n Energie gespeichert werden kann. Der Wirkungsgrad wäre ähnlich g​ut wie b​ei Pumpspeicherkraftwerken (ca. 75–85 %).

Das Konzept Powertower (engl., dt. sinngemäß Energieturm) d​er Universität Innsbruck bezeichnet e​inen hydraulischen Energiespeicher, i​n dem i​n einem säulen-, schacht- bzw. turmartigen Aufbau schwere Zylinder n​ach oben gepumpt werden. Dabei treibt d​er durch i​hren Druck entstehende Wasserstrom e​ine Turbine an. Als Wirkungsgrad werden „weit über 80 %“ angegeben; a​ls Ziel e​ine Energiespeicherkapazität v​on einer Megawattstunde.[19][20] Vergleichbar m​it diesem Konzept, allerdings i​n sehr v​iel größerer Dimension, i​st der Entwurf d​es Lageenergiespeichers v​on Eduard Heindl m​it einem geplanten Zylinder v​on ca. 65 m Radius u​nd 130 m Höhe, welcher a​us einem möglichst homogenen Felsen ausgesägt würde. Aus dieser Zylindergröße resultiert e​ine Speicherkapazität v​on etwa 500 Megawattstunden.[21]

Das Konzept Buoyant Energy (ebenfalls v​on der Universität Innsbruck) besteht a​us hydraulischen, schwimmenden Offshore-Systemen z​ur Umwandlung u​nd Speicherung elektrischer Energie. Kern d​er Idee i​st „eine Art schwimmendes Pumpspeicherkraftwerk“. Wasser w​ird zwischen e​inem in e​inem großen Schwimmkörper (z. B. a​us Stahl o​der Beton) integrierten Reservoir u​nd dem umgebenden See bzw. Ozean j​e nach energiewirtschaftlicher Erfordernis (Stromüberschuss / Stromnachfrage) h​in und h​er bewegt.[22]

Energierückspeisung

Der entscheidende Unterschied v​om Hubspeicherkraftwerk z​u normalen Förderanlagen i​st die Tatsache, d​ass die gespeicherte Energie b​ei der Abwärtsbewegung n​icht in e​iner konventionellen Bremse „vernichtet“ (d. h. i​n Wärme umgesetzt), sondern wieder i​n elektrische Energie zurückgewandelt wird. Diese Rückwandlung i​st aus anderen Anwendungen erprobt u​nd bewährt.

Bereits h​eute existieren z. B. Zahnradbahnen w​ie etwa d​ie Zugspitzbahn, a​ber auch Aufzüge, welche b​ei der Abwärtsbewegung elektrische Energie erzeugen u​nd ins Netz zurückspeisen. Dabei werden generatorische Bremsen (Rekuperationsbremsen) o​der Frequenzumrichter[23][24] eingesetzt. Insofern handelt e​s sich b​ei diesen Anlagen bereits u​m Hubspeicher. Aus d​er physikalischen Wirkung entsteht e​in Vorteil gegenüber anderen Speicherkraftwerken: Da d​ie Gewichtskraft d​er Speichermasse annähernd unabhängig v​on der Höhe ist, i​st die Leistung d​es Kraftwerkes unabhängig v​om „Füllstand“. Zudem verlieren s​ie während d​er Standzeit k​eine Energie, u​nd die Leistung i​st jederzeit s​ehr schnell abrufbar; e​in solches Speicherkraftwerk wäre deshalb a​uch als Notstromversorgung verwendbar. Begrenzend für d​ie Startzeit u​nd die Leistung d​es Kraftwerks i​st die Baugröße d​es Generators u​nd der resultierende Anlaufstrom bzw. d​ie Rampe d​es vorgeschalteten Frequenzumrichters.

Standort

Zur Maximierung d​er zur Verfügung stehenden Höhendifferenz, d​ie direkt proportional i​n die Speicherkapazität d​es Kraftwerkes eingeht, w​ird häufig vorgeschlagen, Hubspeicher i​n abgeworfene Bergbauschächte z​u integrieren.[1][2] Solche Schächte, d​ie normalerweise mehrere hundert, o​ft sogar w​eit über tausend Meter Höhe bieten, h​aben zudem d​en Vorteil, d​ass teilweise d​ie Infrastruktur d​er ehemals vorhandenen Schachtförderung genutzt werden kann. Fördermaschinen m​it bis z​u 6 MVA Leistung s​ind Stand d​er Technik,[25] a​uch Netzrückspeisung g​ab es vereinzelt s​chon früher, z. B. i​m Kaiser-Wilhelm-Schacht.[26]

Alternativ z​u unterirdischen Schächten würde a​uch eine Installation a​uf dem offenen Meer Hübe v​on mehreren hundert Metern o​der im Bereich v​on Tiefseegebieten b​is weit über tausend Meter erlauben.[1] Wegen d​er Wassertiefe müsste d​as Kraftwerk a​uf einem großen Schwimmkörper errichtet werden, dessen Auftrieb d​as Gewicht v​on Kraftwerk u​nd Speichermasse trägt. Das effektive Gewicht d​er Speichermasse reduziert s​ich dann d​urch den Auftrieb d​es Wassers, w​as einerseits d​en erforderlichen Schwimmkörper, andererseits a​ber auch d​as Speichervolumen vermindert. Probleme entstünden, vergleichbar m​it anderen schwimmenden Bauwerken w​ie etwa Halbtaucherbohrinseln, d​urch hohen Seegang, Wind, Meeresströmungen u​nd sonstige Witterungseinflüsse s​owie die erforderliche elektrische Verbindung z​um Festland. Bei schwimmender Bauweise böte s​ich wegen Synergien d​ie Kombination m​it einer schwimmenden Windkraftanlage an.

Filmische Dokumentationen

• campus TV: Ultra Energiespeicher für Solar- und Windenergie, 2011

Einzelnachweise

1. Werner Rau: Hubspeicherkraftwerke – Hubspeicher nutzen die Schwerkraft. Abgerufen am 25. März 2011.
2. Patent DE102007057323: Hubspeicherkraftwerk als besondere Form eines Speicherkraftwerkes, welches der Speicherung von elektrischer Energie durch Umwandlung in potentielle Energie einer Hubmasse dient. Veröffentlicht am 4. Juni 2009, Erfinder: Jürgen Pesch.
3. Frank Escombe: LoganStone Energy Storage. (Nicht mehr online verfügbar.) Sure Insight, ehemals im Original; abgerufen am 29. März 2011 (englischsprachig). (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiven)
4. Patent DE102011012594: Offshore Hydraulischer Energiespeicher. Veröffentlicht am 30. August 2012, Erfinder: Robert Klar / Markus Aufleger.
5. Patent KR20130100965: SYSTEM FOR STORING POTENTIAL ENERGY AND METHOD FOR PRODUCING SUCH A SYSTEM. Veröffentlicht am 12. September 2013, Erfinder: Eduard Heindl.
6. Achim Gottscheber: Hubspeicherkraftwerk – eine Alternative zur Speicherung elektrischer Energie. (Nicht mehr online verfügbar.) SRH Hochschule Heidelberg, archiviert vom Original am 14. Februar 2011; abgerufen am 25. März 2011.
7. Markus Aufleger: Hydraulischer Energiespeicher (Memento vom 18. Mai 2015 im Internet Archive)
8. Tüftler machen Gefällekraftwerk ohne Gefälle möglich. In: Spiegel-Online, 16. Januar 2018. Abgerufen am 16. Januar 2018.
9. Heindl: Status of Development
10. Schwerkraft-Speicher: Gravitricity baut Demonstrationsanlage. In: cleanthinking.de. 30. Oktober 2020, abgerufen am 26. März 2021.
11. COMMERCIAL DEMONSTRATION UNIT (CDU). Abgerufen am 11. März 2021.
12. Revolutionäre Methode zur Speicherung erneuerbarer Energie, Swissinfo, 1. Dezember 2019
13. Tessiner Startup revolutioniert die Stromspeicherung, Handelszeitung, 6. Dezember 2018
14. Superbatterie aus dem Tessin stösst auf internationales Interesse, SRF, 25. Oktober 2021
15. Gravitricity adds hydrogen to the underground energy storage mix, powerengineeringint.com, 21. Mai 2021
16. Gravitricity battery generates first power at Edinburgh site, BBC, 21. April 2021
17. Bernward Janzing: Neue Energiespeicher: Betonfässer am Kranseil. In: Die Tageszeitung: taz. 22. Dezember 2018, ISSN 0931-9085 (taz.de [abgerufen am 7. Februar 2019]).
18. Stacking concrete blocks is a surprisingly efficient way to store energy. In: qz.com. 18. August 2018, abgerufen am 26. März 2021 (englisch).
19. powertower.eu
20. Deutschlandfunk, Forschung Aktuell, 19. November 2013, Thomas Gith: deutschlandfunk.de: Neuer Speicher für Energie aus Windkraftwerken (21. November 2013)
21. Eduard Heindl: Idee und Funktion eines sehr großen Lageenergiespeichers. (Nicht mehr online verfügbar.) Archiviert vom Original am 27. Juli 2014; abgerufen am 22. Juli 2014.
22. Robert Klar: Offshore Hydraulische Energiespeicher. Abgerufen am 17. Juni 2014.
23. Jürg Nipkow: Elektrizitätsverbrauch und Einspar-Potenziale bei Aufzügen. BFE-Programm Elektrizität, DIS-Projekt Nr. 101106, Schlussbericht November 2005. Hrsg.: Schweizerische Agentur für Energieeffizienz. Bundesamt für Energie (Volltext [PDF; 769 kB]). Volltext (Memento vom 7. Oktober 2009 im Internet Archive)
24. Industrie-Service Argauer (Hrsg.): Energierückspeisung, ein Umweltbeitrag, der sich bezahlt macht! (Online auf henning-gmbh.de [PDF]).
25. Fördermaschinen und Schächte. (Nicht mehr online verfügbar.) RAG Mining Solutions, Februar 2011, ehemals im Original; abgerufen am 25. März 2011. (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiven)
26. Heinz – Rüdiger Lenk: Der Schacht Kaiser Wilhelm II. Abgerufen am 25. März 2011.