1. Der Lageenergiespeicher
Ein Konzept zur kostengünstigen Speicherung
großer Mengen elektrischer Energie
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

2. Professor Dr. Eduard Heindl
Diplom Physiker und Diplom Ingenieur
Erfinder des Lageenergiespeichers
*1961 Mühldorf/Inn
Unternehmer
Heindl Internet AG
Heindl Server GmbH
A3M AG
Heindl Energy GmbH i.G.
Hochschullehrer
Hochschule Furtwangen
LB Hochschule Geislingen
Kontakt
Hochschule Furtwangen
Robert-Gerwig-Platz 1
D-78120 Furtwangen
Germany
eduard@heindl.de
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

3. Weltweiter Strombedarf
Photovoltaik [MWp]
Das weltweite Wachstum liegt bei 70% pro Jahr, wobei sogar die Wachstumsrate selbst ansteigt.
Datenquelle: Wikipedia
Ursache: Massiver Preisverfall bei PV Modulen von 5.000€/kW auf 500€/kW in fünf Jahren.
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

4. Solarenergie
Power demand
Conventional sources
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

5. Vorhandene
Speicherkapazität
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

6. Wind- und Solarenergie
Die Leistung von Wind-
und Solarenergie
Wind schwanken
Winter Frühling Sommer Herbst
Speicher für
mindestens sieben
Sonne Tage erforderlich!
150kWh/Person
Aufgrund der metrologisch und astronomisch bedingten Schwankungen von Wind und Sonne sind
für eine Versorgung aus EE aufgrund von Großwetterlagen Speicher von enormer Kapazität nötig.
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

7. Schematisch: Dauerlinie bei 90% Solar+Wind
Sonstige
Wind
Solar
Unterdeckung 100TWh
Überschuss
150 TWh speichern
Die vereinfachte Dauerkennlinie ist gut geeignet, um den Speicherbedarf grob abzuschätzen. Hier wurde
angenommen: 10% Konventionell, 40% Solar linear, 50% Wind linear zwischen Min. und Max.
(Überproduktion wegen Speicherverlust)
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

8. Entwicklung installierter Wind- und Solarkraft in Deutschland;
Zeitschiene für Speicherbedarf
Zeitfenster für
den
Speicherbau
Bei einer Fortschreibung des 15% Wachstums der Wind- und Solarenergiekapazität werden im Zeitfenster
2016 – 2028 Investitionen in Speicher notwendig, damit eine sichere Versorgung gewährleistet ist.
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

9. Trend
• Globaler Umstieg auf Photovoltaik beginnt!
• Finanzkrise beschleunigt, da sichere Rendite in
der Solarstromproduktion
• Folgerung: Strom-Speicherbedarf für globale
Energieproduktion wächst überproportional
• Energiespeicher sind DER Zukunftsmarkt!
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

10. 1kWh
Heindl 2012

11. Heindl 2011 Hochschule Furtwangen
Speicher für 7 Tage
Pro Person 2,2 Tonnen
Bleiakkumulatoren
Preis: 25.000€
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

12. Methan als Speicher
25% 75%
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

13. Platzbedarf für Speichersee
Pumpspeicherkraftwerk
Kapazität für 7 Tage
Deutscher Strombedarf
(15m² pro Einwohner)
Heindl 2012 13

14. Strombedarf pro Einwohner in D
• 21 kWh Strom pro Tag
• 147 kWh Strom pro Woche
• Batteriepreise
– Bleiakku 150€/kWh (Weltvorrat 64 Mio t)
– Lithium 1000€/kWh (14 Mio t)
• Speicher für eine Woche,
Kosten pro Person
25.000€ (2,2t) ... 130.000 €
Speicherkosten in Deutschland:
2.000Heindl 2012 ... 10.400 Mrd.€ !!
Mrd.€ 14

15. Der Lageenergiespeicher: Das Grundprinzip
Stromnetz r
E~r4
2r
Verbindung
Pumpe hmax=r
Wasservolumen
und Turbine
Wasser wird unter eine Felsmasse gepumpt (bei niedrigen Strompreisen). Die hydraulischen Kräfte
heben die Felsmasse. Bei hohem Strompreis wird das Wasser abgeleitet und der Stromerzeugung mit
Turbine + Generator zugeführt.
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

16. r
l=2r
h=r
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

17. Masse ~ r³ r
Höhe ~ r
Speicherkapazität:
E ~ g * m ρ**h 4
=2πg r l=2r
Baukosten:
b ~ r² h=r
Kosten per kWh~1/r²
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

18. Vorteile des Lageenergiespeichers
 Speicherkapazität jenseits von 1000 GWh denkbar
 Effizienz: mit 80-85% auf Niveau von Pumpspeicherkraftwerken
 Preis pro gespeicherter kWh fällt mit 1/r² (<1€/kWh möglich)
 Geringer Flächenbedarf (bis zu 2 MWh/m²)
 Weniger Wasserbedarf als PSW (~1/4)
 Kein Gebirge nötig
 Einfache Entsorgung nach Betriebsende (mehrere Jahrzehnte)
 bekannte Technologien
 Schwarzstartfähig
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

19. Bau eines Lageenergiespeicher
Bohrtürme
Baustellen-
straße
Bohrlöcher
1. Tunnel
Schacht
Basistunnel/
Wassereinlass
Das Freilegen der Gesteinsmasse erfolgt mit konventionellen Methoden des Bergbaus.
Ein Tunnelsystem gewährt den Zugang zu den einzelnen Bauabschnitten.
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

20. Abtrennung Bodenplatte
• Bergmännische Ausräumung
Abdichtung
Basis- Abraum Schräm- 2. Tunnel
tunnel verstopfen maschine
Abdichtung
Seitenansicht
Heindl 2012 20

21. Abtrennung Bodenplatte, Aufsicht
Basistunnel
Geschnittener
Ausgebrochenes Fels
Material
Ursprünglicher
Fels
Schram-
Ma-
schine
2. Tunnel
Aufsicht
Heindl 2012 21

22. Abtrennung Bodenplatte
• Abgetrennte Bodenfläche
Abdichtung
Basis- Aufgebrochenes 2. Tunnel
tunnel Material
Abdichtung
Seitenansicht
Heindl 2012 22

23. Abtrennen der Bodenplatte
Abdichtung
Basis- Abraum Schräm- Tunnel
tunnel verstopfen maschine
Abdichtung
Abdichtung
Basis- Vollständig mechanische Tunnel
tunnel Trennung der Bodenplatte
Abdichtung
Die Bodenplatte wird, ähnlich wie im Steinkohlebergbau, mit einer Schrämmaschine abgetrennt.
Der Abraum verbleibt aber im wesentlich unter Tage zum Abstützen der Zylindermasse.
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

24. Abtrennen der Seitenwände mit Diamantsägen
traction Bohrlöcher
Fels
Geschnittene
Fläche
r Diamant
Seilsäge
1. Tunnel
Seitenansicht
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

25. Aussenschacht
Versorgungs-
tunnel
Aufgrund der
Felsmechanik wird der
Außenschacht
V-Förmig geschnitten
Seilsägen
Fels Zylinder
Felsen
Versorgungs-
tunnel Ausgebrochenes
Material
Seitenansicht
Heindl 2012 25

26. Schachtform
Versorgungs-
tunnel
Aufgrund des
Bergdrucks wird sich
der Zylinder nach der
Entlastung
ausdehnen Graben
Fels Zylinder
Bergdruck Bergdruck
Versorgungs-
tunnel Ausgebrochenes
Material
Seitenansicht
Heindl 2012 26

27. Abdichtung Seitenwände
Versorgungs-
tunnel
Die Oberflächen des
Gesteins werden mit
wasserdichter
Geomembran-Folie
überzogen Abdichtung
Fels Zylinder
Versorgungs-
tunnel Ausgebrochenes
Material
Seitenansicht
Heindl 2012 27

28. Heindl 2011
28
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

29. Das Dichtungsystem
Ausschnitt
Felssicherung Dichtung
Dichtungsring
Metall
schwimmender
Felszylinder
Abdichtung,
um den Fels
trocken zu Wasser im
halten Zylinder-Hohlraum
Das gesamte System ist gegenüber der Umwelt durch Geomembranen abgedichtet.
Der Zylinder trägt einen Dichtungsring, der flexibel auf Unebenheiten reagiert
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

30. Beispiele für Größen und Kosten (Darstellung maßstäblich)
Deutschland
Bayern
120GWh 1600GWh
4€/kWh
4€/kWh 1€/kWh
1€/kWh
Nürnberg
8GWh
20€/kWh
20€/kWh
Starnberg
0,5
100€/kWh
100€/kWh
Die Montage stellt die notwendige Größe dar, um den jeweiligen Strombedarf für einen Tag
vollständig abzuspeichern. Die Kosten für eine Kilowattstunde Speicherkapazität sinken dramatisch
durch Vergrößern des Systems.
Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

31. Felswände
300m
1000m
80m
Risin og Kellingin, Färöern (Heindl/Pustlauck) Heindl 2012 Salto Ángel, Venezuela (Wikipedia) 31

32. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

33. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

34. Prof. Dr. Eduard Heindl, Hochschule Furtwangen | Der Lageenergiespeicher

35. Technische Daten
Radius [m] 62,5 125 250 500
Durchmesser [m] 125 250 500 1.000
Volumen Fels [m³] 1.534.000 12.272.000 98.175.000 785.398.000
Masse Fels [t] 3.988.000 31.907.000 255.254.000* 2.042.040.000
Druck† [Bar] 26 52 103 206
Druck oben [Bar] 20 39 78 157
**
Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980
r
Abhängigkeit vom Radius:
• Druck wächst linear
p m=ρV
• Masse wächst in der 3. Potenz
• Energie wächst in der 4. Potenz
* Entspricht etwa der Ladekapazität aller Kontainerschiffe weltweit
** Entspricht etwa Tagesproduktion der deutschen Energiewirtschaft
† Dichte Fels: ρR=2.600kg/m³ Heindl 2013 35

36. Berechnung Speicherkapazität
Energie im Fels:
Er = 2* π *g* ρR *r4
Energie im Wasser:
EW = -3/2*π *g* ρW * r4
Energie im System:
EHHS = (2*ρR -3/2*ρW )* π*g*r4
r
Dichte Fels: ρR (2.600kg/m³)
Dichte Wasser: ρW (1.000kg/m³)
Erdanziehung: g (9,81N/kg)
Radius System: r V
Heindl 2013 36

37. Leistungsdaten
Radius [m] 62,5 125 250 500
Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980
Wasservolumen [m³] 767.000 6.136.000 49.087.000 392.699.000*
Energiedichte [kWh/m³] 0,63 1,26 2,52 5,04
8 Stunden
Leistungsentnahme
[MW] 60 967** 15.466 247.462
r
Abhängigkeit vom Radius:
• Energiedichte im Wasser wächst linear
• theoretische Leistungsentnahme
wächst mit der 4. Potenz
V
* Entspricht einer Absenkung des Bodensee um einen Meter 37
** Typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland Heindl 2012

38. Wasser - Generator
Radius [m] 62,5 125 250 500
Energie [GWh] 0,5 8 124 1.980
Wasserablauf 8h [m³/s] 27 213 1.704 13.635
Wasserablauf 168h [m³/s](Woche) 1,3 10,1 81 649
Wasserablauf 720h [m³/s] (Monat) 0,3 2,4 19 152
Turbine/Pumpe 8h [MW] 60 967 15.466 247.462
Turbine/Pumpe 168h [MW](Woche) 3 46 736 11.784
Turbine/Pumpe 720h [MW] (Monat) 1 11 172 2.750
r
Anmerkung:
• Leistung wird auf längere Zeiträume verteilt
• Wasserablauf und Wasserzulauf
gegebenenfalls über Speichersee
gedämpft
V G
Heindl 2012 38

39. Kostenschätzung für 500 m-Radius
Tunnel 10.000 €/m lT = 4πr+2r 73 Mio. €
Bohren 500 €/m lD = 8πr²/∆D 157 Mio. €
Sägen 10 €/m² AS = 8πr² 63 Mio. €
Abraum 20 €/m³ VR = 4πr² ∆T 126 Mio. €
Bodenplatte
abtrennen 1.000 €/m² AF = πr² 785 Mio. €
Dichtfläche
(Edelstahl) 200 €/m² AO = 2πr² 157 Mio. €
Abdichtung 100 €/m² AW = 6πr² 393 Mio. €
Dichtungsring 10.000 €/m lO = 2πr 31 Mio. €
Summe 2.020 Mio. €
Symbole: ∆D Abstand Bohrlöcher, ∆T Breite des Grabens
Heindl 2012 39

40. Wirtschaftliche Betrachtung
Radius [m] 62,5 125 250 500
Kapazität [GWh] 0.5 8 125 2000
Investitionskosten*
[Mio.€] 43 158 630 2.020
Mögliche
Einnahmen* [Mio.€] 290 4.640 6.187 19.797
Investment
per kWh** [€] 90 19 4,29 1,02
Zum Vergleich: Pumpspeicher 100€/kWh
Batterie 500€/kWh
* ∆Preis=0,1€/kWh; Einnahmen über 20 Jahre, Zyklendauer: 62,5m und 125m 24h, 250m 168h, 500m 720h,
**Alle Angaben ohne Turbinen und Infrastruktur
Heindl 2013 40

41. Zusammenfassung der Vorteile
 Speicherkapazität jenseits von 1000 GWh denkbar
 Effizienz: 80-85% bekannter Wert aus PSW
 Preis fällt mit 1/r² (<1€/kWh möglich)
 Geringer Flächenbedarf (bis zu 2 MWh/m²)
 bekannte Technologien
 Kein Resourcenproblem
 Kein Gebirge nötig
 Einfache Entsorgung
 Weniger Wasserbedarf als PSW (~1/4)
 Schwarzstartfähig
 Rotierende Massen
Heindl 2012 41

42. Vielen Dank für Ihr Interesse!
Fragen?
www.Lageenergiespeicher.de
Heindl 2012 42

43. Kontakt
Hochschule Furtwangen
Prof. Dr. Eduard Heindl
Robert Gerwig Platz 1
78120 Furtwangen
Germany
+49 177 2183578
hed@hs-furtwangen.de
www.lageenergiespeicher.de
43