Energiewende-Technik: Pump­spei­cher mit schwim­men­dem Spei­cher­teil

Grafik: Gernot Kloss Pumpspeicher, Turbine, Kloss
Grafik: Gernot Kloss

Größtes Hin­der­nis zur Ener­gie­wende ist der extreme Mangel an Spei­cher­ka­pa­zi­tät. Die zur Zeit ein­zi­gen Spei­cher mit nen­nens­wer­tem Spei­cher­vo­lu­men sind Pump­spei­cher.

Da diese funk­tio­nal zwei Spei­cher­be­cken in unter­schied­li­chen Höhen­la­gen benö­ti­gen und deshalb nur in gebir­gi­gem Gelände errich­tet werden können, ergeben sich für den Bau wei­te­rer Pump­spei­cher bun­des­weit nur 20 bis 30 Stand­orte. Durch­setz­bar ist davon aktuell wohl keiner. Wirk­li­che Durch­brü­che lassen sich nur durch neue Denk­an­sätze in den Speicher-Technologien errei­chen.

Die mit Abstand besten Ergeb­nisse, so der Ent­wick­ler Gernot Kloss, erzie­len Pump­spei­cher mit schwim­men­dem Spei­cher­teil, die die Vor­teile her­kömm­li­cher Pump­spei­cher und Lageenergie-Speicher in opti­mier­ter Form nutzen. Sie sind seiner Meinung nach allen bekann­ten Ener­gie­spei­chern leistungs- und kos­ten­mä­ßig weit über­le­gen.

Auf und ab per Schie­ber

Grafik: Gernot Kloss Pumpspeicher, Turbine, Kloss
Grafik: Gernot Kloss

Beim Pump­spei­cher mit schwim­men­dem Spei­cher­teil handelt es sich um eine mit Wasser gefüllte, nach oben hin offene Außen­schale mit innen lie­gen­dem, auf der Was­ser­ober­flä­che schwim­men­den Spei­cher­teil mit Außen­dich­tung und einer in seiner Boden­mitte befind­li­chen Öffnung mit Steig­rohr sowie einem darin befind­li­chen Schie­ber. Für den Arbeits­takt wird der Schie­ber geöff­net. Auf­grund der Schwer­kraft ver­drängt das Gewicht des schwim­men­den Spei­cher­teils und seiner Auf­bau­ten das dar­un­ter befind­li­che Wasser, drückt dieses durch das Steig­rohr, wobei es eine Turbine mit einem ange­schlos­se­nen Gene­ra­tor antreibt.

Von hieraus strömt das Wasser in das schwim­mende Spei­cher­teil, füllt erst dieses, dann den darüber lie­gen­den Spei­cher­raum, wodurch sich das Gewicht des schwim­men­den Spei­cher­teils kon­ti­nu­ier­lich erhöht. Dem ent­spre­chend nimmt der unter­halb auf die Turbine ein­wir­kende Was­ser­druck zu. Nachdem das schwim­mende Spei­cher­teil geflu­tet auf dem Boden auf­liegt, wird der Schie­ber geschlos­sen.

Danach werden die sich im und ober­halb des schwim­men­den Spei­cher­teils befind­li­chen Was­ser­mas­sen abge­pumpt und unter­halb seines Bodens wieder ein­ge­lei­tet, wobei unter Hilfe der Auf­triebs­kraft das schwim­mende Spei­cher­teil gegen den Wider­stand des auf ihm ruhen­den Wassers nach oben gedrückt wird.

Da bei diesem Hebe­vor­gang das Wasser-Volumen von Maximum auf Null abnimmt, muss nur das halbe Was­ser­ge­wicht und das durch die Auf­triebs­kraft redu­zierte Gewicht des schwim­men­den Spei­cher­teils gehoben werden. Und das nur in eine geringe Höhe. Ein wei­te­rer Vorteil liegt in dem hohen Arbeits­druck, der sich aus dem Gewicht des Spei­cher­teils und dem nach­flie­ßen­den Wasser ergibt. Ins­ge­samt ergeben sich durch das Nutzen der in der Auftriebs- und Schwer­kraft vor­han­de­nen Energie (Patent DE 10 2012 011 954) hohe, kos­ten­lose Energie-Überschüsse.

Deut­li­che Vor­teile

Gegen­über her­kömm­li­chen Pump­spei­chern mit zwei Becken weisen Pump­spei­cher mit schwim­men­dem Spei­cher­teil fol­gende Vor­teile auf, so Kloss:

  • Von der Gelän­de­form unab­hän­gige Stand­ort­wahl
  • Hohe Bür­ger­ak­zep­tanz durch fili­gra­nes Erschei­nungs­bild (ähnlich Regen-Rückhaltebecken)
  • Scho­nung der Umwelt — weniger als 50 Prozent des Platz­be­darfs her­kömm­li­cher Pump­spei­cher
  • Je nach Boden­art — bis zu 60 Prozent gerin­gere Bau­kos­ten trotz höherer Leis­tung
  • Geringe Wartungs- und Instand­hal­tungs­kos­ten
  • Sehr geringe Druck­ver­luste durch das Ein­spa­ren langer Druckwasser-Rohre bzw. ‑Stollen
  • Der mecha­ni­sche Wir­kungs­grad beträgt auf­grund der neu­ar­ti­gen Bauform über 90 %
  • Durch Nutzen der Schwer- und Auf­triebs­kraft beträgt die Abga­be­leis­tung weit über 100 %.

Der Wir­kungs­grad her­kömm­li­cher Pump­spei­cher beträgt maximal 75 — 80 %, der von Kohle-Kraftwerken 40 — 45 % und der von Gas-Kraftwerken 55 — 60 %. Zudem gibt es noch eine reihe tech­ni­scher Vor­teile, da die Drücke und damit die Belas­tun­gen auf das Maschi­nen­ma­te­rial nicht so stark sind wie bei her­kömm­li­chen Pump­spei­chern.

»Der Bau dieses Spei­chers kostet zirka 50 Mil­lio­nen Euro, die nur von Groß­un­ter­neh­men gestemmt werden können«, so Erfin­der Kloss. Diese seien auf­grund der jet­zi­gen Geset­zes­lage in Deutsch­land nicht leicht zu finden. Zudem stünden einer raschen Ver­wirk­li­chung in Deutsch­land hem­mende Struk­tu­ren in der Politik und Wirt­schaft ent­ge­gen. Kloss rech­net damit, dass diese Speicher-Technologie wohl zuerst in China ver­wirk­licht wird.

 

 

 


Mit smar­ten Tech­no­lo­gien, die auch zur Steue­rung von Strom­spei­chern ein­zu­set­zen sind, befasst sich auch Energieblogger-Kollege Björn Katz hier auf sei­nem Blog Strom­aus­kunft.

11 Kommentare

  1. Für Herrn Schlat­ter: Die Ener­gie­wende wird maximal von Poli­ti­kern in Berlin und einigen Lob­by­is­ten dis­kre­di­tiert, mit Sicher­heit nicht von mir. Dies hier ist ein Ort auch zur Vor­stel­lung neuer Tech­no­lo­gien für die Ener­gie­wende. Über die kann und soll man dis­ku­tie­ren, was ja an diesem Bei­spiel hier ganz gut funk­tio­niert. Dies ist jedoch kein Ort für Denk­ver­bote und Zensur. Er ist im besten Sinne ideo­lo­gie­frei.

    • Sie haben meine vollste Zustim­mung was Denk­ver­bote und Zensur betrifft. Ideen sollen sich einer in einer offenen Dis­kus­sion bewäh­ren müssen.

      Jedoch rate ich (nach dieser Dis­kus­sion hier) davon ab, diese Idee als Lösung der Spei­cher­pro­bleme im flachen Deutsch­land weiter zu pro­pa­gie­ren. Sie ver­liert haus­hoch gegen alles. Tesla Power­wall ist kleiner, bil­li­ger und prak­ti­scher (wenn auch — aus meiner Sicht — auch noch zu teuer). Stau­seen in Nor­we­gen sind auch besser.

  2. Lieber Herr Schlat­ter, ich habe den Ein­druck, Sie haben das Prinzip meines Patents immer noch nicht ver­stan­den. Im Übrigen, was das Patent­amt betrifft, Natur­ge­setze brau­chen in einer Patent­schrift nicht erör­tert zu werden.
    Nun zum Thema: Stellen Sie sich zwei unter­ein­an­der ver­bun­dene mit Wasser gefüllte Behält­nisse vor, bei dem das eine eine ange­nom­men tau­send­fach größere Grund­flä­che hat und dadurch ein viel grö­ße­res Was­ser­vo­lu­men auf­weist. Beide haben wegen des glei­chen Druckes einen gleich hohen Was­ser­spie­gel. Nun presse ich mittels einem Kolben das gesamte Wasser aus dem großen Behält­nis in das das kleine Behält­nis. Dieses muss, um das gesamte Was­ser­vo­lu­men auf­neh­men zu können, ent­spre­chend seiner kleinen Grund­flä­che eine tau­send­fach größere Höhe haben als sein ursprüng­li­cher Was­ser­stand. Nach dem glei­chen Prinzip arbei­tet mein Pump­spei­cher.

    N.S. Dies wird meine letzte Antwort sein. Ich möchte nicht weiter erklä­ren müssen, weshalb Wasser bergab und nicht bergauf fließt.

  3. Ich ver­stehe nicht, was Sie meinen.

    Jedoch habe ich rasch die Ener­gie­dichte eines solchen Spei­chers mit 30 Metern Was­ser­tiefe (10 Stock­werke) und einem 10 Meter dicken Beton­de­ckel abge­schätzt: 1.25 kWh/m2.

    Um 1 Monat Wind­strom einer ein­zi­gen Turbine zu spei­chern (1 MW x 30 x 24h = 720 MWh) braucht man also ein Becken mit etwa einem halben Qua­drat­ki­lo­me­ter Grund­flä­che!

    Bei einem GW brau­chen wir schon 500 km². »Hohe Bür­ger­ak­zep­tanz« ist da nicht gegeben.

    Diese Idee wird zur Ener­gie­wende leider doch nichts bei­tra­gen können.

    • Zum Ver­ständ­nis: Nach Fluten des schwim­men­den Spei­cher­teils drückt bei einem inneren Speicher-Durchmesser von ange­nom­men 200 m bereits ein Gewicht von rund 62.800 t auf die dar­un­ter befind­li­che Was­ser­flä­che. Dieser Druck entlädt sich in Form einer Was­ser­säule (hydrau­li­scher Druck­aus­gleich), die durch das Steig­rohr gedrückt wird und so die Turbine antreibt. Nimmt man einmal einen Turbinen-Durchfluss von 4 qm an, ergibt dies eine Was­ser­säule von 15.700 m Höhe, die sich durch den Was­ser­zu­fluss ober­halb des Spei­cher­teils weiter erhöht. Zu wenig um eine Turbine anzu­trei­ben?

      • Ah, in diesem Forum trifft man sogar den Erfin­der per­so­en­lich. Freut mich 🙂

        Ich habe mich viel­leicht etwas undeut­lich aus­ge­drueckt: Ich habe im vor­he­ri­gen Beitrag den Energie-Inhalt des Spei­chers betrach­tet, nicht die Leis­tung die er erbrin­gen kann. Mit »Turbine« meinte ich die Wind­tur­bine, deren Strom es zu spei­chern gilt (damit der Strom eben nicht aus­bleibt, wenn der Wind mal nicht weht). Fuer diese nahm ich 1 MW Leis­tung an bzw. 1 GW (dann in Form von einem Wind­park, zum Bei­spiel).

        Ihre Aussage, dass man mit Hydrau­lik den Druck erhoehen kann, ver­blu­efft mich etwas. Koennen Sie das naeher erlaeu­tern?

        • Mit Hydrau­lik kann man keinen Druck erhöhen, man kann diesen nur wei­ter­lei­ten.

          Als Antwort auf Ihre Frage, ein für alle ver­ständ­li­ches Bei­spiel: Die Was­ser­pis­tole (Ver­glei­che zum Spei­cher stehen in Klam­mern). Bei ihr wird durch Druck (Gewicht) eines groß­flä­chi­gen Kolbens (schwim­men­der Spei­cher­teil) Wasser bewegt. Dabei wird das durch den Kolben (schwim­men­der Spei­cher­teil) ver­drängte Wasser durch eine klein­flä­chige Düsen­öff­nung (Steig­rohr) gepresst. Da Wasser sich nicht kom­pri­mie­ren lässt, muss es seine Geschwin­dig­keit stark erhöhen, um durch die enge Düsen­öff­nung (Steig­rohr) zu kommen. Die Dru­ck­ener­gie wandelt sich ledig­lich in Bewe­gungs­en­er­gie um. Je größer die durch den Kolben (Spei­cher­teil) ver­drängte Was­ser­menge ist, die durch die Düsen­öff­nung (Steig­rohr) gepresst wird, um so größer ist deren Geschwin­dig­keit und somit die Länge (Höhe) des aus­tre­ten­den Was­ser­strahls.

          • Es tut mir leid, aber das stimmt nicht. Und — was mich sehr irri­tiert — Sie und/oder das Patent­amt wissen das (siehe unten).

            Die Geschwin­dig­keit (und damit die »Spritz­höhe«) hängt einzig und allein vom Druck ab. Der rele­vante Druck hängt einzig und allein von Gewicht und Quer­schnitt des Deckels ab. Der Rohr­quer­schnitt spielt keine Rolle; das Ver­hält­nis Rohr­quer­schnitt zu Deckel­quer­schnitt eben­so­we­nig. Wieviel Wasser auf der Ober­seite ist höchs­tens indi­rekt (wenn man den Gene­ra­tor ungüns­tig mon­tiert).

            Die Was­ser­pis­tole über­setzt zwar sehr wohl die nied­rige *Geschwin­dig­keit* des Abzugs in eine viel höhere Was­ser­strahl­ge­schwin­dig­keit. Wenn Sie aber weiter sprit­zen wollen hilft alles nichts: Sie müssen einen höheren *Druck* auf­brin­gen. Das Loch der Düse zu ver­klei­nern führt zwar sehr wohl dazu, dass Sie bei glei­cher Abzugs*geschwindigkeit* eine höhere Strahl­ge­schwin­dig­keit errei­chen. Aber die klei­nere Düse führt gleich­zei­tig eben auch dazu, dass Sie mehr Druck auf­brin­gen müssen, um diese gleiche Abzugs­ge­schwin­dig­keit zu errei­chen.

            Für Ihren Spei­cher bedeu­tet das: Eine Was­ser­säu­len­er­hö­hung ergibt sich nicht. Die Druck­dif­fe­renz, die Sie aus­nut­zen, ist die­je­nige zwi­schen Ober- und Unter­seite des Deckels.

            Bei einem 10 Meter starken Beton­de­ckel ergeben sich ca. 25 m Was­ser­säule. Wenn Sie den Gene­ra­tor über dem oberen Was­ser­spie­gel mon­tie­ren, müssen Sie diese Höhen­dif­fe­renz noch abzie­hen!

            Zum Abschluss noch eins: In Ihrem Patent steht von diesem Was­ser­säu­len­ver­stär­kungs­ef­fekt gar nichts drin — obwohl das ja der eigent­li­che Clou wäre hinter Ihrer Idee. Unter diesen Umstän­den müsste er als Patent­an­spruch Nr. 1 auf­ge­führt sein. Ist er aber nicht. Keiner der Patent­an­sprü­che betrifft die Was­ser­säu­len­ver­stär­kung. Ja sie ist noch nicht einmal in der Beschrei­bung erwähnt!

            Herr Urban­sky: Sie sollten nicht die Ener­gie­wende dis­kre­di­tie­ren mit dem Pro­pa­gie­ren solcher Ideen.

      • Wie Sie hier nach­le­sen können, lässt sich mit dem hydrau­li­schen Prinzip die Kraft ver­viel­fa­chen. Jedoch bleibt der Druck (also die Was­ser­säule) erhal­ten:

        http://​www​.tech​nik​le​xi​kon​.net/​d​/​p​a​s​c​a​l​s​c​h​e​s​_​g​e​s​e​t​z​/​p​a​s​c​a​l​s​c​h​e​s​_​g​e​s​e​tz.htm

        Zusätz­lich zur gerin­gen Ener­gie­dichte habe ich daher auch noch Beden­ken, dass Sie nicht genü­gend Druck erhal­ten. Ins­be­son­dere wenn Sie den Gene­ra­tor so hoch oben anbrin­gen: Da ver­lie­ren Sie ja wieder Wassersäule.Wenn Sie nicht auf­pas­sen, wird sie sogar <0!

  4. Inter­es­sant finde ich das auch. Nur kurz zum Wir­kungs­grad: Hier geht es um das Zusam­men­rech­nen von Abtriebs- ud Auf­triebs­rkäf­ten, die über 100 % betra­gen könnten, der Wir­kungs­grad kann dies natür­lich nicht sein. Dieser ist mit 90 % einen Stich­punkt zuvor beschrie­ben.

  5. Die Idee klingt inter­es­sant. Die höhere Ener­gie­dichte im Ver­gleich zukon­ven­tio­nel­len Pump­spei­chern kann ich nicht glauben: An die Höhen­dif­fe­renz von ca. 1000 m kann dieses Konzept doch kaum her­an­kom­men.

    Und der Wir­kungs­grad von >100% ist — mit Verlaub — Blöd­sinn. Das wäre ein Per­pe­tuum Mobile. Im Patent steht davon aller­dings auch gar nichts drin.

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