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

Funktionsweise

Der Lageenergiespeicher basiert auf dem Prinzip eines Pumpspeicherkraftwerkes mit dem Unterschied, dass potentielle Energie nicht im Höhenunterschied zweier Wasserreservoirs gespeichert wird, sondern in der Höhenlage eines Massekolbens . Dieser kann sich innerhalb eines Zylinders vertikal bewegen. Das Wasserinventar der Konstruktion dient als hydraulisches Medium, um den Kolben mittels Motor-/Pumpeneinheit oder Turbinen-/Generatoreinheit    zu bewegen. Der Unterschied des Lageenergiekonzeptes zu konventioneller Pumpspeichertechnik ist die erhöhte Energiedichte der im System speicherbaren Energien bei einem deutlich reduzierten Flächenbedarf. Die potentiell speicherbare Energie ist direkt proportional zum Dichteunterschied zwischen Massekolben und Hydraulikmedium und erhöht sich mit der vierten Potenz der geometrischen Abmessungen. Dieses Power-to-Power-to-X-System erzielt hohe Energiespeicherdichten mit gleichzeitig hohen Wirkungsgraden bei der Ein- und Ausspeicherung von Energie in das Stromnetz.

Der zu bearbeitende Forschungsgegenstand ist ein Lageenergiespeicher mit der Bezeichnung Stülpmembranspeicher (SMS), welcher der Kategorie Deep Shaft Method (DSM) zuzuordnen ist. Der Aufbau eines Speichers der DSM befindet sich komplett oder zum größten Teil im Untergrund. Dadurch soll die Akzeptanz der Bürger zu Speichertechnologien, welche große Kapazitäten ermöglichen, sichergestellt werden. Des Weiteren vermeidet die unterirdische Bauweise ein Überflutungsrisiko und kann je nach bautechnischer Vorbereitung (bspw. mit Kombination von Injektions- und Schlitzwandtechniken) in diversen Untergründen errichtet werden.

Schema geotechnischer Membran-Lageenergiespeicher mit saisonaler Wärmespeicherung

Die Stülpmembran  ist die abdichtende Komponente zwischen der oberen und der unteren Druckzone im Speicher. Diese ist ein Alleinstellungsmerkmal und zugleich eine der wesentlichen konstruktiven Innovationen dieses Vorhabens neben anderen DSM-Speichern. Die Membran-Dichtung ermöglicht über einen langen Zeitraum eine leckage- und wartungsfreie Betriebsführung bei unterschiedlichen Wassertemperaturen.

Das vorhandene Wasserinventar lässt sich ohne nennenswerten bautechnischen Mehraufwand, neben der hydraulischen Funktion für die potentielle Energiespeicherung, als saisonaler Wärmespeicher nutzen. Hierzu werden an der Innenoberfläche des Außenzylinders Wärmeüberträger angebracht, welche an ein vorhandenes oder zukünftiges Zweileiterfernwärmenetz  angeschlossen werden können.

Zusätzlich wird oberhalb der Konstruktion eine schwimmende Dämmschicht  installiert, welche optional mit Solarthermie oder Photovoltaikanlagen bestückt werden kann. Diese Speicherkonstruktion ermöglicht somit, Energie für Strom und Wärme unabhängig voneinander zu speichern und mit der zusätzlichen Aufnahme regenerativer Energieumwandlungsanlagen die benötigte Grundstücksfläche dreifach effizient zu nutzen.

Wärmenetz

Fernwärme ist bereits heute eine Alternative zu konventionellen Heizmethoden und steigert den Primärenergienutzen durch cleveres Bewirtschaften der Abwärme von thermischen Kraftwerken. Eine etablierte Netzstruktur besteht aus einem isolierten Zweileiter Rohrsystem (Vor- und Rücklauf), welches Wärmeproduzenten und -konsumenten miteinander verbindet. Ein Großwärmespeicher erlaubt je nach Kapazitätsgröße eine zeitliche Entkopplung zwischen Wärmeerzeugung und -verbrauch. Besonders KWK-Anlagen oder geothermische Kraftwerke, bei welchen die Strom- und Wärmebereitstellung direkt miteinander verbunden sind, profitieren bereits von kleineren Speichern im Versorgungsnetz. Bei genug Kapazitäten im Wärmenetz ist eine Verlagerung des thermischen Überangebotes aus dem Sommer in den Winter möglich. Ein entsprechender Energieeintrag mittels Solarthermie ermöglicht innovative Ansätze zur Dekarbonisierung der Wärmebereitstellung. Als Prosumer innerhalb eines solchen Netzes ist es möglich, seinen eigenen Wärmeverbrauch mit erneuerbaren Umwandlungsanlagen dezentral zu erzeugen und zentral zu speichern.

Zweileiter-Wärmenetz mit Konsumenten, Produzenten, Prosumer und Wärmespeicher

Prosumer-Konzept

Der Begriff Prosumer beschreibt eine Person, welche innerhalb eines Marktes Produkte oder Dienstleistungen konsumiert und auch produziert. Ein etabliertes Prosumer-Modell im Stromsektor ist die Stromerzeugung durch Photovoltaikanlagen auf der eigenen Dachfläche. Die privat geerntete elektrische Energie deckt teilweise den Eigenverbrauch und kann je nach Angebots- und Nachfragesituation beim Stromnetzbetreiber ein- oder verkauft werden. Analog dazu wurde ein Prosumer-Anschluss für ein Zweileiter-Wärmenetz konzipiert. Die Schnittstelle zwischen Netz und Privatperson besteht aus jeweils zwei Wegeventilen, Absperrventilen und Wärmezählern sowie einer Druckerhöhungsanlage (Pumpe) und einem Wärmetauscher. Um den Wirkungsgrad zu optimieren wird der Wärmetauscher immer im Gegenstrom betrieben. Je nach aktueller Wetterlage und Energiebedarf werden drei Versorgungsszenarien skizziert: Eigenbedarfsdeckung, Überangebot und Wärmedefizit (siehe Bilderserie). Bei einem Überangebot an thermischer Energie und aufgeladenen Pufferspeicher wird der Rücklauf des Fernwärmenetzes aufgeheizt und in den Vorlauf gepumpt. Entsprechender Wärmebetrag ist für andere Marktteilnehmer nutzbar oder wird in den Großwärmespeicher für Defizitphasen eingespeist. Das Prosumer-Konzept in Kombination mit einem Nah- oder Fernwärmenetz und einem saisonalen Wärmespeicher besitzt das Potential, die Wärmeversorgung zu einem hohen Grad zu dekarbonisieren, den Nutzungsgrad und damit die Nachfrage von Solarthermieanlagen zu erhöhen sowie die Wärmeenergiebereitstellung zu entmonopolisieren.  

  • Prosumeranschluss: Wärmeentnahme aus dem Wärmenetz
  • Prosumeranschluss: Wärmeabgabe an das Wärmenetz durch Solarthermie
  • Prosumeranschluss: Wärmeversorgung mittels Solarthermie