Dieses Projekt befindet sich in der Skizzenphase, das heißt, es wird noch NICHT gefördert. Dementsprechend sind weitere (auch assoziierte) Projektpartnerschaften willkommen. 

Kapazitäten und Systemgröße

Je nach Größenordnung eines Stülpmembranspeichers wird festgelegt, ob die saisonale Wärmespeicherung oder die Stromspeicherung von fluktuierenden Energieumwandlungsanlagen vorrangig ist. In der nachstehenden Abbildung wird der Zusammenhang einer linearen Größenskalierung eines SMS und dessen geometrisch abhängige Energiekapazitäten in Gigawattstunden dargestellt.

Energiekapazitäten in GWh eines SMS bei linearer Größenskalierung

Die eingefärbten Markierungen (grün: Demonstratorgröße, blau: Prototypengröße) werden in der nächsten Abbildung vergrößert. Innerhalb dieser Ausschnitte sind die jeweiligen speicherbaren Energiemengen als Saison- bzw. Tagesladungen für eine entsprechende Einwohneranzahl eines Versorgungsgebietes abgebildet („Saisonladung potentieller Energie“ entspricht etwa 10 Tagesladungen elektrischer Überbrückungskapazität für die Dunkelflauten eines regenerativen Versorgungssystems). Die beispielhafte Speicherdimensionierung eines Lageenergiespeichers der DSM bezieht sich auf eine lineare Größenskalierung bei konstanten Geometrieverhältnissen. Die Temperaturdifferenz im Wasserinventar entspricht 20K.

Energiekapazitäten eines SMS, transformiert auf Einwohneranzahl, bei linearer Größenskalierung

Zu sehen ist der Zusammenhang zwischen der Baugröße und den speicherbaren Energiemengen. Der Schnittpunkt bei 340 m zeigt eine Speichergröße, bei welcher ausreichend thermische und potentielle Überbrückungskapazität für ein Quartier mit rund 4.000 Einwohnern bereitgestellt wird. Dieser Schnittpunkt kann mittels einer Veränderung der Geometrieverhältnisse angepasst werden. Dabei ist festzuhalten, dass ein SMS mit mittleren Dimensionen (Zylindertiefe 340m) ein Quartierspeicher für Wärme mit zusätzlicher Stromspeicherfunktion sein kann. Im Vergleich dazu hätte eine große Version des SMS (Zylindertiefe 340m) die potentielle Kapazität für einen kommunalen Stromspeicher und einen Zusatznutzen als Quartierspeicher für Wärme. Unter Beachtung von Wirkungsgraden und Verlusten beim Energietransport sowie des existierenden und zukünftigen Bedarfs solcher Speicher, wird großen Speichern daher die Rolle eines städtischen oder regionalen Stromspeichers zugeschrieben. Kleine und mittelgroße Speicher hingegen übernehmen die Rolle eines kommunalen Wärmespeichers mit zusätzlicher Stromspeicherfunktion.

Energiespeicher in Deutschland

Aus historischen Gründen wurde das Verhältnis der Auf- und Entladeleistung zur Speicherkapazität von Pumpspeicherkraftwerken in Deutschland auf Tagesspeicher ausgelegt. Somit wurde kostengünstiger Nachtstrom bei geringer Nachfrage eingespeichert und mit einem Wertzuwachs bei hoher Nachfrage tagsüber ins Netz zurückgespeist. Diese rein marktorientierte Auslegung eines Tag-Nacht-Speichers erfüllt nicht die Ansprüche für eine systemverantwortliche, regenerative Versorgungsstruktur. Aus volkswirtschaftlicher Sicht sollten die Umwandlungsleistungsgrößen der Energiespeicher so dimensioniert sein, dass der Stromspeicher die gespeicherte potentielle Energiemenge bei realem Lastverlauf über einen Zeitraum von rund fünf bis zwölf Tagen bereitstellen kann. In der nachfolgenden Abbildung sind Datenwolken der in Deutschland existierenden Speicheranlagen, Stand 2016, in Form eines Ragone-Diagramms zu sehen.

Kapazitätsgrößen des SMS im Ragone-Diagramm [Datenwolken, OTH Regensburg, 2016]

Die eingefügten Bänder in grün und rot orientieren sich an den Zeitspannen, welche ein Energiespeicher für eine stabile Versorgungsstruktur aus zeitlich fluktuierenden, regenerativen Energiewandlern überbrücken können muss, um Netzstabilität während der am längsten zu erwartenden Energiedefizitphasen des Wetters (sog. Dunkelflauten) zu garantieren. Die GeoMem Datenwolken setzen sich aus den Kapazitätsgrößen der ersten Abbildung und dem verbrauchsorientierten Verhältnis zwischen Kapazität und Umwandlungsleistung zusammen. Somit schließt der geotechnische Membran-Lageenergiespeicher mit saisonaler Wärmespeicherung eine Lücke der aktuellen Speichertechnologien im Versorgungsbereich zwischen einem Dorf und einer kleinen bis mittelgroßen Stadt.

GeoMem - Pumpspeichertechnologie mit Innovation

Die wertvollste technische Neuerung dieser Speichertechnologie gegenüber Pumpspeicherkraftwerken ist die nutzbare Wärmekapazität, welche mit der Errichtung einer solchen Anlage einhergeht. Die Bereitstellung dieser Energieformen ist sowohl zeitlich als auch vom Ladezustand der jeweils anderen Energieformen entkoppelt. Somit lässt sich u.a. eine nachträgliche Entkopplung zwischen der thermischen und elektrischen Energiebereitstellung innerhalb von Bestandsnetzen, bspw. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), mit diesem Speicher bewerkstelligen. Große Wärmekapazitäten innerhalb eines Versorgungsnetzes eröffnen zudem regenerative Versorgungsstrategien auf Quartiersebene. Beispielsweise kann somit der Benutzungsgrad und damit die Attraktivität privater Solarthermieanlagen gesteigert werden. Dezentrale Anlagen können das saisonale Wärmeüberangebot aus dem Sommer in ein zentrales Speichersystem für die Nachfrage im Winter einspeisen. Die einhergehende Beteiligung als Prosumer am Wärmemarkt und die höhere Nutzung regenerativer thermischer Energiequellen lassen auf eine hohe Akzeptanz und schnelle Marktdurchdringung hoffen. Ein entsprechendes Demonstrationsvorhaben wird erstmals Erkenntnisse über diese Annahmen liefern.

Die Speicherung von potentieller Energie in der Höhenlage eines Massekolbens steigert die flächenbezogene Energiedichte gegenüber dem Höhenunterschied zweier Wasserbecken eines Pumpspeicherkraftwerkes enorm. Somit ist es theoretisch möglich, mit einer Fläche von 120 km2 (0,032% der Landesfläche Deutschlands) den gesamten Stromspeicherbedarf für eine regenerative Versorgung der Bundesrepublik Deutschland bereitzustellen. Mit der kompakten Bauweise sind kürzere Saug- und Druckleitungen als bei einem Pumpspeicherkraftwerk möglich. Dadurch werden die Umwandlungsverluste der elektrischen Energie zwischen Auf- und Entladen reduziert und sogar als nutzbare Wärme an das Wasserinventar überführt.

Die Membrandichtung des SMS verspricht gegenüber schleifenden Dichtsystemen anderer hydromechanischer Lageenergiespeicher-Konzepte eine höhere Zyklenfestigkeit und eine temperaturunabhängige, leckagefreie Betriebsführung. Außerdem erlaubt die Stülpmembran einen höheren Toleranzbereich im Ringspalt zwischen Kolben und Zylinder und gleicht diesen bei eventuellen Untergrundverformungen aus. Somit soll die Funktionsfähigkeit bei Speicheranlagen im GWh-Bereich gewährleistet werden. Mit den im ersten Forschungsvorhaben geplanten Versuchsständen zur Membrandichtung und zum Systemaufbau werden entsprechende Aussagen belastbar sein.

Der Aufbau eines SMS ist - im Gegensatz zu einem Pumpspeicherkraftwerk, welches an natürliche Höhenunterschiede gekoppelt ist - unabhängig von der naturgegebenen Topografie. Durch geeignete Konditionierung der Bodenstruktur sollen geologische Untergrundstrukturen stabilisiert und wasserundurchlässig gemacht werden, um eine gewisse Unabhängigkeit von spezifischen Bodenstrukturen vor Ort zu erreichen. Es ist vorgesehen, dass die Konstruktion und die damit verbundenen Baustrategien standardisiert werden können. Somit sollen sich bis zur vollendeten Technologiereife Projektsimulationen, automatisierte Baumethoden oder virtuelle Inbetriebnahmen etablieren, welche eine Zeit- und Kostenreduktion für die Planung, Umsetzung und das Monitoring größerer Projekte ermöglichen.

Die unterirdische Bauweise des SMS soll ebenfalls die gesellschaftliche Akzeptanz erhöhen. Es ist geplant mit der Bodenmasse, welche oberhalb des Massekolbens entfernt werden muss, eine Aufschüttung zu erzeugen, um die Bautiefe und somit die Herstellungskosten zu reduzieren. Diese Aufschüttung könnte u. a. agrarwirtschaftlich (bspw. Weinbau) oder für Freizeitaktivitäten (bspw. Sommerrodelbahn) und somit als Ausgleichsfläche genutzt werden. Alternativ ist es möglich, den Aufbau komplett unterirdisch zu gestalten. Hierbei wäre lediglich die Oberfläche (bspw. schwimmende Photovoltaik- oder Solarthermiemodule) zu sehen.