Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Quelle: Bundesregierung.de Quelle: DLR Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit 1. Halterner Energiegespräch Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft Prof. Dr.-Ing. André Niemann Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft Haltern am See, 19.03.2015 - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Speicherbedarf und Speichertechnologien im Zuge der Energiewende Ausgangssituation, Systeme und Entwicklungen Pumpspeicherprojekte in Deutschland Projektierte Vorhaben und Verfahrensstände Sachstand Bergwerks- und Kavernenstandorte Chancen und Risiken unkonventioneller Speicherstandorte aus technischer Sicht Vor- und Nachteile alternativer Standorte Akzeptanz, Genehmigung und Einschätzungen zur Realisierung Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Herausforderung Energiewende Wandel der Strominfrastruktur Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Wege zur Stromgesellschaft Zukünftige strombasierte Infrastruktur Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Speicherkapazitäten im Vergleich Source: RWE Power AG – P. Vennemann (2012) Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Speichertechnologien in der Entwicklung • Stromspeicher: Batterien, Redox-Flow, Druckluft, neue Konzepte für Pumpspeicherwerke, (Doppelschicht-)kondensatoren, Schwungräder, Vernetzung dezentraler Speicher (Power to „something“) • Stoffliche Speicher: Elektrolyse, Methanisierung, geologische Speicher für Wasserstoff, Wiederverstromung • Thermische Speicher: neue und kostengünstigere Materialien, PCM, Latentwärmespeicher, Speicher für (solarthermische) Kraftwerke und stromgeführte KWK-Anlagen, saisonale Speicher für Gebäude, Einbindung in Wärmenetze, Sorptionsspeicher • Übergeordnet: Managementsysteme, verschiebbare Lasten, Systemdienstleistungen, Konzepte zur Fertigung, Systemische Studien, Planungswerkzeuge, Umweltverträglichkeit, Akzeptanz Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit M5BAT - Modularer multi-Megawatt multi-Technologie Mittelspannungsbatteriespeicher • Speicher mit 5 MW Leistung, 4 MWh Energie • Verschiedene Technologien – – – – Lithium-Ionen-Batterien als kurzfristiger Leistungsspeicher Bleibatterien für mittlere Entladezeiten Hochtemperatur-Batterien für den Stundenbereich Innovative Umrichtertechnik/Steuerung Quelle: http://m5bat.digi3.de/ • Speicherbetrieb zur Erbringung von Systemdienstleistungen möglich? • Lässt Alterungsverhalten der Batterien im Regelenergiebetrieb einen Dauerbetrieb sinnvoll erscheinen? Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Ein weiteres Beispiel „Energiespeicher Niederrhein“ • Nähe Stadt Wesel: Salinare Errichtung von Kavernen • Überschüssige Energie: zur Verdichtung von Luft Einlagerung in Kavernen • bei Bedarf: Energie der Druckluft wird mittels Turbine und Generator in Strom zurückgewandelt • angestrebte Leistung je Zyklus 7,2 GWh • Wirkungsgradabschätzung 0,55 bis 0,6 • Status: nicht großtechnisch realisiert Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit ADELE – Adiabater Druckluftspeicher Energiespeicherung: • Kompression von Luft mit überschüssigem Strom • Ableiten der entstehenden Druckluft in einen Wärmetauscher und herunterkühlen der Druckluft • Einlagerung der Luft in einer Salzkaverne Energieerzeugung: • Freilassung der komprimierten Luft aus der Kaverne • Erwärmung der Druckluft im Wärmetauscher • Druckluft entströmt über eine Turbine • Generator speist Strom ins Netz Interdisziplinäres Projekt: Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Speicherbedarf und Speichertechnologien im Zuge der Energiewende Ausgangssituation, Systeme und Entwicklungen Pumpspeicherprojekte in Deutschland Projektierte Vorhaben und Verfahrensstände Sachstand Bergwerks- und Kavernenstandorte Chancen und Risiken unkonventioneller Speicherstandorte aus technischer Sicht Vor- und Nachteile alternativer Standorte Akzeptanz, Genehmigung und Einschätzungen zur Realisierung Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Sachstand und Ausbaupotential • installierte Pumpspeicherleistung in Deutschland 6,6 GW • installierte Pumpspeicherleistung in Österreich 3,9 GW • installierte Pumpspeicherleistung in Schweiz 5,1 GW • realisierte Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland: 30 Aktuell: Potentialstudienerstellung in den Bundesländern Bundesland Thüringen Gesamtleistung [MW] 4.830 Standorte [-] 10 Energiemenge [GWh] 39 (Vorzugsvarianten) BadenWürttemberg 116.000 201 928 („konfliktarme Standorte“) in Bearbeitung: Niedersachsen (Energiespeicherstudie) Nordrhein-Westfalen (auch Bergbaustandorte), u.a. Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit In Betrieb befindliche Pumpspeicherkraftwerke in D In Summe installierte Leistung: 6,6 GW Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Pumpspeicherwerke in Deutschland Betrieb und in Vorbereitung • zahlreiche Pumpspeicherprojekte werden derzeit geplant bzw. auf Machbarkeit überprüft bzw. ruhen • aktuell projektierte Gesamtleistung: 8,0 – 8,3 GW • aber: aktuell keine Investitionssicherheit PSW in Planung PSW in Betrieb Quellen: UDE, Trianel, Voith, RWTH Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Ertüchtigung von Talsperrenstandorten mit neuen Oberbecken in NRW Vorgehensweise zur Potentialermittlung • Ermittlung relevanter Randbedingungen: – • Ermittlung des Stand der Technik: – – • Planungsrecht, Wasserrecht, Wasserwirtschaft, Geologie, Energiewirtschaft Maschinelle, elektro- und regelungstechnische Ausrüstung Alternative Möglichkeiten des Betriebes Detaillierte Standortuntersuchung: – – – – – – – – – – Festlegung Standortvarianten Oberbecken Klärung der Eigentumsverhältnisse Abschätzen der Kosten für Grunderwerb Beschreibung Geologie und Hydrologie Beschreibung der Auswirkungen auf die Talsperre (Unterbecken) Hydraulische Dimensionierung Oberbecken, Triebwasserleitung, Turbinen Auslegung der Maschinen und Elektrotechnik Darstellung der Netzanbindung Zuwegung zur Baustelle Baustelleneinrichtungsplanung Quelle: Aggerverband Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Übersicht zu unkonventionellen Pumpspeicherkonzepten Pumpspeichertyp Konzepte/Namen Höhendifferenz-Pumpspeicher Ringwallspeicher Beispiel: untertägiges Pumpspeicherwerk Staustufen als Pumpspeicher untertägige Pumpspeicherwerke in Steinkohlelagerstätten untertägige Pumpspeicherwerke in Erzlagerstätten Kolbenhub-Pumpspeicher Gravity Power Lageenergiespeicher Offshore-Pumpspeicher Power Tower Buoyant Energy Stensea, Meeres-Ei Status: Konzepte und Entwicklungsstände, keine großtechnische Realisierung Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Speicherbedarf und Speichertechnologien im Zuge der Energiewende Ausgangssituation, Systeme und Entwicklungen Pumpspeicherprojekte in Deutschland Projektierte Vorhaben und Verfahrensstände Sachstand Bergwerks- und Kavernenstandorte Chancen und Risiken unkonventioneller Speicherstandorte aus technischer Sicht Vor- und Nachteile alternativer Standorte Akzeptanz, Genehmigung und Einschätzungen zur Realisierung Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Aktive Bergwerke der RAG im Ruhrrevier (2014) Bildquelle: GVSt : Steinkohle 2013 1: Bergwerk Prosper-Haniel, Bottrop 2: Bergwerk Auguste-Victoria, Marl – Ende der Förderung im Jahre 2018 – Ende der Förderung im Jahre 2015 Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Unterflur-Pumpspeicherwerke (UPSW) Nachnutzung der Steinkohlebergwerke im Ruhrgebiet zur Speicherung von Energie Lässt sich der Bau von Unterflur-Pumpspeicherwerken in Bergwerken technisch realisieren? Lassen sich Bau und Betrieb von UnterflurPumpspeicherwerken wirtschaftlich gestalten? Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Projekttitel: „Entwicklung eines Realisierungskonzeptes für die Nutzung von Anlagen des Steinkohlebergbaus als unterirdische Pumpspeicherkraftwerke“ Projektlaufzeit: 36 Monate – aktuell abgeschlossen: Förderung der 1.Phase (ergebnisoffen, 24 Monate) Förderbescheidübergabe durch das NRW-Klimaschutzministerium am 23.11.2012 intensive Industriebeteiligung Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Schema eines UPSW auf dem Bergwerk Prosper Haniel Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Beispiel zur optimalen Einbindung vorhandener Infrastruktur - Förderberg - Prosper II Befahrbarer, voll ausgebauter Transportschacht (Querschnitt rd. 25 m²); befahrbar bis auf -783 m; weitere Schachtanlagen im direkten Umfeld Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Beispielvariante: Speicherkonzept Bergwerk Prosper-Haniel Variante 1: Neu aufgefahrener Speicherring zwischen der 3. und 4. Sohle. • System ist unbeeinflusst von äußerem Wasserdruck, da oberhalb der zukünftigen Wasserhaltung • gezielte Auslegung und Gestaltung Bottrop Kenndaten des Speicherkonzepts: • Gesamtlänge: 12 - 26 km • Volumen: 450.000 – 1.000.000 m3 • Fallhöhe: 581-607 m • Leistung: ca. 200 - 250 MW Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Bergwerk Prosper-Haniel: Schacht 10 Haniel, Schacht 1 • Druckschacht • Bewetterung Haniel, Schacht 2 • Kavernenzugang • Entrauchung Schacht 9 Schacht 1/2 Prosper IV, Schacht 9 • Entlüftung • Revision Bottrop Förderberg/ Prosper II Bildquelle: RAG Prosper II, Förderberg • Bau und Betriebszugang inkl. Energieableitung und Netzanbindung Bildquelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Bergwerk_Prosper-Haniel Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Lage der im Konzept neu aufzufahrenden Speicherstrecke (Darstellung Grün, aktueller Suchhorizont) Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Beispielkenndaten einer Variante auf dem Bergwerk Prosper-Haniel Variante 1 Beschreibung Gesamtlänge untere Speicherstrecke [km] Neue (Speicher-) Sohle ProsperHaniel 600.000 Fallhöhe [m] 581-607 Schacht 2 40 Leistung [MW] 215 Energie pro Speicherzyklus [MWh] 880 Geschwindigkeit Maschine [U/min] 564-636 Kavernentiefe [m NN] -550 Spannungsquelle [kV] 13,8 Dauer Speicherzyklus [h] Förderberg 15 Volumen unterer Speicher [m3] Ausbaudurchfluss [m3/s] Schacht 1/2 Schacht 1 4,1 Bildquelle: RAG Source: RAG Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Schema eines UPSW auf dem Bergwerk Prosper Haniel - Technische Organisation unter Tage Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Lage und Größe möglicher Kavernen – Ausarbeitung von Varianten Bewertungskriterien: • Geologie (Schichtenfolge und Tektonik) • Spannungszustand • Raumlage der Kaverne • Raumlage des Trennflächengefüges zur Kaverne (Verschneidung) • Abmessungen der Kaverne • Anteile fester Gebirgsschichten an den Kavernenflächen Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Betriebsbereich Haniel Bildquelle:ZfK Schacht 2 Oberbecken könnte auf Betriebsgelände der RAG errichtet werden Schacht 1: • Druckschacht • Bewetterung Schacht 1 Schacht 2: • Kavernenzugang • Entrauchung Bildquelle: Google Maps Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Überlegungen zur Konzeption zur Energieableitung Förderberg/ Prosper II • Mehrere Spannungsebenen in 500 bis 1.000 Meter Entfernung • Kabelführung von Maschinenkaverne Trafokaverne Förderberg über Tage 220 kV Leitung • Absicherung der Energieableitung im Förderberg 380 kV Leitung Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Speicherbedarf und Speichertechnologien im Zuge der Energiewende Ausgangssituation, Systeme und Entwicklungen Pumpspeicherprojekte in Deutschland Projektierte Vorhaben und Verfahrensstände Sachstand Bergwerks- und Kavernenstandorte Chancen und Risiken unkonventioneller Speicherstandorte aus technischer Sicht Vor- und Nachteile alternativer Standorte Akzeptanz, Genehmigung und Einschätzungen zur Realisierung Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Akzeptanz: Durchführung einer repräsentativen Bevölkerungsbefragung 06/2013 • • • • Grundgesamtheit: Deutschsprachige Bevölkerung des Ruhrgebiets, n = 10.000 EW Erhebungszeitraum: 06.2013 Erhebungsunterlagen: standardisierter Fragebogen Interviewdauer: 16 Minuten im Mittel Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Akzeptanz: Durchführung einer repräsentativen Bevölkerungsbefragung 06/2013 Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Die Reaktion der Medien -> Alles kein Problem… (?) Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit 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 Entnahmeentgeld • Laufende Untersuchung von Anforderungen, die in einem Planfeststellungsverfahren von Bedeutung sind Untersuchung von Baurecht, Kreislaufwirtschaftsrecht, Bergrecht, Naturschutzrecht, Immissionsrecht, etc. • Ergebnis dieses Arbeitspaketes: Aufzeigen des bestehenden Rechtsrahmens und des gesetzgeberischen Handlungsbedarfs Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Anforderungen der 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. Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015 Notwendigkeit der Energiespeicherung als Beitrag zur Versorgungssicherheit Quelle: Google Maps Vielen Dank und Glückauf Halterner Energiegespräch 2015 – Von der Energiewende heute zur Stadt der Zukunft - Prof. Dr.-Ing. A. Niemann 19. März 2015
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