Ist der Lageenergiespeicher realistisch?

Strom mit dem Lageenergiespeicher speichern

Als Erfinder des Konzepts Lageenergiespeicher muss ich natürlich vorwegnehmen, dass ich etwas voreingenommen bin, was die Machbarkeit betrifft. Aber ich werde versuchen, so gut wie möglich, objektiv zu sein.

Arbeitsweise Lageenergiespeicher

Das Prinzip des Lageenergiespeichers

Im Prinzip ist der Betrieb eines hydraulischen Lageenergiespeichers [1] sehr einfach, ein Felszylinder wird mit elektrisch angetriebenen Pumpen durch den Wasserdruck angehoben, bei Strombedarf wird das Wasser aus der Druckkammer über eine Turbine geleitet und liefert Strom. Dass man entsprechende Pumpen und Turbinen bauen kann, die im Stromnetz ökonomisch arbeiten, ist unbestritten, sonst gäbe es keine Pumpspeicherkraftwerke. In der obigen Abbildung ist dies auf der linken Bildhälfte vereinfacht angedeutet. Dass Pumpspeicherkraftwerke momentan wenig Gewinn abwerfen ist ein anderes Problem, das ich unter "paradoxe Marktsignale" schon diskutiert habe.

Bau des Zylinders

Wesentlich schwieriger ist die rechte Hälfte im Bild zu realisieren, der anhebbare Steinzylinder. Hier geht es zuerst um die Frage, kann man einen solchen Felsen freilegen. Ein einfaches Beispiel ist das künstliche Loch des Höwenegg Vulkans, das, bei recht senkrechten Außenwänden, einem "Lageenergiespeicher" mit 100m Radius recht nahe kommt.

Gesägte Steinwände in Salzburg (Googlemaps)

Senkrechte Wände kann man auch sägen, das sieht man in jedem Marmorsteinbruch. Originell ist die Situation in Salzburg, dort wurde versucht, einen Teil des Burgbergs abzusägen, trotz des schlechten Nagelfluh-Gesteins steht die senkrechte Wand immer noch sehr gut:
Noch überzeugender sollte aber das folgende Bild vom Kanal von Korinth sein:

Kanal von Korinth (Bildquelle Wikipedia)

Der Kanal von Korinth besteht aus zwei fast senkrechten Wänden, ähnlich wie beim Lageenergiespeicher, nur sind hier die Wände nicht zu einem Zylinder gerundet.

Geht man davon aus, dass man die Wände frei sägen kann, bleibt bei der Freilegung die Abtrennung des Zylinderbodens ein Problem. Hier könnte eine Maschine zum Einsatz kommen, wie sie im Bergbau oft Verwendung findet, eine Schrämmaschine. Damit werden im Kohleflöz die Kohlen aus dem Berg geholt, aber auch bei vielen anderen Aktivitäten im Bergbau entfernt man damit Gestein.

Schrämmwalze (Bildquelle: Wikipedia)

Abdichtung

Die Abdichtung des Systems besteht aus zwei Teilproblemen, zum Einem muss man alle Oberflächen die mit Wasser in Berührung kommen, mit einer wasserdichten Folie bekleben. Dies geschieht heute bei Staudämmen regelmäßig mit Geo Membranen (Hintergrundartikel: Geomembrane). Das sind Kunststofffolien, die haltbar mit dem Untergrund verschweißt werden. Bekannte Hersteller geben auf diese Folien sogar 100 Jahre Garantie, da sie hier nicht mit Sonnenlicht in Kontakt kommen, sollte es daher kein Problem mit der Dauerhaftigkeit geben.

Der zweite Teil der Abdichtung bezieht sich auf den Dichtungsring. Dieser muss den Wasserdruck von einigen 10 Bar aufnehmen. Bei einem Speicher mit 125m Radius und 8GWh Kapazität beträgt der Druck an der Dichtung etwa 50 Bar. Damit dieser Druck homogen abgeführt wird, werden mehrere Dichtungsringe mit jeweils 10 Bar Dichtungsdruck verwendet. 10 Bar ist etwa der Druck in jeder Wasserleitung oder in einem Lkw Reifen, nicht sehr ungewöhnlich. Allerdings erfordert eine Dichtung immer eine Wand, an der sie gut entlang laufen kann, hierfür ist es notwendig die entsprechende Außenfläche des Schafts mit blanker Metallfolie zu belegen. Die Form des Dichtungsrings, sehr groß, ist aus dem Tunnelbau bekannt, dort werden ebenfalls Dichtungen eingesetzt, damit ein Wassereinbruch an der Tunnelbohrmaschine abgefangen werden kann.

Verkannten und Erdbeben

Häufig wird gefragt, kann ein so großer Zylinder nicht im Schaft festklemmen? Nein, das kann er nicht, wenn die Dichtung oberhalb des Schwerpunkts liegt, das liegt daran, dass er dann wie ein Schiff schwimmt, und ein richtig gebautes Schiff ist in einer physikalisch stabilen Lage. 

Die Situation bei Erdbeben ist etwas komplizierter. Ein Erdbeben ist eine elastische Welle im Gestein, dabei bewegt sich das Gestein etwas nach Vorne und dann wieder zurück. Am Lageenergiespeicher wird diese Bewegung an das Wasser übergeben und dann an den Zylinder. Die Welle läuft sozusagen durch den Speicher hindurch, da sowohl Wasser wie auch Fels praktisch inkompressibel sind. Dass bei einem Erdbeben Gebäude einstürzen liegt hingegen daran, dass die Seitenwände zwar hervorragend die Kräfte in der Senkrechten aufnehmen können, jedoch kaum Scherkräfte, die bei einem Erdbeben so zerstörerisch wirken.

Verbleibende Probleme

Das größte Problem ist vermutlich, einen Investor zu finden, der das Risiko eingeht, einen solchen Speicher zu bauen, da er neu ist. Insbesondere kann man keinen sehr kleinen Lageenergiespeicher bauen, da der Preis aus geometrischen Gründen mit 1/r² fällt. Das bedeutet, große Speicher haben einen sehr kleinen Preis pro kWh Kapazität, sehr kleine aber einen sehr hohen Preis. Ab einem Radius von etwa 50 Meter sollte der Lageenergiespeicher aber wirtschaftlich zu bauen sein.

Mehr zu Schwerkraftspeicher

• Pumpspeicherkraftwerke
• Energiespeicher Schwerkraft
• Unkonventionelle Pumpspeicher
• Unterirdische Pumpspeicher

Weitere Information:

[1]http://lageenergiespeicher.de/

Der erste Blog zum Lageenergiespeicher: http://heindl.blogspot.de/2010/09/energiespeicher-ohne-grenzen-wind-und.html

Investitionsvolumen neue Energiespeicher

Sobald die Energieproduktion aus Wind und Sonne den Bedarf übersteigt, ist es sinnvoll, Strom in großem Umfang zu speichern. Mittags, am 28. März 2012 wurde erstmal in Deutschland über die Hälfte des Stroms aus Windkraftwerken und Solaranlagen erzeugt. Innerhalb weniger Jahre wird es völlig normal sein, dass zeitweise deutlich mehr Strom produziert wird als von allen Verbrauchern benötigt wird.

Vermutete Umsätze im Speichermarkt bis 2021 laut Pike Research

Speichervolumen
Das zu erwartende Speichervolumen ist dabei abhängig von den Stromleitungen, eine gute Schätzung ist, dass innerhalb Deutschlands eine Verbesserung des Stromnetzes erfolgt, aber kein perfektes Stromnetz in Europa aufgebaut werden wird. Damit entsteht ein Speicherbedarf von sieben Tagesladungen Strom, das sind 11.000 GWh. Es ist dabei zu beachten, dass die Speicher wohl nie innerhalb von sieben Tagen vollständig entladen werden, jedoch in ungünstigen Zeiten, wenn wochenlang wenig Wind weht und wenig Sonne scheint, die Speicher diese Energiemenge zusätzlich zu den schwachen anderen Stromquellen liefern.

Preise für große Speicher 
Die günstigsten Speicher sind bis heute Pumpspeicherkraftwerke, dort kostet eine Kilowattstunde Speicherkapazität etwa 100 €. Würde man in Zukunft nur auf diese Technik setzen, kosten die Speicher 1100 Milliarden Euro, das ist vergleichbar mit dem sogenannten Rettungsschirm für den Euro, der angeblich 800 Milliarden Volumen hat. Dies ist offensichtlich extrem viel Geld, das nicht in einem Jahr ausgegeben werden wird.
Eine Analyse von Pike Research geht davon aus, dass bereits im Jahr 2020 weltweit mehr als 20 Milliarden $ für große Speicher pro Jahr ausgegeben werden. Nach fünfzig Jahren wären das aber erst die notwendigen Investitionen, die für Deutschland alleine nötig sind (bei konstanten Ausgaben gerechnet).

Mögliche Alternativen
Die Studie von Pike Research verteilt die Ausgaben auf verschiedene Speichertechnologien. Dabei ist anzumerken, dass "Advanced" Lithium oder Flow Batterien noch nicht existieren. Natrium Schwefel Batterien sind nach einem schweren Zwischenfall in Japan etwas in Verruf geraten und mit weit über 100€/kWh auch nicht billiger als Pumpspeicher. CAES bedeutet Compressed Air Energy Storage, auf deutsch Druckluftspeicher, diese sind zwar mit 100€/kWh günstig aber aus physikalischen Gründen liefern sie nur 40% der eingespeicherten Energie zurück.
Bleibt noch der Lageenergiespeicher, der hier nicht erwähnt wird, aber das Potenzial hat, um den Faktor 50 günstiger als ein Pumpspeicherkraftwerk zu sein.

Weltweiter Bedarf
Analysiert man nicht nur den deutschen Markt, sondern den Weltmarkt, dann ergeben sich extrem große Zahlen. Längerfristig wird weltweit ein Wechsel zu Wind- und Solarenergie stattfinden. Nicht, weil es ein CO2 Problem gibt, sondern weil es einfach billiger ist, ein Wind oder Solarkraftwerk aufzubauen. Eine Situation die bereits jetzt an vielen Orten der Welt eingetroffen ist. Damit wird es nötig, eine Speicherkapazität von der gleichen Größenordnung wie in Deutschland aufzubauen, mit den weltweiten Stromverbrauchsdaten aus 2008 ergibt sich damit ein Speicherbedarf von 360 TWh, was bei der Nutzung der preiswertesten verfügbaren Technik, dem Pumpspeicherkraftwerk, auf 36.000 Milliarden Euro führt. Damit ist klar, dass der Markt für die Speicherung von Strom einer der bedeutendsten Märkte der nächsten 30 Jahre wird, der Zeitraum, in dem die globale Energieversorgung auf erneuerbare Energien umgestellt wird. Könnte man den Lageenergiespeicher zum erwarteten Preis von 2€/kWh realisieren, wäre das eine weltweite Einsparung von etwa 35 000 Milliarden Euro!

Energiesparen

“Die beste Energiequelle ist Energiesparen”

Diese beliebte Formulierung, die man unter anderem im SPD Wahlprogramm findet, klingt sehr einleuchtend. Und das ist auch schon das Problem, eine einleuchtende Formulierung zu wiederlegen erfordert wesentlich mehr gedankliche Schärfe, als unsinnig klingende Forderungen.
Zunächst ist es natürlich physikalischer Unsinn, da Sparen natürlich keine Energiequelle ist. Genausowenig wie das Nichtautokaufen die beste Autofabrik ist. Aber an diesem eher sophistischem Argumentationsstrang will ich mich nicht aufhalten.

Welchen Vorteil hat Energiesparen? Man spart Geld! Und in der Tat ist, bei einem Strompreis von etwa 20ct/kWh, sparen sehr reizvoll, insbesondere wenn man bedenkt, dass die Herstellung des Stroms nur 7ct/kWh kostet. Man spart nämlich Steuern, und wer will das nicht? Die Funktion von Steuern ist, ein bestimmtes Verhalten zu steuern, und hier will der Gesetzgeber offensichtlich die Einsparung von Strom erreichen. Da die meisten Steuern schon viele Jahre existieren, sollte man vermuten, dass sie auch ihre Steuerungswirkung erfüllt haben. Daher blicken wir einmal in einen Haushalt, in den Haushalten werden 27% des Stroms verbraucht.

Abbildung: Stromverbrauch im Haushalt, Deutschland liegt mit 3500 kWh pro Jahr im Vergleich zu anderen Ländern in der unteren Hälfte!

Immer mehr Elektrogeräte

Die Zahl der Elektrogeräte übertrifft inzwischen die Zahl der Steckdosen in der Wand bei weitem, daher werden häufig im Diskounter Steckdosenleisten angeboten. Der einfache Besitz von Elektrogeräte ist aber noch kein Energieverbrauch, sieht man von dem Herstellungsaufwand und manchmal auftretenden Standbyverbrauch ab.
Richtig viel Strom wird erst gebraucht, wenn die Geräte eingeschaltet werden, wenn der Toaster glüht, die Waschmaschine wäscht, der Herd zum Kochen verwendet wird, die Mikrowelle den Kaffee aufwärmt, der Radio spielt, der Computer rechnet, der Brotbackautomat backt, der Fernseher läuft, die Stehlampe leuchtet, der Föhn die Haare trocknet, der Staubsauger die Wohnung reinigt, die Bohrmaschine bohrt, der elektrische Schraubenzieher dreht, der Eierkocher kocht, der Kühlschrankt kühlt, das Raclett bruzzelt, der Drucker druckt, die Nähmaschine näht, der Mixer mixt, das Babyphone quäkt, das Handy lädt, der Treppenlift fährt und das Heizkissen wärmt.
Das war sicher eine viel zu kurze Aufzählung, aber jedes dieser Geräte erfüllt eine Aufgabe, daher immer die verschiedenen Verben. Und jeden Menschen, den ich frage, sagt, er selbst verschwendet keine Energie, aber der Nachbar, der hat einen Wäschetrockner, einen Whirlpool, eine Sauna, eine Wärmelampe, eine elektronische Orgel, und so weiter.
Frage ich aber den Nachbarn, so hat auch der gute Gründe, mangelnde Zeit, gesundheitliche Gründe, ein kleines Baby, Freude an Musik und so weiter.

Abbildung: Und so teilt sich der Strombedarf im Haushalt auf. Jeder kann sich fragen: Wo macht Sparen am meisten Sinn? (Bildquelle: Wikipedia)

Nach diesen Beobachtungen glaube ich nicht, dass viele Menschen selbst auf die angenehmen Dienste der elektrischen Geräte verzichten wollen. Die Betonung liegt auf selbst, was die Anderen tun sollten, sollte erstmal deren Sorge bleiben, sie zahlen dafür auch ordentlich Stromsteuern.

Technische Lösungen

Bleibt als zweiter Ansatz Energiesparen durch technische Lösungen. Da bedeutet, dass Ingenieure versuchen, den gleichen Service, etwa saubere Wäsche, gekühlte Lebensmittel, mit weniger Strom zu erreichen. Dies gelingt auf jeden Fall!

Allerdings gibt es da mehrere Probleme. Das erste Problem ist, dass viele technische Lösungen auch einen deutlich erhöhten Aufwand nach sich ziehen, nicht zuletzt die Entwicklungskosten müssen bezahlt werden. Weiterhin haben viele Lösungen unerfeuliche Nebenwirkungen, die Sparlampe hat Quecksilber und leuchtet kalt, der Sparkühlschrank hat weniger Stauraum und mehr Isolation, die sparsame Waschmaschine braucht länger bis sie fertig ist.

Viele dieser Nachteile kann man ertragen so haben sich inzwischen Menschen an die weniger schönen Farben beim Essen unter der Sparlampe gewöhnt. Manchmal weichen die Menschen einfach aus und kaufen einen viel größeren Kühlschrank, da die A+ Klasse die Größe nicht berücksichtigt, kann dieser sogar mehr Strom als der kleine Kühlschrank benötigen.
Wesentlich schwieriger ist das Problem der Investition. Jede Einsparung durch technisch bessere Geräte erfordert das Kaufen von neuen Geräten. Und diese Investitionen müssen sich lohnen. In der Industrie gibt es dafür exakte Rechenmethoden, im Privatbereich spielt häufig das gefühlte Sparen eine Rolle.

Kaufen wir einen neuen Kühlschrank, so ist zuerst ein erheblicher Betrag zu zahlen, diese Zahlung wird als unangenehm empfunden. Danach wird die Stromrechnung um etwa sechs Euro pro Monat sinken, dies wird praktisch nicht wahrgenommen, da viele die Stromrechnung automatisch abbuchen lassen. Nach vielleicht zehn Jahren hat sich der Kühlschrank amortisiert, und das tatsächliche Energiesparen beginnt! Doch jeder von uns weiß, dass nach zehn Jahren häufig die eigene Lebenssituation anders ist, dass die Technik sich verändert hat oder dass Geräte defekt werden. Daher ist die Investition in das Energiesparen immer Risikobehaftet, man kann nicht sicher sein, ob man erstens wirklich Energie spart, und zweitens, ob es sich jemals rechnet. Das dürfte der tiefere Grund sein, warum viele weiterhin genau die Geräte verwenden, die bereits seit Jahren ihren Dienst tun.
Betrachtet man dieses Einzelverhalten auf einer makroökonomischen Ebene, also für das ganze Land, so sieht man, dass der Stromverbrauch in den letzten 20 Jahren im wesentlichen konstant geblieben ist, obwohl alle Geräte heute mit wesentlich energieeffizienterer Technik ausgestattet sind.