Der hydraulische Felsspeicher – ein Lageenergiespeicher

Die weltweite Energiewende wird inzwischen durch wirtschaftliche Überlegungen getrieben. Solarenergie aus Photovoltaik ist in vielen Ländern die günstigste Energiequelle, weil die Preise für PV Module enorm gesunken sind. Zudem kann mit einer installierten Leistung von einem Kilowatt in sonnenreichen Regionen mehr als doppelt so viel Energie im Lauf eines Jahres geerntet werden als in Deutschland. Doch auch in sonnenreichen Ländern gilt, die Sonne scheint nur am Tag, will man nachts Solarenergie nutzen, benötigt man Speicher.

Abbildung 1: Am Tag wird der Felskolben mit Solarstrom hochgepumpt, in der Nacht liefert eine Wasserturbine Strom.

Speicher verursachen Kosten

Damit der Solarstrom auch nachts wettbewerbsfähig bleibt, muss der Preis aus PV Strom plus Speicherkosten günstiger sein als andere Quellen, etwa eine Gasturbine. Zudem sollte der Speicher einen hohen Wirkungsgrad haben, damit die Verluste beim einspeichern gering bleiben, da diese auch Kosten verursachen.
In der Praxis sind nur zwei Konzepte bisher im Einsatz, Pumpspeicher und Batterien. Batterien haben einen hohen Wirkungsgrad und können auch für sehr kleine Anlagen verwendet werden.
Pumpspeicher basieren auf dem Hochpumpen von Wasser und erreichen einen sehr guten Wirkungsgrad von 80%. Aufgrund der verhältnismäßig geringen Kosten werden heute Pumpspeicher bevorzugt für die Stromspeicherung eingesetzt. Tatsächlich sind 99% aller Stromspeicher weltweit Pumpspeicher.
Allerdings benötigen sie einen Berg, auf dem man ein Oberbecken anlegen kann und zusätzlich ein Unterbecken, an dieser Stelle bietet der Hydraulische Felsspeicher eine alternative.

Hydraulischer Felsspeicher

Der hydraulische Felsspeicher nutzt die Lageenergie einer großen Felsmasse, die hydraulisch angehoben wird. Damit eine große Gesteinsmasse angehoben werden kann, und es ist wirklich ein sehr großer Kolben mit über 100 Meter Durchmesser gemeint, muss dieser Kolben aus seiner natürlichen Umgebung freigelegt werden. Dies ist mit Methoden des Bergbaus technisch kein Problem. Der Kolbenboden wird abgetrennt, indem Stollen unter der Bodenfläche vorgetrieben werden. Jeder Stollen hat fünf Meter Breite und ist durch fünf Meter Gestein vom nächsten Stollen getrennt. In diese Stollen werden Stützpfeiler aus Beton eingebaut und dann werden die verbleibenden Gesteinsstege entfernt. Damit hat man die Bodenfläche abgetrennt, ohne dass eine besonders große freitragende Fläche entsteht.
Die Seitenwand des Kolbens wird von oben herab wie ein sehr tiefer Graben gebaut. Mit etwa vier Meter Breite und im Fels mit konventionellen Sprengvortrieb freigelegt.
Alle Flächen werden mit Stahlbeton geschützt und wasserdicht versiegelt. Jetzt kann die Dichtung, eine Rollmembran, bestehend aus dem gleichen Material wie Förderbänder eingesetzt werden. Die Pumpen und Turbinen befinden sich in einer unterirdischen Maschinenkaverne und haben Verbindung zu einem Wasserreservoir, das das Wasser für das Hochpumpen bereithält.

Abbildung 2: Das Dichtungssystem basiert auf einer Rollmembran, die beim Anheben des Zylinders an der Betonwand abrollt.

Betrieb eines Felsspeichers

Immer wenn überschüssiger Strom entsteht, wird dieser dazu verwendet, mit Pumpen Wasser unter den Kolben zu pressen, der Druck liegt im Bereich von 50 Bar, was technisch gut zu handhaben ist. Der Kolben hebt sich an und speichert die Energie. Nachts, oder immer wenn Strom benötigt wird, wird das Wasser über eine Turbine geleitet und Strom erzeugt. Da Turbinen immer Drehstrom erzeugen kann auf einen Wechselrichter verzichtet werden. Mit einem Wirkungsgrad von 80% über den gesamten Zyklus ist das System sehr wirtschaftlich.

Speicherkapazität und Preis

Die Speicherkapazität eines hydraulischen Felsspeichers wächst mit zunehmendem Radius enorm. So hat ein Speicher mit einem Kolbenradius von 50 Meter und einer Höhe von 100 Meter bereits eine Speicherkapazität von 200 MWh, das ist das Vierzigfache des größten deutschen Batteriespeichers. Verdoppelt man aber den Radius auf 100 Meter und die Höhe auf 200 Meter hat man einen Speicher mit 3200 MWh. Dies entspricht schon einem großen Pumpspeicherkraftwerk und reicht aus um eine Stadt mit einer Million Einwohner über Nacht zu versorgen.

Besonders bemerkenswert ist aber die Tatsache, dass der Preis pro Speicherkapazität rapide durch die Vergrößerung fällt. Eine doppelt so große Anlage verursacht nur ¼ der Kosten pro kWh. Der große Speicher kostet nur 100 €/kWh, wesentlich weniger als Batterien.
Vorteile:

• Nachhaltig: Lange Lebensdauer
• Wirtschaftlich: Geringe Kosten pro kWh
• Effizient: 80% Wirkungsgrad
• Geringer Flächenbedarf
• Geringer Wasserbedarf
• Schwarzstartfähig nach einem Blackout
• Rotierende Massen

Weitere Infos zum Thema im Energiespeicherblog von Prof. Heindl.