Pinsdorf
23.03.2020

S4F‐Verfahren und Hydrosolarkraftwerk

Möglichkeiten der zukünftigen Energieversorgung
Die zunehmenden und bereits deutlich erkennbaren Probleme im Zusammenhang mit der
fortschreitenden Klimaerwärmung machen es unumgänglich, in den kommenden Jahren
wirksame Maßnahmen für die Unterstützung von möglichst emissionsneutralen und
regenerativen Energieformen umzusetzen.


Der Verfasser empfiehlt zur Erzeugung und Einlagerung von Solarenergie und sonstiger
regenerativer Energieformen den Bau und die Bereitstellung von Wasserspeichern auf
verschiedenen Höhenniveaus (Potentialniveaus) in einem geschlossenen oder
teilgeschlossenen Kreislaufsystem (Hydrosolarkraftwerk). Durch synergetische Koppelung
(S4F‐Synergies for Future) unterschiedlicher Wirtschaftszweige (Bergbau, Abfallwirtschaft,
Energiewirtschaft, Bauwirtschaft,…) könnten derartige Kreislaufkraftwerke unter geeigneten
Standortbedingungen kostengünstig hergestellt werden.


Funktionsweise eines Hydrosolarkraftwerkes
Im wesentlichen handelt es sich bei einem „Hydrosolarkraftwerk“ um ein Pumpspeicher‐
kraftwerk. Wasser oder ein anderes geeignetes Medium wird dabei mittels verfügbarer
Energie von einem unteren Potentialniveau auf ein höheres Potentialniveau gehoben.
Die wesentlichen Unterschiede zu einem herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerk bestehen
in folgenden Merkmalen:


• Die Energie für das Heben des Wassers oder eines anderen Mediums erfolgt nicht
primär über zugekaufte und variabel verfügbare Fremdenergie aus dem Leitungsnetz,
sondern möglichst direkt und im regionalen Zusammenhang über zugeordnete
und/oder verbundene Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen oder Wasserkraft‐
anlagen.


• Es erfolgt zumindest zeitweise ein Parallelbetrieb von Direktenergieversorgung über
das Leitungsnetz zu den Verbrauchern und ein Pumpbetrieb zum Aufbau der
erforderlichen Energiespeicher.


• Bei geeigneten Standortbedingungen können derartige Hydrosolarkraftwerke im
laufenden Betrieb weitgehend unabhängig von natürlichen Gewässern als in sich
geschlossene Kreislaufsysteme betrieben werden. Bergbau, Abfallwirtschaft,
Bauwesen und Energiewirtschaft können beim Bau und bei der Bereitstellung der
Anlagen synergetisch und kostenmindernd zusammenwirken.


• Bei ausreichend dimensionierten Speicherbecken (Oberbecken, Unterbecken)
können neben den Vorteilen einer längerfristigen Versorgungssicherheit mit Energie
auch Möglichkeiten einer Spitzenlastabdeckung erreicht werden.


• Durch weitere Hinzuschaltung von Solarenergie in den weitgehend geschlossenen
Systemkreislauf kann die in einer gewissen Zeiteinheit umlaufende Wassermenge
entsprechend des Solarenergieangebotes fortlaufend erhöht werden. Damit ist als
wesentliche Erkenntnis ableitbar, dass die abrufbare Kraftwerksleistung im direkten
linearen Zusammenhang mit der Verfügbarkeit von Solarenergie steht. Je größer
somit die Solarernteflächen werden, desto leistungsfähiger wird das Kreislaufsystem
zum Aufbau und zur Rückgewinnung von gespeicherter Solarenergie.


• Die regionale Koppelung von Energieerzeugungsanlagen (PV, Windkraft, Wasserkraft)
mit Energiespeichern ermöglicht kleinmaschigere und stabilere Versorgungsnetze,
die sich im Verbund gegenseitig unterstützen können.
Im Wesentlichen ahmt das System den natürlichen Wetterkreislauf nach. Durch die in den
Kreislauf integrierten Solarerntemaschinen (PV, Windkraft) kann man vorteilhaft bestimmen,
wieviel Wasser als Speichermedium vom unteren Energieniveau wieder auf das obere
Niveau gehoben wird und dort bis zum Zeitpunkt des Energiebedarfes gespeichert wird.
Aufbau eines Hydrosolarkraftwerkes


Ein Hydrosolarkraftwerk besteht aus folgenden wesentlichen Komponenten:
• Oberbecken und Unterbecken
• Kraftwerk und Pumpwerk
• Fall‐ und Steigleitungen
• Solarerntefläche (Photovoltaik (PV)), Windkraftanlagen, Wasserkraftanlagen
• Stromleitungen (Zufuhr und Abfuhr)
• Sonstige Infrastruktureinrichtungen


Der Speicherinhalt und das Höhenniveau des Oberbeckens repräsentieren die maximal
einlagerbare Energiemenge (als potentielle Energie). Der Speicherinhalt des Unterbeckens
definiert die maximal abfließende und zur Energierückgewinnung nutzbare Wassermenge in
einer Zeiteinheit.


Zur Minimierung des konstruktiven Aufwandes zur Herstellung der Speicherbecken wird
seitens des Verfassers vorgeschlagen, geomorphologisch günstig ausgebildete Standorte so
auszuwählen, dass möglichst einfach Speicherseen errichtet werden können. Aufgrund der
Möglichkeit zur weitgehend geschlossenen Betriebsweise im Kreislauf ergeben sich
abgesehen von den bisher zumeist genutzten Flusstälern vielfältige und deutlich erweiterte
Möglichkeiten der Standortfindung. Eine räumliche Nähe zu Gewässern zur Bereitstellung
der ersten Kreislauffüllung und zum Ersatz von Verdunstung oder Versickerung ist
vorteilhaft.


Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass insbesondere Rohstoffgewinnungen (Steinbrüche etc.)
und Deponien (insbesondere Bodenaushubdeponien) so konzipiert werden, dass diese nach
deren eigentlicher Verwendung als Speicherseen nutzbar werden.

Neben den zuvor beschriebenen Möglichkeiten können bereits bestehende oder geplante
Pumpspeicherkraftwerke, Speicherkraftwerke, Laufkraftwerke, Speicherseen (z.B.
Beschneiungsteiche) und auch höhere Bauwerke in der System eines Hydrosolarkraftwerkes
eingebunden werden. Oberbecken und/oder Unterbecken können auch durch natürliche
Gewässer gebildet oder unterstützt (Bypassbetrieb) werden.


Dimensionen und Ausblick
Die derzeit in Österreich jährlich benötigte Strommenge beträgt etwa 71 TWh (=71 Mrd.
kWh) und liegt somit bei etwa 8.100 kWh pro Einwohner.
Heutige Photovoltaikpaneele erzeugen bei einem Wirkungsgrad von etwa 15 % bis 20% des
solaren Bruttoenergieeintrages bei mittleren Standortbedingungen pro Jahr elektrische
Energie von etwa 130 kWh/m².a bis 200 kWh/m².a.
Die derzeitig benötigte Gesamtstrommenge von 71 TWh könnte somit bei einer mittleren
Solarernte von 165 kWh/m².a mittels Photovoltaik auf einer Fläche von 430 km² (≈ Quadrat
mit 20,7 km Seitenlänge) bzw. auf 0,5 % der österreichischen Landesfläche erzeugt werden.
Österreich zählt auf einer Gesamtfläche von 83.879 km² derzeit 2.095 Gemeinden. Rund 750
km² (0,9%) der Landesfläche von Österreich sind bereits verbaut.
Rein statistisch betrachtet würde somit zur Erzeugung der aktuellen Gesamtstrommenge
von 71 TWh eine PV‐Fläche pro Gemeinde von ca. 0,2 km² (≈ 450 m x 450 m) ausreichen.
Dachflächen, Fassaden, Parkplätze etc. können dabei flächenminimierend als PV‐
Energielieferanten dienen.


Österreich wäre somit aufgrund der räumlichen Rahmenbedingungen durchaus in der Lage
wäre, die benötigte Energie über Solareintrag auf der eigenen Landesfläche herzustellen.
Aufgrund der günstigen topographischen Rahmenbedingungen sind in Österreich auch
vielfältige Möglichkeiten zur Herstellung von Speicherseen und zum Betrieb von
geschlossenen oder teilgeschlossenen Hydrosolarkraftwerken gegeben.


Kosten
Grundsätzlich gilt auch hier, dass größere Systeme (größere Speicher, größere PV‐Anlagen,
größere Kraftwerksleistungen,…) tendenziell günstigere Gestehungskosten verursachen.
Kleinere und mittlere Lösungen können aber bei vorteilhaften räumlichen Rahmen‐
bedingungen durchaus wirtschaftlich interessant sein.
Insbesondere bei einer synergetischen Kombination von Rohstoffwirtschaft, Abfallwirtschaft,
Energiewirtschaft, Bauwirtschaft etc. könnten die Kosten für den Bau derartiger Hydrosolar‐
kraftwerke erheblich minimiert werden.


Langfristige Investitionen in den Klimaschutz und in die Energieversorgung können bei
geeigneter Bauweise über Generationen wertvolle infrastrukturelle Einrichtungen darstellen.
Die Lebensdauer von PV‐Anlagen wird derzeit mit 20 bis 30 Jahren angegeben.
Wesentliche Voraussetzung für die Umsetzung derartiger Systeme sind neben der Erlangung
der Kostenwahrheit von Nuklear‐ oder Fossilenergieträgern (inkl. Entsorgung, Lagerung,
Klimafolgen...) die umfassende Bereitschaft, wieder langfristig und nachhaltig in die Zukunft
zu investieren.


Schlussfolgerungen und Zusammenfassung
Die seit Jahrzehnten bekannte und zunehmend beschleunigte Entwicklung der Klima‐
erwärmung durch Treibhausgase erfordert rasche und mutige Schritte in Richtung einer
fundamentalen Veränderung der Energieversorgung und Energiespeicherung.
Insbesondere die Nutzung von Solarenergie stellt eine zuverlässige und umweltfreundliche
Form der Energiegewinnung dar. Dem wesentlichen tageszeitlichen und saisonalen
Versorgungsnachteil der Solarenergie (PV, Windkraft, Wasserkraft) wird seitens des
Verfassers damit begegnet, dass zur dauerhaften Bereitstellung von Energie
Hydrosolarkraftwerke mit ausreichenden Speichervolumina bereitgestellt werden. In diesen
kreislaufartigen Energiespeichersystemen wird gewonnene Solarenergie über Wasser in
Zeiten des verfügbaren und ausreichenden Solareintrages auf ein höheres Energieniveau
gehoben. Die nachfolgende Rückgewinnung erfolgt in Zeiten des Bedarfes. Die abrufbare
Leistung des Kraftwerkes kann über die Dimensionierung der Solarerntemaschinen variiert
bzw. gesteigert werden.


Bei geschickter und synergetischer Kombination unterschiedlicher und ohenhin
erforderlicher Wirtschaftsbereiche können insbesondere für den Bau derartiger
Hydrosolarkraftwerke erhebliche Kostenminimierungen entstehen.


Die Vision in diesem Verfahren besteht darin, dass Regionen (Länder, Bezirke, Gemeinden) in
Zukunft neben einem selbstverständlichen Straßennetz, einer Trinkwasserversorgung und
Kanalisation auch Wasserspeicherbatterien (Hydrosolarkraftwerke) bereithalten, in die man
Solarenergie (PV, Wind) zur Überbrückung von Zeiten schlechter Direktenergieverwertung
einspeisen und bei Bedarf abrufen kann. Derartige Systeme könnten an geeigneten
Standorten weltweit entstehen.


Im wesentlichen reduzieren sich die grundlegenden Fragestellungen der zukünftigen
regenerativen Energieversorgung auf die Bereitschaft zur Bereitstellung von Flächen
(Ernteflächen) und Volumina (Speicher).
Unter der Voraussetzung, dass der gesellschaftliche und politische Wille zur Abkehr von der
Verbrennung fossiler Energieträger vorhanden ist, stehen uns in den kommenden Jahren
bauliche und energetische Herkulesaufgaben bevor.
An der Sonne als zuverlässige und systembefeuernde Kraft mit einer verbleibenden
Brenndauer von ungefähr 6 Milliarden Jahren wird es dabei wohl nicht scheitern!


Anm.:
Die vorstehenden Beschreibungen basieren auf den eingereichten Patentschriften P1512 und P1520,
die unter Mitwirkung der Kanzlei Hintermayr Burgstaller & Partner Rechtsanwälte, Landstraße 12 /
Arkade ∙ 4020 Linz ∙ Österreich/Austria, am 14.11.2019 und am 06.12.2019 beim Österreichischen
Patentamt eingereicht wurden. Die Inhalte sind urheberrechtlich geschützt.

TB GEOSPECTRIS - DI Martin Puschl

4812 Pinsdorf Vöcklaberg 101

http://members.aon.at/geospectris/

martin.puschl@aon.at

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