Die Erfindung von Horst Schmidt-Böcking (Goethe-Universität) und Dr. Gerhard Luther (Universität Saarbrücken) bilden die Basis für ein neuartiges Meeres-Pump-Speicher-System, das vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) entwickelt wurde.
Wie kann man die enormen Mengen durch Offshore-Windkraft erzeugten Stroms bereits vor Ort zwischenspeichern? Bisher gab es auf diese Frage keine Antwort. Nun geht nach mehrjähriger Forschungsarbeit das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Projekt StEnSea (Stored Energy in the Sea) in die Erprobungsphase. Darin entwickelt das auf Energiesystemtechnik spezialisierte Fraunhofer-Institut IWES in Kassel zusammen mit Partnern die „Meerei“-Erfindung von zwei Physik-Professoren der Universität Frankfurt und der Universität Saarbrücken zur Anwendungsreife.
Ein Modell im Maßstab 1:10 mit rund drei Metern Durchmesser wird am 8.11.2016 im Fährhafen von Konstanz in den Bodensee gebracht und am 9.11.2016 etwa 200 Meter vor dem Ufer in Überlingen in 100 Meter Tiefe abgelassen. Anschließend wird es für vier Wochen getestet: »Auf dem Meeresboden installierte Pumpspeicherkraftwerke können in großen Wassertiefen den hohen Wasserdruck nutzen, um mit Hilfe von Hohlkörpern Stromenergie speichern zu können«, erläutert Horst Schmidt-Böcking, emeritierter Professor der Universität Frankfurt.
Zum Energieeinspeichern wird über eine Elektropumpe Wasser aus der Kugel herausgepumpt, um Strom zu erzeugen fließt Wasser durch eine Turbine in die leere Kugel hinein und erzeugt über einen Generator elektrische Energie. Dieses Prinzip der Offshore-Energiespeicherung hat Prof. Schmidt-Böcking 2011 wenige Tage vor dem Fukushima-Supergau mit seinem Kollegen Dr. Gerhard Luther von der Universität Saarbrücken zum Patent angemeldet.
Die beiden Erfinder erinnern sich: „Die schnelle Umsetzung dieser Idee in die Praxis ist eigentlich einem Bericht in der FAZ zu verdanken. Technik-Redakteur Georg Küffner stellte diese Speicheridee in einem Artikel der Öffentlichkeit vor – und zwar zufällig am 1. April 2011. Viele Leser nahmen das sicherlich zunächst als Aprilscherz auf. Fachleute der Hochtief Solutions AG in Frankfurt erkannten allerdings sofort die in dieser Idee verborgenen Möglichkeiten. Innerhalb weniger Wochen konnte mit dem Betonbauspezialisten Hoch-Tief und den Meeresenergie- und Speicherspezialisten des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Kassel ein Konsortium für eine erste Machbarkeitsstudie gebildet werden“, so Schmidt-Böcking und Luther.
Mit dem Nachweis der Machbarkeit förderte anschließend das BMWi das Projekt StEnSea zur Entwicklung und Erprobung dieses neuartigen Pumpspeicherkonzepts im Modellmaßstab. Nun geht dieses in die Testphase. „Auf Basis der Vorstudie haben wir eine detaillierte Systemanalyse mit Konstruktion, Bau- und Logistikkonzept des Druckbehälters durchgeführt, eine Pump-Turbinen-Einheit entwickelt, die Einbindung in das Stromnetz untersucht, Wirtschaftlichkeitsberechnungen durchgeführt und eine Roadmap für die technische Umsetzung entwickelt“ fasst Projektleiter Matthias Puchta vom Fraunhofer IWES die bisherigen erfolgreichen Arbeiten zusammen.
„Nun beginnt der vierwöchige Modellversuch im Maßstab 1:10 im Bodensee. Wir werden verschiedene Tests fahren, um Detailfragestellungen zur Konstruktion, der Installation, der Auslegung des Triebstrangs und des elektrischen Systems, der Betriebsführung und Regelung, der Zustandsüberwachung und der dynamischen Modellierung und Simulation des Gesamtsystems zu überprüfen“, so Puchta weiter.
„Mit den Ergebnissen des Modellversuchs wollen wir zunächst geeignete Standorte für ein Demonstrationsprojekt in Europa genauer untersuchen. Für den Demonstrationsmaßstab des Systems streben wir einen Kugeldurchmesser vor 30 Metern an. Das ist unter ingenieurtechnischen Randbedingungen die derzeitige sinnvolle Zielgröße. Sicher ist, dass das Konzept erst ab Wassertiefen von ca. 600 – 800 Metern im Meer wirtschaftlich anwendbar sein wird. Die Speicherkapazität steigt bei gleichem Volumen linear mit der Wassertiefe und beträgt für eine 30 m-Kugel bei 700 Metern ungefähr 20 Megawattstunden (MWh)“, erklärt IWES-Bereichsleiter Jochen Bard, der seit vielen Jahren national und international auf dem Gebiet der Meeresenergie forscht.
„Es gibt ein großes Potential für die Anwendung von Meerespumpspeichersystemen in küstennahen Standorten, insbesondere auch vor den Küsten bevölkerungsdichter Regionen. Beispielsweise vor Norwegen (Norwegische Rinne). Aber auch Spanien, USA und Japan weisen große Potentiale auf. Mit heutiger standardisierter und verfügbarer Technik sehen wir bei der Speicherkapazität von 20 MWh pro Kugel eine weltweite elektrische Gesamtspeicherkapazität von 893.000 MWh. Damit ließen sich kostengünstig wichtige Ausgleichsbeiträge für die schwankende Erzeugung aus Wind und Sonne leisten“, stellt Bard fest.
Ökostrom im „Meerei“ speichern – Wie funktionierts?
Das Meerei-Prinzip ist ähnlich wie das eines herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerks, bei dem man zwei Wasser-Reservoire auf unterschiedlichem Höhenniveau nutzt. Um Strom zu speichern, treibt man damit Turbinen an, die Wasser vom Tal in das zweite Reservoir auf dem Berg pumpen. Die potentielle Energie des Wassers im oberen Reservoir wird dann genutzt, um Turbinen anzutreiben, die wiederum Strom erzeugen. Beim „Meerei“ nutzt man einen auf den Meeresgrund versenkten Hohlkörper als „Talspeicher“ und das Meer selbst, mit seinem hohen Druck in der Tiefe, stellt das zweite Reservoir dar. Pumpt man mit dem Windstrom das Wasser aus dem Hohlkörper gegen den hohen Wasserdruck ins umgebende Meer, so speichert man die Stromenergie in Form von potentieller Energie im leeren Hohlkörper.
Lässt man das Wasser durch die Turbine wieder zurück strömen, so kann man durch den hohen Differenzdruck mittels der Turbinen wieder die Energie in Form von elektrischem Strom zurückgewinnen. Die elektrische Spannung wird dann hoch transformiert, um die Widerstandsverluste im Hochspannungskabel (Gleichstrom) zu minimieren. So kann die elektrische Energie über große Strecken fast verlustfrei zum Verbraucher ans Land geführt werden.
Gelingt es, die Speicherkugeln so zu standardisieren und zu optimieren, dass sie kostengünstig in Serie gebaut werden können, so kann mit einem derartigen „Gelege von Meereiern“ die notwendige Speicherkapazität auch für große Offshore Windparks bereitgestellt werden.
