Lassen Sie die Schwerkraft die Energie speichern

Jun 25, 2023

Gravity Power LLC – ein Startup mit Sitz in Santa Barbara, Kalifornien – hat eine kostengünstige, schnellstartende und dynamisch reagierende Energiespeichertechnologie entwickelt, die mit klassischen Pumpspeicher-Wasserkraft- und Gasturbinen bei der Spitzenlast- und Zwischenlaststromerzeugung konkurriert. Das System ist einfach, aber sein Potenzial ist tiefgreifend.

Ein Großteil der derzeit installierten Stromerzeugungsanlagen ist entweder für erneuerbare Energien (hauptsächlich Wind- und Solarenergie) oder für gasbetriebene Kombikraftwerke bestimmt, die die historisch niedrigen Preise für Erdgas nutzen. Viele dieser Gaskraftwerke wurden jedoch mit einem weiteren Zweck gebaut: als schnell reagierende Stromquelle, die die erneuerbare Energieerzeugung ersetzen kann, wenn der Wind aufhört zu wehen oder die Sonne nicht scheint. Eine bessere Technologiewahl für die „Jagd“ auf Wind- und Solarenergie ist die Massenspeicherung von Strom.

Die durch erneuerbare Energien verursachten Komplikationen bei der Systemplanung und dem Netzbetrieb wurden ausführlich in einem früheren Artikel („Energy Storage Enables Just-in-Time Generation“, April 2011, verfügbar auf powermag.com) erörtert. Das Hauptthema dieses Artikels war, dass die Energiespeicherung im Versorgungsmaßstab kommerzialisiert werden muss, bevor erneuerbarer Strom sein volles Potenzial entfalten kann.

Heutzutage scheinen die meisten großen Energiespeicherprojekte kaum mehr als ein Schiffscontainer zu sein, der mit Zehntausenden kleiner Batterien gefüllt ist. Der Wert der Energiespeicherung kommt erst richtig zum Ausdruck, wenn Systeme im Versorgungsmaßstab eingesetzt werden, die in der Lage sind, große Mengen Windstrom, der hauptsächlich außerhalb der Spitzenzeiten erzeugt wird, in Spitzenzeiten zu „verschieben“, in denen der Wert der Energie deutlich höher ist. Der Wert ist ebenso wichtig für Photovoltaik-Solaranlagen, die wild zyklisch wechseln, wenn Wolken über ihnen vorbeiziehen.

Im früheren Artikel wurden mehrere groß angelegte Energiespeichertechnologien in ihrem frühen Entwicklungsstadium erörtert. Gravity Power LLC wurde als ein Unternehmen identifiziert, das sich von den anderen abhob, vor allem weil seine Technologie das KISS-Prinzip (Google it) vollständig nutzt und in naher Zukunft einsetzbar sein dürfte. Tatsächlich hat das US-Energieministerium einen Blick auf die Technologie geworfen und war nicht in der Lage, Entwicklungsarbeiten zu finanzieren, da keine Forschung und Entwicklung erforderlich war.

In der Zeit, die Sie zum Lesen dieses Artikels benötigen, werden auch Nicht-Technologen intuitiv verstehen, wie das System funktioniert, und seine Einfachheit schätzen.

Laut Tom Mason, CEO von Gravity Power, nahm das endgültige Designkonzept im Jahr 2008 Gestalt an. Unmittelbar darauf folgte Anfang 2009 die erste Finanzierungsrunde des Unternehmens durch The Quercus Trust, gefolgt von einer Reihe weiterer kleiner Investitionen. Das Unternehmen nimmt derzeit eine Serie-B-Finanzierung auf, um das endgültige Design und die Tests des Systems zu finanzieren. Das erste Gravity Power-Patent für seine Technologie wurde im Mai 2012 vom US-Patentamt erteilt, weitere globale Patente sind angemeldet.

Das Gravity Power Module (GPM) ist eine einfache Maschine (Abbildung 1). Das Herzstück des Systems ist eine reversible Pumpturbine und ein Motorgenerator, ähnlich denen, die seit 70 oder mehr Jahren in herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerken (PSH) verwendet werden. 40 Meter (m) unter der Erde befindet sich die Spitze eines unterirdischen „Wasserkreislaufs“, in dem sich die Pumpturbine befindet. Der Kreislauf besteht aus zwei versiegelten, wassergefüllten Vertikalschächten. Die erste ist eine vertikal gebohrte Welle mit großem Durchmesser, die „Antriebswelle“ genannt wird. Der kleinere ist der „Druckrohrschacht“. In der Antriebswelle ruht ein großer Kolben, der Energie speichert oder zurückgibt, wenn er durch Wasser hydraulisch nach oben oder unten bewegt wird. Das Wasser ist einfach eine hydraulische Flüssigkeit. Das Wasser fließt in einem Kreislauf in beide Richtungen: Entweder fließt Wasser innerhalb des Systemkreislaufs und drückt den Kolben nach oben, oder das Wasser wird vom Kolben beim Absinken in die andere Richtung gedrückt.

Ähnlich wie bei einem herkömmlichen PSH-System wird Strom verbraucht, wenn der umkehrbare Antrieb das Wasser aus der Druckleitung in den Antriebsschacht unter dem Kolben pumpt und den Kolben anhebt, um die potenzielle Energie des Kolbens zu speichern. Um seine gespeicherte Energie freizusetzen, wird der Kolben freigegeben, und beim Absenken wird Wasser durch die Pumpe gedrückt, die jetzt wie eine Wasserturbine arbeitet und mithilfe des Motors, der jetzt als Generator fungiert, Strom erzeugt. Die Geschwindigkeit, mit der der Kolben absinkt, bestimmt die momentan erzeugte Leistung. Die Tiefe und der Durchmesser der Antriebswelle sowie die Masse des Kolbens bestimmen die gespeicherte Energiemenge.

Einmal erklärt, ist die Funktion des Systems intuitiv. Die Schwerkraft erledigt die meiste Arbeit.

Die Reaktion des Systems entspricht der moderner PSH-Systeme und ist viel schneller als bei anderen fossil betriebenen Notstromquellen. Ein synchronisierter Pump-Turbine-Motorgenerator kann in weniger als 15 Sekunden von Null auf volle Leistung hochfahren. Der Gesamtwirkungsgrad der Energiespeicherung (erzeugte Leistung dividiert durch die zum Laden des Systems verbrauchte Leistung) liegt bei über 80 %. Außerdem ist der Standort der Anlage sehr flexibel: 1.600 MW oder mehr können auf weniger als drei Hektar installiert werden, im Gegensatz zu einem typischen PSH-System, das zwei große Reservoirs und vielleicht 15 bis 20 Jahre benötigt, um das Umweltgenehmigungsverfahren und den Bau abzuschließen.

Gravity Power schlägt vor, sein erstes kommerzielles Demonstrations-GPM mit einem Antriebsschacht mit 30 m Durchmesser und einer Tiefe von 500 m zu konstruieren. Diese Entwurfsparameter werden das Äquivalent von 160 MWh oder 40 MW für 4 Stunden Massenenergiespeicherung erzeugen und im Gegenzug 40 MW für etwa 5 Stunden verbrauchen. Die Kosten für dieses System werden auf 4.400 $/kW oder 1.100 $/kWh geschätzt.

Obwohl der Bau des ersten Demonstrationsprojekts die größte Hürde für Gravity Power darstellt, blickt Mason über das Demonstrationsprojekt hinaus auf eine zukünftige kommerzielle Produktlinie. Sein Ziel ist der Bau größerer Systeme im Leistungsbereich von 200 MW bis 1.600 MW und mehr mit geschätzten Verkaufspreisen von 2.000 $/kW bis 950 $/kW, basierend auf Skaleneffekten, die in besonderen Fällen bei bestehender Infrastruktur möglicherweise auf bis zu 500 $/kW sinken ist verfügbar. Hierbei handelt es sich um „Übernacht“-Kostenschätzungen (die Kosten für die Bauphase sind darin nicht enthalten) und beinhalten die üblichen Ausschlussvorbehalte: Landkauf, Genehmigung, Übertragungsverbindung, Wasserfüllung und andere Nebenkosten für Entwickler. Die Schätzungen beinhalten eine großzügige Eventualverbindlichkeit von 25 %.

So gut das System auch klingt, ein solides Produkt, Marktinteresse und staatliche Unterstützung garantieren keinen Erfolg. Investoren fordern ein starkes Engagement der Kunden, während Versorgungsunternehmen (die vermutlich die Hauptkunden des GPM sind) eine Demonstrationsanlage in Betrieb sehen möchten. Gebäudeserie Nr. 1 ist der Knackpunkt für Gravity Power, das heute bereit ist, voranzukommen, wie es bald für andere Massenenergiespeichertechnologien sein wird, die derzeit auf dem Reißbrett sind.

In den USA wird die Herausforderung durch ein pauschales Lastwachstum verschärft, das die Begeisterung der Energieversorger dämpft, Stromkauf- und -verkaufsverträge anzubieten, die Anreize für Entwickler und Investoren schaffen. Viele Energieversorger betrachten die Massenenergiespeicherung als einen weiteren Lastverlust und nicht als einen schrittweisen Schritt hin zu einem robusten, aber sehr reaktionsfähigen Smart Grid.

Eine erfolgreiche Kommerzialisierung der sich entwickelnden Energiespeichertechnologien erfordert auch, dass die Strommärkte der Massenspeicherung von Energie offiziell einen greifbaren Wert beimessen. Mehrere Regionen entwickeln derzeit spezifische Tarife für die Energiespeicherung im Einklang mit den Verordnungen 890 und 719 der Federal Energy Regulatory Commission, die von unabhängigen Netzbetreibern verlangen, Tarife und Marktregeln für nicht erzeugende Ressourcen zu entwickeln. Die aktuellen Marktregeln konzentrieren sich auf Echtzeit- oder Day-Ahead-Märkte, auf denen Massenenergiespeichertechnologien eine langfristige Einnahmequelle wie Stromabnahmeverträge oder Einspeisetarife für ihre Produkte gesichert werden muss, damit Entwickler neuer Technologien ihre Produkte entwickeln können Technologie, um Investoren anzulocken. Die California Public Utilities Commission beispielsweise hat kürzlich einen Vorschlag vorgelegt, der die Kommerzialisierung von Massenenergiespeichertechnologien in ihrem Bundesstaat sicherlich beschleunigen wird (siehe Seitenleiste).

Am 10. Juni veröffentlichte die California Public Utilities Commission (CPUC) einen Vorschlag, der die drei staatlichen Energieversorger (Pacific Gas and Electric Co., San Diego Gas & Electric Co. und Southern California Edison Co.) zur Beschaffung verpflichten würde 1,325 GW Energiespeicherung bis 2020. Der Vorschlag „Vorschlag für Speicherbeschaffungsziele und -mechanismen und Ankündigung einer Allparteiensitzung“ ist eine Reaktion auf AB 2514, der von der CPUC verlangt, Beschaffungs- und Regulierungsregeln für den Strommarkt für Energie im Netzmaßstab zu entwerfen Lagerung. Diese Regeln werden voraussichtlich Anfang nächsten Jahres in Kraft treten.

Der Vorschlag „schlägt Beschaffungsziele für die Energiespeicherung mit dem Ziel einer Markttransformation vor“, so dass der „Energiespeichermarkt nachhaltig wird, Beschaffungsziele für die Speicherung nicht mehr erforderlich sind und er neben anderen Arten von Ressourcen um die Bereitstellung von Dienstleistungen konkurrieren wird.“

Der Vorschlag erkennt zu Recht an, dass es viele verschiedene Energiespeichertechnologien gibt, und ist daher so formuliert, dass er alle Aspekte berücksichtigt. Obwohl der Hauptzweck des Vorschlags darin besteht, „Marktbarrieren abzubauen, Kosten zu senken und die Marktdurchdringung im Laufe der Zeit zu erhöhen“, handelt es sich nicht um einen Forschungs- und Entwicklungsvorschlag, sondern ist vielmehr für „kommerziell verfügbare, geeignete Speichertechnologien gedacht, die im Netz eingesetzt werden“. Anwendungen“, die demonstriert wurden. Der vorgeschlagene Beschaffungsansatz ist ein Klon des derzeit geltenden Auktionsmechanismus für erneuerbare Energien. Das sind gute Nachrichten für Befürworter der Energiespeicherung in großen Mengen, und angesichts der erheblichen Mengen an Energiespeicherung, die von der CPUC in Betracht gezogen werden, werden die Investitionen in Energiespeichertechnologien sicherlich steigen.

Mein einziger Wunsch ist, dass die Bürokraten, die diese Vorschläge schreiben, bald lernen, dass die Energiespeicherung in MWh und nicht in MW gemessen wird.

Ingenieur- und Baupläne

Das GPM-Betriebskonzept mag einfach sein, aber Investoren und potenzielle Käufer müssen sicherstellen, dass ihre Investitionsgelder keinem übermäßigen Risiko ausgesetzt sind, insbesondere Produktkosten-, Bau- und Zeitplanrisiken. Gravity Power beauftragte Babendererde Engineers, Tiefbau- und Bauexperten mit Sitz in Bad Schwartau, Deutschland, mit der Erstellung von GPM-Bauplänen, Kostenvoranschlägen und Zeitplänen. Diese Arbeit wurde von Hochtief, einem großen internationalen Ingenieur- und Bauunternehmen mit Hauptsitz in Essen, Deutschland, weiter untersucht.

Nach Abschluss der GPM-Analyse hat Hochtief den Bau von GPM-Anlagen unter Bereitstellung der üblichen Garantien angeboten. Andritz Hydro, der weltweit größte Hersteller von Pumpturbinen, hat sich ebenso wie andere Ausrüstungslieferanten zur Lieferung von Ausrüstung mit den üblichen Garantien verpflichtet. Mason sagte, dass der vorläufige GPM-Entwurf, der technische und bauliche Details für alle kritischen Elemente des Systems umfasst, kurz vor dem Abschluss steht.

Die wichtigste Aufgabe beim Bau eines GPM ist der Bau der Strom- und Druckrohrschächte. Beim Schachtbau kommen Tagebautechniken zum Einsatz, und der Pump-Turbinen-Motor-Generator hat die gleiche Konstruktion wie bei der klassischen Pumpspeicherung. Der Kolben besteht aus Fels, der entweder an Ort und Stelle gehauen oder entfernt und mit Beton vermischt wurde. Anschließend wird der Kolben mit Stahlbeton ummantelt, mit einer Edelstahlhaut überzogen und auf einer Stahlgrundplatte montiert.

Die Bauarbeiten, die den Bau des Antriebsschachts, des Druckschachts und des Kolbens umfassen, werden für das 160-MWh-System (40 MW für 4 Stunden) etwa zwei Jahre und vier Monate dauern. Der kritische Pfad des Projekts ist der Lieferplan für die rotierende Ausrüstung.

Das deutsche Stromnetz unterliegt dramatischen Veränderungen, die durch die Abschaltung seiner Kernkraftwerke und die zunehmende Abhängigkeit von Wind- und Solarenergie verursacht werden. Die Neckar-Alb-Region im deutschen Bundesland Baden-Württemberg erwägt die GPM-Technologie anstelle eines oder mehrerer der fünf vorgeschlagenen konventionellen PSH-Anlagendesigns (jeweils über 300 MW), die als Backup für ihre erneuerbaren Energieanlagen dienen würden.

Wie erwartet stoßen diese großen PSH-Kraftwerke auf heftigen öffentlichen Widerstand und Bebauungsprobleme, die es Baden-Württemberg unmöglich machen, seinen Regionalplan voranzutreiben. Der Regionalverband, die lokale Planungsbehörde, hat das GPM als kostengünstige Alternative zum klassischen PSH in seinen überarbeiteten Ressourcenplan aufgenommen, der im April 2013 genehmigt und veröffentlicht wurde. Der Regionalplan bietet den rechtlichen Rahmen, der die Technologieauswahl in dieser Region qualifiziert Deuschland. Dies ist das erste Mal, dass eine neue Speichertechnologie in die regionale Netzplanung einbezogen wird. Der Neckar-Alb-Regionalverband prüft außerdem zwei Standorte für ein 300-MW-GPM, und GPM wird ernsthaft als weniger invasiver Ersatz für ein geplantes konventionelles 700-MW-PSH-Projekt in Bayern in Betracht gezogen. Offensichtlich boomt der Markt für Massenenergiespeicher in Deutschland.

Obwohl in Deutschland ein großes Interesse an großen Energiespeichern besteht, bestehen weiterhin Hürden. Beispielsweise ist in den bestehenden deutschen Einspeisetarifen die Energiespeicherung nicht enthalten. Diese Fragen könnten nach den Herbstwahlen gelöst werden, wenn der neu gewählte Deutsche Bundestag über Gesetze zur Förderung von Massenenergiespeichertechnologien durch Bund und Länder nachdenkt.

Um seine Marktdynamik aufrechtzuerhalten, muss Gravity Power die Finanzierungsrunde der Serie B abschließen und gleichzeitig die letzten Schritte der Produktentwicklung abschließen. Die letzte Designhürde ist die Entwicklung der Kolbendichtung. Das GPM verwendet ein stationäres Dichtungssystem, das auf halber Höhe der Hauptwelle montiert ist. Die Dichtung muss eine geringe Reibung entlang des beweglichen Kolbens aufweisen, muss aber auch einer Druckdifferenz von etwa 500 psi standhalten und kleine Schwankungen des Kolbendurchmessers aufnehmen. Geplant ist ein 2-m-Dichtungstest zur Ermittlung des optimalen Dichtungsmaterials, gefolgt von einem vollständigen 30-m-Test bei vollem Druck und maximaler Kolbengeschwindigkeit. Die Siegelentwicklung ist ein lösbares Problem; es kann sogar sein, dass ein handelsübliches Produkt verwendet wird.

Die Kolbendichtung ist der letzte vorläufige Design-Meilenstein für das GPM. Der nächste Schritt ist der Bau der geplanten Demonstrationsanlage. Für diese Tests wird eine Finanzierungsrunde der Serie B angestrebt.

Gravity Power verspricht eine preisgünstige, einfach zu platzierende und umweltverträgliche Massenspeicherung von Energie. Ich gehe davon aus, dass das GPM bald ein entscheidender Bestandteil des Netzes der Zukunft sein wird, sowohl in den USA als auch in anderen Ländern.

— Dr. Robert Peltier, PE ist der Chefredakteur von POWER.

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