Speichertechnologie - der große Hemmschuh...

Energiewende
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Servus Freunde,

dieses Unterforum erscheint mir am passendsten für mein Thema.

Speicher, bzw. deren Fehlen ist mE das größte Problem bei der angestrebten Energiewende. Im Kleinen wie im Großen. Der Primärenergiebedarf von uns Mitteleuropäern betragt etwa 5 kW je Nase, also nicht gerade wenig!

Ansätze gibt es genug, entweder sie scheitern am Wirkungsgrad oder den Kosten. Akku, Druckluft, Wasserstoff, Pumpspeicher - alles auf seine eigene Weise problematisch.

Zum Punkt: Was mir nicht aus dem Kopf geht, sind Schwungradspeicher. Ich lese immer, sie würden wegen der hohen Drehzahlen nicht wirtschaftlich oder technisch überhaupt nicht herstellbar sein. Es zerfetze die Rotoren schlicht.

Nun geht mir die Frage nicht aus dem Kopf: Warum bauen wir nicht langsam drehende, dafür umso massereichere Schwungräder? Achse senkrecht, Radius 20 Meter, Masse x Kilotonnen. Eine Stahlkonstruktion mit billigen Füllstoffen, feinst ausgewuchtet. Drehzahl zwei- bis dreistellig, rundherum am Umfang ein paar passende elektrische Maschinen verzahnt und geht schon! Braüchte man ja nicht mal evakuieren. Blitzschnelle Lastwechsel und eine echte Menge Rotationsenergie.

Warum wird das nicht gemacht, was ist mein Denkfehler?

LG!

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Ich würde sagen: der Aufwand für die drehbare Lagerung mit minimierten verlusten. Und Diem Verhältnis geringe gespeicherte Energie. Der innere Ring trägt kaum zur Speicherung bei, nur Dr äußere. Ein Torus. Gespeicherte Energie 1/2 Mal m Mal v zum Quadrat.

Imergleich dazu ein Pumpspeicher.

Energie ist m Mal h. Zwar nicht zum Quadrat, aber in Seen man man leicht Hunderttausende von Tonne Gewicht Speichern. Und man sollte die große Höhendifferenz wählen.

Nur Mal als Vergleich.

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@carolus Hallo, mit Pumpspeichern hab ich schon viel herumgerechnet. Nicht uninteressant, aber viel zu wenig Potential selbst rein für den Stromsektor. Wir hier in Österreich sind in Relation zu Deutschland gesegnet mit Pumpspeichern, könnten uns aber damit nur wenige Tage versorgen, falls sie zufällig gerade voll wären und sonst nix geht.

Super Technik, aber ich glaube weitestgehend ausgebaut.

Was die Lagerung des Rotors betrifft bin ich sicher, dass das absolut lösbar ist. Ich denke auch weniger an Saisonspeicherung als auf der Skala von maximal einigen Tagen bis Wochen. Ein wenig Energieverlust darf also sein, wäre glaub ich immer noch im Vergleich Top.

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Ich überlege welche statischen Anforderungen das Ding hätte.... Wo soll das stehen?

1,5 Tonnen für 5kWh....

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Für Tage bis Wochen? Hast du denn eine Vorstellung, wie viele Sekunden aus tausend Tonnen herausholbar sind?

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@carolus Die Erde dreht sich seit 4,5 Milliarden Jahren...

Tage bis Wochen, ja. Ich denke primär an Speicherung von Windkraft und PV.

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@roterfuchs Ich denke an mehrere Dinger. Die müssen nicht stehen, man könnte sie auch eingraben. Eine Art modulares System, je nach Speicherbedarf erweiterbar.

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Ich bin gerade am rechnen. Ich sehe schon, dass der Begriff "mehrere" eine ganz interessante Dimension bekommt.

Ich habe der Einfachheit Mal mit 1000 Tonnen berechnet. Ein kleiner Güter Zug. Wenn der 100 m Höhenunterschied herunterfährt, macht das grob 300 kWh, die freiwerden. Das ist die Energie, die beim Pumpspeicher im Wasser steckt.

Wenn der gleiche Güterzug (der ja auch im Kreis fahren kann) mit 20 m/s fährt, und abgebremst wird, werden etwa 700 kWh frei.

Das sind etwa 30 bzw. 70 Haushalte.... für einen Tag.

Das dürft ihr jetzt gerne hochrechnen.

Zum Beispiel..... 1000 Züge bzw. Ringe. Macht 700000 kWh bzw knapp 1 GWh. Die Leistung eines Blocks eines modernen Kraftwerks. Also 1000 Züge... Für einen Tag. Für 70000 Haushalte.

Irgendwie wird das mit den Tagen und Wochen also etwas schwierig.

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Sind am offerieren für einen Schrägschacht 750m lang für Pumpspeicherung in Österreich. Die werden dieserzeit überall ausgebaut. Ich würde da nicht die alleinige Lösung erwarten aber dass da nichts mehr geht ist auch nicht korrekt.

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Das kommt mir sehr viel vor. Habe jetzt nicht nachgerechnet, aber 20 m/s sind 72 km/h und das fahren wohl viele Güterzüge. Wenn der also aus mittlerer Fahrt abbremst, müssen die Bremsen 700 kWh Hitze abführen und das in wenigen Sekunden. Sagen wir mal es dauert 60 sec. bis der Zug steht. In dieser Minute hätten die Bremsen eine Leistung von 42 MW in Hitze umgewandelt - das ist ja Wahnsinn! Wieviele Scheibenbremsen hat so ein Güterzug? Nehmen wir der Einfachheit an 42 - also 1 MW pro Bremse und das über 60 sec. Damit könnte man grob überschlagen ca. 80l Wasser zum Kochen bringen - innerhalb 60 sec!

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80 Liter kochend klingt doch realistisch.

Wäre aber sinnvoll das gleich ins Bahn Netz zu pusten, vielleicht wird es eh längst gemacht. Damit wäre die nächste Beschleunigung gesichert.

Nebenbei gibt es Experimente mit Schrägseil Zügen und Kränen als Kurzzeit Speicher.

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weils wahrscheinlich zuviel kostet und keine rendite bringt

aber genau sowas braucht deutschland, seit dem die momentanreserve der großen kraftwerksgeneratoren fehlt.

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Von der Zahl her ist das richtig, von der Aussage her falsch.

(42) MW ist Leistung. (700) kWh ist Arbeit. Wenn 700 kWh in 60 s erbracht/gebremst/erzeugt werden sollen ist die Leistung 42 MW oder 42000 kW.

Was glaubst du denn, was die Bremsleistung eines normalen PKW ist? Das geht auch knapp an 1000 kW ran, also knapp 1 MW.

Übrigens hätte ich für 1000 Tonnen Güterzug 20 wagen angenommen, mit 40 Achsen und 80 Rädern, das würde deine Zahl pro Bremse halbieren.

Du kannst dich ja ich Mal fragen, warum ein Intercity aus 300 km/h mehr als 5 km Bremsweg hat.

Rad nach Schiene ist eben ein sehr geringer Reibwert. Pkw auf Asphalt hat knapp den Reibwert 1.

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@carolus Aber der Reibwert ist nicht ausschlaggebend für die umzusetzende Energiemenge. Da gilt halt 1/2mv². Allerdings verteilt sich das bei geringerem Reibwert natürlich wg. des längeren Bremsweges über eine längere Zeitspanne.

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Natürlich nicht. Ich habe das nur genannt, um die interessierten af die Unterschiede zwischen Schiene und Straße hinzuweisen.

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Hallo,

ich hab versucht was zu rechnen, aber ich bin mir sehr unsicher!

Naives, fiktives Grob-Beispiel

Stahlvollzylinder r=20m, h=5m

Masse = rd 5000t

Rotationsenergie J = 9877167302 kg*m2

Umin = 100

Gespeicherte Energie: ~ 140 MWh

Kann das jemand hier nachrechnen und verifizieren?

Rotationsenergie | LEIFIphysik

Winkelgeschwindigkeit – Wikipedia

Massenträgheitsmoment-Rechner - DI Strommer (johannes-strommer.com)

Deutschland betreibt Pumpspeicher im maximalem Inhalt von 40 GWh (Stand 2010) , um mal einen Vergleich zu unseren größten Speichern anzustrengen.

Diese Energie ließe sich mit 285 Stück der oben angedachten Rotationsspeichern verdoppeln.

Jetzt bräuchte ich einen Ingenieur, der so ein Rad statisch berechnen kann, mit der Frage, wieviel Drehzahl ist machbar. Immerhin - bei 500 U/min bräuchte man nur noch knapp 60 solcher Speicher, um die deutsche Pumpspeicherkapazität zu verdoppeln.

LG

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kW pro Kopf finde ich auch eine nette Größe. Der Primärenergie Bedarf ist inzwischen nur noch knapp über 4 kW pro Kopf, wenn ich die Zahlen der AG Energiebilanzen für 2023 richtig umgerechnet habe.

4 kW mal 24 Stunden mal 365 Tage sind etwa 36000 kWh pro Kopf. Der private Stromverbrauch pro Kopf ist nur etwa 1500 kWh pro Jahr bzw. etwa 170 Watt.

Dazu kommt:

  1. Verluste in Kraftwerken => 1500 kWh Strom brauchen etwa 3000 kWh Primärenergie, wenn man berücksichtigt, dass ein Teil der Primärenergie durch den Kühlturm der Kohlekraftwerke weggeblasen wird.

  2. Heizung, etwa 7000 kWh pro Person

  3. Mobilität, etwa 6000 kWh pro Person für Benzin/Diesel

Die 16000 kWh in Summe sind immer noch weniger als 36000 kWh, weil halt auch die Industrie und andere Großverbraucher Energie benötigen.

Gehe mal von einer Halbierung des Primärenergie Bedarfs von 3000 TWh auf 1500 TWh aus, wenn weniger Verluste bei Kraftwerken, Autos und Heizungen anfallen, bzw. bei Heizungen viel Umweltwärme mit Wärmepumpen genutzt wird.

Da bleiben dann von 36000 kWh bzw. 4 kW nur noch 18000 kWh bzw. 2 kW pro Nase übrig. Das im Verhältnis 2/3 Strom zu 1/3 biogene Brennstoffe plus Wasserstoff.

Ich selber gehe davon aus, dass Wasserstoff weiter so genutzt wird wie heute auch, also keine Lagerung, kein Transport. Der Wasserstoff wird direkt nach der Erzeugung an Ort und Stelle weiter verarbeitet. Wir haben etwa 300 TWh an Biomasse im Einsatz und die kann man mit Wasserstoff relativ einfach auf 500 TWh synthetische Brennstoffe (vor allem flüssig und gasförmig) strecken.

Damit verbleibt ein Bedarf an Strom von etwa 1000 TWh oder 1,3 kW pro Nase, wenn wir mal davon ausgehen, dass etwas Wasserstoff / Strom importiert wird (primär von anderen Nordsee Anrainern, die mehr Potenzial für Offshore Wind haben).

Welche Speicher sind da am wichtigsten?

  1. Ausgleich PV / Wind. Wind hat einen Winter Peak. Bei einem Verhältnis von 40/60 PV / Wind ist der monatliche Ertrag gar nicht so ungleichmäßig über das Jahr.

  2. Biomasse auf die Dunkelflaute konzentrieren, das geht in Kraftwerken, aber auch Heizungen können Biomethan oder andere biogene Brennstoffe in der kalten Dunkelflaute verbrennen.

  3. Thermische Speicher: großer Haufen Steine wird im Dezember mit Windenergie heiß gemacht und im Januar in einer Flaute wird in der Groß Bäckerei das Brot mit Wärme aus dem Stein Speicher gebacken. Bei Wärmenetzen kann man auch mit großen Wärmespeichern arbeiten.

  4. Speicherwasser. Norwegen und Schweden haben Größenordnung 100 TWh an Wasser in Seen stehen. Das ist viele Größenordnungen mehr als deutsche Pumpspeicher.

  5. Batterien

  6. Austausch mit MENA (Middle East and North Africa). Im Sommer verbraucht Saudi Arabien doppelt so viel Strom wie im Winter. Deren Klimaanlagen können mit deutscher PV mit bedient werden im Sommer und im Winter kann etwas Strom in die andere Richtung fließen, Betonung auf etwas. Das soll kein Netto Import sein und keine große Abhängigkeit schaffen, es soll nur die Gegensätze beim Peak Bedarf genutzt werden (Sommer Kühlung in Saudi Arabien und Winter Heizung in Deutschland im Winter).

Und was nicht bei mir in der Liste ist: Gaskraftwerke, die Wasserstoff nutzen. Meiner Einschätzung nach sind die zu teuer und überflüssig. Bestehende Gaskraftwerke kann man auf Biomethan umstellen und durch kleine Motoren basierte Kraftwerke ergänzen, die dezentral günstig gelagerte biogene, synthetische Brennstoffe nutzen können.

Rotierende Massen sind durchaus im Gespräch als sehr kurzfristige Speicher, ich vermute, dass da Batterien die bessere Wahl sind.

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Ich komme da auf 42000 t.

Und die Umfangsgeschwindigkeit bei 100 /min ist etwa Schallgeschwindigkeit.

Da wird das:

Etwas schwierig.

Wegen der Überschallströmung.

Ich verstehe deine Intention: du willst rechnen. Das ist großartig, und ich rechne dir das hoch an.

Das kannst du aber auch einfach machen. Rechne mit den 1000 Tonnen Güterzug, die ich nannte. Verdopple oder verdreifache die Geschwindigkeit, die Energie steigt quadratisch mit der Verdopplung. Viel schneller wird man das nicht lagern können, und der Lagerungsaufwand bleibt vorstellbar.

Aber eher man sich dazu ein schön klingendes Riesenmodell macht: es lohnt sich auch ein Blick auf den Aufwand, die Energie hineinzustecken oder herauszuholen. Dazu haben wir das Modell der Lokomotive. Da ist alles drin: Motor, umwandler um Geschwindigkeit und Leistung zu steuern. Wieviel Leistung hat eine Lok? Ich glaube, ein paar tausend PS. Das gleiche in Kilowatt, seinen wir nicht kleinlich.

Sagen wir 3000 Kilowatt, oder 3 MW. Hört sich nach viel an, werden aber wieder nur 4 Minuten, oder 9 Minuten draus. Die gleiche Zeit, die du selbst angenommen hast: 1 Minute, um auf 72 km/h zu kommen, hochgerechnet aufs 2 bis 3 fache. Und für so eine Lok bzw deren Technik kennen wir auch den Preis. 6 stellig?

Ich finde es auch schade, aber ich kann mir eine solche Lösung nicht vorstellen, wenn man Aufwand und Nutzen vergleicht.

PS: ich habe vor Jahrzehnten vor und auf einer der zwei damals größten Karusselldrehmaschinen gestanden. Der Teller wog tatsächlich knapp 1000 Tonnen. Den Tellerdurchmesser weiss ich nicht mehr, ich erinnere mich dass ein Handballfeld knapp draufgepasst hätte. Der Teller war mit einer hydrostatischen Lagerung gelagert. Ziemlich aufwendig. Ziemlich reibungsfrei. Die größte hydrostatische Lagerung, die bis dahin jemals gebaut worden war.

Die maximale Umfangsgeschwindigkeit weiss ich auch nicht mehr, aber es waren nicht die 20 m/s, die wir angenommen haben. Weniger.

Die Kosten? Keine Ahnung. Millionen.

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Das Ganze dann im Vakuum und auf einem elektromagnetischen Feld oder wie?

Hatte Norio da nicht mal so ein Rotationsspeicher Konzept vorgestellt?

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@carolus Dann wird so weit evakuriert, bis die Schallgeschwindigkeit über der Rotationsgeschwindigkeit liegt.