Fraunhofer arbeitet an einem Unterwasser-Energiespeicher, der das Prinzip der Pumpspeicher-Kraftwerke auf den Meeresboden überträgt. 

 

Mit einem kleineren Modell − einer Drei-Meter-Kugel − vollzogen die Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE erfolgreich den Feldtest im Bodensee. Nun bereiten sie mit Partnern einen Testlauf vor der kalifornischen Küste vor: Im Projekt „StEnSea“ werden sie in 500 bis 600 Metern Tiefe eine hohle, 400 Tonnen schwere Betonkugel mit 9 Metern Durchmesser verankern. Durch Leerpumpen wird der Speicher geladen. Strömt Wasser hinein, wird Strom erzeugt – er wird entladen. Die Leistung dieses Prototyps beträgt 0,5 MW, die Kapazität beträgt 400 kWh.

Bernhard Ernst, Senior Projekt Manager beim Fraunhofer IEE, erklärt: „Für das Speichern von Strom über mehrere Stunden bis einige Tage hinweg eignen sich Pumpspeicher-Kraftwerke besonders gut.“ Allerdings sei deren Ausbaupotenzial weltweit stark begrenzt. „Daher übertragen wir ihr Funktionsprinzip auf den Meeresgrund – die naturräumlichen und ökologischen Restriktionen sind dort weit geringer.“

Das Fraunhofer IEE arbeitet bei diesem Projekt mit Partnern zusammen: zum einen mit dem US-amerikanischen Start-up Sperra, das auf den 3D-Betondruck für Anwendungen im Bereich der Erneuerbaren Energien spezialisiert ist. Zweiter Partner ist Pleuger Industries. Das deutschstämmige Unternehmen mit Hauptsitz in Miami, Florida zählt sich eigenen Angaben nach zu den weltweit führenden Herstellern von Unterwasser-Motorpumpen, einer Schlüsselkomponente der Stensea-Kugelspeicher.

Als Standort des Speichers haben die Partner ein küstennahes Gebiet vor Long Beach bei Los Angeles, Kalifornien ausgewählt. Sie wollen ihn spätestens Ende 2026 in Betrieb nehmen. Das deutsche Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert das Vorhaben mit knapp 3,4 Millionen Euro, das US-amerikanische Department of Energy mit rund 4 Millionen US-Dollar (umgerechnet etwa 3,7 Millionen Euro).

Herstellung im 3D-Druckverfahren

Sperra wird die Betonkugel in Long Beach, Kalifornien im 3D-Druckverfahren, womöglich in Kombination mit dem klassischen Betonbau, herstellen. Sie bekommt oben eine Öffnung, in den eine Unterwasser-Motorpumpe, auch Pumpturbine genannt, in einem Rohr eingelassen wird. Wird ein Ventil geöffnet, strömt Wasser durch das Rohr in die Kugel hinein. Die integrierte Pumpe läuft dabei rückwärts und arbeitet als Turbine. Das Wasser treibt den Motor an, sodass Strom erzeugt wird. Damit wird der Speicher entladen.

Die Technik basiert auf einer Arbeit von Prof. Horst Schmidt-Böcking und Gerhard Luther aus dem Jahr 2011. Ein Unterwasserkabel schafft dabei die Verbindung zum Stromnetz an Land oder zu einer schwimmenden Transformator-Station eines Offshore-Windparks. Soll Energie gespeichert werden, pumpt die Motorpumpe das Wasser gegen den Druck des umgebenden Wassers wieder aus der Kugel. Anschließend kann der Zyklus erneut beginnen.

Kapazität und Leistung der Kugelspeicher hängen, wie die Experten betonen, vor allem von zwei Faktoren ab: dem Volumen der Kugeln sowie von der Wassersäule, die auf ihnen lastet. Die Fraunhofer Forscher haben errechnet, dass Wassertiefen von 600 bis 800 Metern aus wirtschaftlicher Perspektive ideale Standorte sind. Der Grund: In diesen Tiefen stünden die Parameter wie Druck, Kugelgewicht und die nötige Wandstärke in optimalem Verhältnis zueinander. Zudem könne man in dieser Tiefe noch konventionelle Unterwasser-Motorpumpen einsetzen. Auch sei es hier nicht nötig, hochfesten Spezialbeton zu verwenden.

Großes globales Speicherpotenzial

Mögliche Standorte für die Stensea-Kugelspeicher in dieser Wassertiefe gäbe es mehr als genug, wie das IEE mit Verweis auf eine Geoinformationssystem-Analyse der küstennahen Meeresgebiete erklärt. Dabei haben die Fachleute Parameter wie die Bodenneigung, Strömung, Sedimentverschiebung oder die Entfernung zum Land berücksichtigt. Vor Norwegen zum Beispiel, Portugal, der US-amerikanischen West- und Ostküste, Brasilien oder Japan könnten die Kugelspeicher in großer Zahl installiert werden. Ebenso eignet sich die Technologie für tiefe natürliche oder künstliche Seen, beispielsweise für geflutete Tagebaue.

Das globale Speicherpotenzial dieser Technologie liegt nach Berechnungen der Fraunhofer Forscher bei insgesamt 817 Milliarden kWh. An den zehn besten europäischen Standorten seien es immer noch 166 Milliarden kWh. Zum Vergleich: Die Kapazität der bestehenden deutschen Pumpspeicher-Kraftwerke an Land beträgt knapp 40 Milliarden kWh.

Das Ziel des Testlaufs vor der kalifornischen Küste sei es, alle Arbeitsschritte entlang der Herstellung, der Installation, dem Betrieb und der Wartung im Hinblick auf die angestrebte Größe der Kugel – ein Durchmesser von 30 Metern – zu untersuchen. So wollen die Forscher überprüfen, ob und wie sich die in im Bodensee gewonnenen Erkenntnisse auf eine 30-Meter-Kugel übertragen lassen.