Forschungs-Projekt: Fraunhofer IEE testet Unterwasser-Pumpspeicher auf dem Meeresgrund vor Kalifornien

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Kassel - Das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE (Fraunhofer IEE) hat einen Unterwasser-Energiespeicher entwickelt, der das Prinzip von Pumpspeicher-Kraftwerken auf den Meeresgrund überträgt. Nach erfolgreichem Feldtest mit einem kleineren Modell im Bodensee bereiten die Forschenden nun mit Partnern einen Testlauf vor der kalifornischen Küste vor.

Meeres-Pumpspeicherkraftwerke sind ein neuer Ansatz zur Realisierung von Offshore Pumpspeichersystemen, die den Druck in tiefem Wasser nutzen, um Energie in einer hohlen Betonkugel zu speichern. Im Rahmen des Forschungsprojekts StEnSea (Stored Energy in the Sea) am Fraunhofer IEE wurde die Technologie durch die Entwicklung eines Funktionsmodells bereits erfolgreich getestet. Nun soll die Technologie in großer Wassertiefe in Kalifornien erprobt werden. Die StEnSea-Kugelspeicher eignen sich vor allem für zwei Geschäftsmodelle: zum einen für Arbitrage-Geschäfts, und zum anderen für die Bereitstellung von Regelreserve zur Stabilisierung von Stromnetzen.

Test des Einsatzes der Kugelspeicher unter Offshore-Bedingungen

Mit dem neuen Projekt in den USA wollen die Fachleute vom Fraunhofer IEE den Einsatz der StEnSea-Kugelspeicher in großer Wassertiefe unter Offshore-Bedingungen testen. Ziel es, alle Arbeitsschritte entlang der Herstellung, der Installation, dem Betrieb und der Wartung im Hinblick auf die angestrebte Größe der Kugel zu untersuchen und zu bewerten. Dabei wird analysiert, ob und wie sich die bisherigen Erkenntnisse und Lösungen auf eine 30-Meter-Kugel übertragen lassen. In Kalifornien wollen die Forscher in 500 bis 600 Metern Tiefe dazu eine hohle, 400 Tonnen schwere Betonkugel mit neun Metern Durchmesser verankern.

Der Kugelspeicher arbeitet dabei nach dem folgenden Prinzip: Wird ein Ventil geöffnet, strömt Wasser in die Kugel hinein. Die integrierte Pumpe läuft dabei rückwärts und arbeitet als Turbine. Das Wasser treibt den Motor an, so dass Strom erzeugt wird. Damit wird der Speicher entladen. 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.

Das Fraunhofer IEE arbeitet bei diesem Projekt mit dem US-Start-up Sperra zusammen, das sich auf den 3D-Betondruck für Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien spezialisiert hat. Zweiter Partner ist Pleuger Industries. Das deutschstämmige Unternehmen mit Hauptsitz in Miami gehört 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 ausgewählt. Sie wollen ihn spätestens Ende 2026 in Betrieb nehmen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz in Deutschland fördert das Vorhaben mit knapp 3,4 Mio. Euro, das Department of Energy in den USA mit rund 4 Mio. US-Dollar.

„Für das Speichern von Strom über mehrere Stunden bis einige Tage hinweg eignen sich Pumpspeicher-Kraftwerke besonders gut. Allerdings ist deren Ausbaupotenzial weltweit stark begrenzt. Daher übertragen wir ihr Funktionsprinzip auf den Meeresgrund - die naturräumlichen und ökologischen Restriktionen sind dort weit geringer. Zudem dürfte die Akzeptanz der Bürgerinnen und Bürger deutlich höher sein“, erklärt Dr. Bernhard Ernst, Senior Projekt Manager beim Fraunhofer IEE.

Wassertiefen von 600 bis 800 Metern ideal - Riesiges weltweites Potenzial

Kapazität und Leistung der Kugelspeicher hängen vor allem von zwei Faktoren ab: vom Volumen der Kugeln sowie von der Wassersäule, die auf ihnen lastet. Die Fachleute des Fraunhofer IEE haben errechnet, dass Wassertiefen von 600 bis 800 Metern aus wirtschaftlicher Perspektive ideale Standorte sind. Denn dort stehen Parameter wie der Druck, das nötige Kugelgewicht und die erforderliche Wandstärke in optimalem Verhältnis zueinander. Zudem kann man in dieser Tiefe noch konventionelle Unterwasser-Motorpumpen einsetzen. Auch ist es hier nicht nötig, hochfesten Spezialbeton zu verwenden.

Mögliche Standorte für StEnSea-Kugelspeicher in dieser Wassertiefe gibt es weltweit mehr als genug, wie eine GIS-Analyse der küstennahen Meeresgebiete zeigt. Dabei wurden vom Fraunhofer IEE Parameter wie die Bodenneigung, Strömung, Sedimentverschiebung oder die Entfernung zum Land berücksichtigt.

Das globale Speicherpotenzial für die Technologie liegt nach Berechnungen von Fraunhofer-IEE bei insgesamt 817.000 GWh. An den zehn besten europäischen Standorten sind es immer noch 166.000 GWh. (zum Vergleich: die Kapazität der bestehenden deutschen Pumpspeicher-Kraftwerke an Land beträgt knapp 40 GWh).

Quelle: IWR Online

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