Eine 30 Meter große Betonkugel ist das Kernstück des am Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik entwickelten Energiespeicherkonzepts »Stored Energy in the Sea«. Sie soll helfen, das Stromnetz zu regeln und stabil zu halten. In Zukunft könnten ganze Parks dieser Kugeln am Meeresboden installiert werden und dort als Stromspeicher dienen. Für einen Modellversuch wurde ein Kugelpumpspeicher im Maßstab 1:10 gefertigt, der im November für einige Wochen im Bodensee getestet wird.

Ende 2015 kamen 30 Prozent des in Deutschland erzeugten Stroms aus erneuerbaren Quellen, mit etwa 13 Prozent stemmen Windkraftanlagen daran den größten Teil, Tendenz steigend. Vor allem Kraftwerke in Küstennähe und mitten im Meer liefern dank hoher Windstärken viel Elektrizität. Doch der Vorteil dieser Anlagen ist auch ihr größtes Problem: Während Stürmen kommt es zu Leistungsspitzen, die das Stromnetz überlasten würden und daher abgeregelt werden müssen. Abhilfe schaffen können Speichersysteme, die überschüssigen Strom aus dem Netz ziehen und diesen für flaue Tage oder den Weiterverkauf zwischenspeichern. Zwar gibt es bereits Pumpspeicheranlagen in Bergregionen, die bei Energieüberschuss Wasser von einer Ebene auf eine höhergelegene befördern, es im Bedarfsfall wieder bergab fließen lassen und so mittels Turbinen und Generatoren Strom erzeugen. Jedoch stehen für ihre speziellen Anforderungen nicht viele Standorte zur Verfügung. Darüber hinaus haben die Anlagen einen deutlichen Eingriff in Umgebung und Umwelt zur Folge, weswegen Kommunen oftmals gegen geplante Bauvorhaben protestieren.

Der sichere Transport einer tonnenschweren Betonkugel ist eine logistische Herausforderung. Bild: P. Ackermann | Fraunhofer IWES

Enormer Druck am Meeresboden wird nutzbar gemacht

An einer neuen Methode überschüssige Energie aus Windkraftanlagen zu speichern, die an herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerken angelehnt ist, arbeiten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik. Dabei wird eine mit Wasser gefüllte Betonkugel am Meeresboden installiert. An ihrer Oberseite befindet sich eine Öffnung, die mit einer Pumpturbine versehen ist. Über Kabel ist die Vorrichtung beispielsweise mit einem Offshore-Windpark oder einem küstennahen Windpark an Land verbunden. Erzeugen die Kraftwerke bei hohen Windgeschwindigkeiten zu viel Strom, wird dieser an die Kugel weitergegeben, und das Wasser aus ihrem Inneren in die Umgebung gepumpt. Diese ist jetzt leer – und aufgeladen. Wird bei Energieknappheit zusätzlicher Strom benötigt, öffnet sich das Ventil der Kugel. Meerwasser schießt hinein und erzeugt über die angebrachte Turbine Strom. Der Speicher entlädt sich wieder. Der Wirkungsgrad entspricht nach aktuellen Berechnungen der Forscher ungefähr dem konventioneller Pumpspeicherkraftwerke. Im Vergleich zu jenen bedeuten die Unterwasserkugeln jedoch keinen schwerwiegenden Eingriff in Landschaft und Natur und die ökologischen Risiken sind gering, da die eingesetzten Materialien überwiegend aus Stahl und Beton bestehen. Das Forscherteam des Fraunhofer IWES legt Wert darauf, die Bestandteile eben unter diesem Aspekt auszuwählen: Bei der im Modellversuch verwendeten Pumpturbine handelt es sich um ein Gerät, das auch zur Förderung von Trinkwasser eingesetzt wird.

Um effizient möglichst viel Energie zu speichern und ein technisch-wirtschaftliches Optimum zu erzielen, müssen die Pumpspeicher in einer Wassertiefe von 600 bis 800 Metern installiert werden. Standorte an den deutschen Küsten der Nord- und Ostsee kommen für eine Versenkung der Kugeln deshalb nicht in Frage. Hier liegen nur Tiefen von etwa 50 bis 200 Metern vor. An potentiellen Anwendungsorten mangelt es trotzdem nicht. »Wir haben mit Hilfe von Geografischen Informationssystemen untersucht, wo man die Speicher sinnvollerweise installieren kann. Kriterien waren neben der Wassertiefe zum Beispiel die Beschaffenheit des Meeresbodens, seine Neigung, Strömungen, aber auch die Entfernung zum Festland, Infrastruktur, Nähe zu großen Städten«, erläutert Matthias Puchta, Leiter des Projekts »StEnSEA«. In Betracht kommen beispielsweise Küsten vor Norwegen, Italien und Spanien, aber auch viele Plätze im Nicht-EU-Ausland. »Wir rechnen weltweit mit einem installierbarem Speicherkapazitätspotential von rund 800 Terawattstunden«, so Puchta weiter. Zum Vergleich: Die Bruttostromerzeugung in Deutschland für das ganze Jahr 2015 lag bei 646 TWh.

Die Betonkugeln sollen letztlich in einer Meerestiefe von 600 bis 800 Metern installiert werden. Bild: E. Gostrer | Fraunhofer IWES

Modellversuch mitten im Bodensee

Das Versenken einer Kugel am Meeresgrund ist allerdings noch Zukunftsmusik. Zurzeit befindet sich »StEnSEA« noch in der Entwicklungsphase. Am Fraunhofer IWES in Kassel werden Computersimulationen durchgeführt, die den Betrieb der elektrotechnischen Komponenten in 700 Metern Tiefe analysieren. Darüber hinaus werden Messtechnik, Sensorik und Pumpturbinentechnik in einem Labor des IWES geprüft, wo sie auch hohem Druck ausgesetzt werden können. Der finale Test soll im Bodensee außerhalb der Tourismus-Saison stattfinden. Die Hochtief Engineering GmbH hat für das Forschungsinstitut eine Kugel im Maßstab 1:10 gefertigt, also mit einem Durchmesser von 3 m und einer Wanddicke von 30 cm. Im November wird die zwanzig Tonnen schwere Betonkugel mit einem Tieflader zum Bodensee transportiert. Anschließend wird sie mit einem Schiff und einer speziellen Schwimmvorrichtung zum Versuchsstandort geschleppt und begleitet von Unterwasserrobotern abgesenkt. Über Kabel wird die Kugel mit Auswerteeinheiten an Land und dem Versuchsstromnetz verbunden.

Ist die Kugel leer, dann ist der Speicher aufgeladen. Fließt Wasser hinein, wird über die Turbine Strom erzeugt: Der Speicher entlädt sich. Bild: E. Gostrer | Fraunhofer IWES

Puchta erwartet von dem vier bis sechs Wochen andauernden Modellversuch Erkenntnisse über die generelle Machbarkeit des Projekts: »In der konkreten Durchführung stößt man auf Probleme, an die man vorher nicht gedacht hat. Zum Beispiel: Wie kriege ich die Kugel zum Standort, ohne sie mechanisch zu beeinträchtigen? Wie sieht die Tragekonstruktion aus? Was für Anforderungen habe ich an den Standort bezogen auf Boden und Neigung?« Die Ergebnisse des Tests werden im Anschluss in die Computersimulationen eingespeist und werden helfen, die erste Nutzung eines großen Hohlkugelspeichers im Meer vorzubereiten. Damit ist aber erst in drei bis fünf Jahren zu rechnen. (adz)

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