Stromspeicher in den Tiefen der Meere
Strom aus Wind- und Wasserkraftspeicher ist derzeit eine große Herausforderung für die Technik. Nicht immer, wenn Strom benötigt wird, stehen die Naturkräfte uneingeschränkt zur Verfügung. Ein Start-up will das Problem jetzt lösen.
Offshore-Pumpspeicherkraftwerk.
Foto: Fraunhofer IWESFrauenhofer
Das israelische Start-up BaroMar will dazu jetzt ein Offshore-Pumpspeicherkraftwerk vor Zypern errichten. Was vor einigen Jahren vom Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik erdacht und in kleinem Maßstab erprobt wurde, wird so Realität. Das Jungunternehmen hat die Idee zur Praxistauglichkeit weiterentwickelt und ein Pumpspeichersystem zur Speicherung elektrischer Energie in Form von komprimierter Luft im Offshore-Bereich gebaut. Bei diesem Ansatz wird das Meer direkt als Reservoir genutzt. Ein auf dem Meeresboden positionierte Hohlkörper dienen dabei als Druckbehälter. Im oberen Teil des Hohlkörpers ist eine Öffnung eingelassen, die über eine Druckleitung mit einer reversiblen Turbogeneratoreinheit an Land verbunden ist. Am unteren Rand des Druckbehälters sind Meerwasserventile angeordnet. Sind sie geöffnet, ist der komplette Behälter mit Meerwasser geflutet. Fällt dann aus regenerativer Energie mehr Strom an, als zu dem Zeitpunkt genutzt werden kann, wird mithilfe des Turbogenerators der Druckbehälter auf dem Meeresgrund durch Hereinpumpen von Luft evakuiert. Der erforderliche Druck hängt von der Tiefe des Behälters und der daraus resultierenden Wassersäule über ihm ab. Zudem ist höherer Druck dazu geeignet, die Luft stärker zu komprimieren und damit das vorgegebene Behältervolumen effizienter auszunutzen. Der Effekt beschreibt, dass die Speicherkapazität mit zunehmender Wassertiefe, bei gleichbleibendem Volumen, linear zunimmt.
So wird der Strom freigesetzt
Sobald der Strom zur Einspeisung ins Netz benötigt wird, lässt er sich freisetzen, indem die Funktion des Turbogenerators umgekehrt wird. So fungiert er als Turbine mit angekoppeltem Generator, der von der Druckluft aus dem Meerestank über die Druckleitung betrieben wird. Damit steht nicht nur jederzeit gespeicherter Strom zur Verfügung – es geht auch sehr schnell. Der Turbogenerator hat den Entwicklern zufolge kürzeste Hochlaufzeiten und kann damit zum Abfedern von Lastspitzen (Vorgabe < 30 min auf Volllast) problemlos eingesetzt werden.
Idee für innovativen Stromspeicher entstand bereits vor Jahren
Entwickelt und erprobt hat dieses Prinzip vor über acht Jahren das Fraunhofer IEE (Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesysteme) in Kassel. Unter dem Projektnamen Stored Energy in the Sea (StEnSEA) sollte 2016 das Meerespumpspeicher-Konzept erforscht und auf seine Praxistauglichkeit getestet werden. Das Konzept wurde am Fraunhofer IEE zunächst mittels Computer simuliert. Dazu entwickelten die Forschenden mathematische Modelle, die den Betrieb des Speichers in mehreren hundert Metern Wassertiefe in Computersimulationen abbilden. Der anschließende Test im Bodensee zielte darauf ab, die Machbarkeit im realen Betrieb an einem Modell im Maßstab 1:10 zu überprüfen.
Durch verschiedene Messungen sollte zudem gewonnenes Wissen dazu beitragen, die Computermodelle und damit auch die Auslegungssicherheit für ein echtes Meerespumpspeicherkraftwerk zu verbessern. Die Idee aus dem Jahr 2011 stammte von den Physikern Horst Schmidt-Böcking und Gerhard Luther. In der Folge führte die damalige Hochtief Solutions AG gemeinsam mit dem Fraunhofer IEE in Kassel (früher bekannt als Fraunhofer IWES) eine Vorstudie durch, um die grundsätzliche Machbarkeit des Konzepts in großen Wassertiefen im Meer zu untersuchen. Dabei wurde geprüft, ob ein solches Konzept technisch umsetzbar ist und welche Bauformen dafür geeignet wären. In dieser Vorstudie stellte sich heraus, dass aufgrund des Verhältnisses von speicherbarem Volumen zu Oberfläche und der gleichmäßigeren mechanischen Belastung eine Kugelkalotte oder ähnliche Formen am besten geeignet sind.
Stromspeicher: Wenig invasiv, vergleichsweise günstig und betriebssicher
Das Konzept der Wissenschaftler wird von BaroMar nun im großen Stil vor Zypern umgesetzt. Laut dem Unternehmen lassen sich die Stromspeicher problemlos installieren, da sie den Schiffsverkehr nicht beeinträchtigen und in Wassertiefen von bis zu 700 Metern verankert werden können. Die Küstenregionen erfahren minimale Beeinträchtigungen, da der Turbogenerator nur ein kleines Gebäude erfordert und kein Lärm nach außen dringt. Für Zypern sind mehrere Tanks geplant, die jeweils vier Megawattstunden Energie speichern können. Die Kosten pro MWh sind mit 100 $ angegeben, wodurch sie im Vergleich zu anderen LDES-Stromspeicherlösungen kosteneffizienter sind. BaroMar gibt als Vergleichswert für andere Long Duration Energy Storages (LDES) 131 $/MWh an.
Für seinen Use Case sieht BaroMar 350 Betriebstage pro Jahr vor, bei einer Gesamtlaufzeit von 20 Jahren. Die niedrigen Betriebskosten erklärt der Hersteller mit vergleichsweise einfachem Tankdesign, da der Wasserdruck selbst den Behälter stabilisiert sowie die sehr geringen Wartungskosten, da sich nahezu alle Maschinen an Land befinden und unter Wasser praktisch nur Ventiltechnik eingesetzt wird. Aufgrund der für die Behälter verwendeten Beton- und Stahlbauteile soll eine Belastung der Unterwasserflora und -fauna minimiert werden.
Das Unternehmen weist darauf hin, dass die benötigten technologischen Komponenten bereits ausgereift sind und keine umfangreichen Neuentwicklungen erforderlich machen, im Gegensatz zu anderen neuen Langzeitspeichertechnologien. Dadurch sei die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit schon in der Pilotanlage gewährleistet.
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