Unterwassertanks stellen die Energiespeicherung auf den Kopf

Nov 28, 2023

Pumpspeicherkraftwerke sind eine der ältesten und am weitesten verbreiteten Netzspeichertechnologien. Das Konzept ist einfach: Verwenden Sie überschüssige Energie, um viel Wasser in die Höhe zu pumpen, und lassen Sie es dann durch eine Turbine zurück, wenn Sie die Energie später zurückgewinnen möchten.

Angesichts der zunehmenden Verbreitung erneuerbarer Energien auf der ganzen Welt besteht großes Interesse daran, Möglichkeiten zur Speicherung von Energie aus diesen oft intermittierenden Quellen zu finden. Herkömmliche Pumpspeicherkraftwerke können hilfreich sein, aber es gibt nur eine begrenzte Anzahl geeigneter Flächen, mit denen man arbeiten kann.

Es könnte jedoch eine Lösung geben, und die lauert tief unter den Wellen. Ja, wir sprechen von Unterwasser-Pumpspeichern!

Das Grundkonzept eines Unterwasser-Pumpspeichersystems unterscheidet sich nicht von dem seines landgestützten Cousins. Der Unterschied liegt in den Details, wie man Strom erzeugt, indem man Wasser herumpumpt, wenn man sich bereits unter Wasser befindet.

Die allgemeine Idee besteht darin, ein geschlossenes Schiff auf dem Meeresboden zu haben. Überschüssige Energie wird dann verwendet, um Wasser aus diesem Gefäß zu pumpen, sodass im Inneren ein nahezu Vakuum herrscht. Wenn Energie aus dem System zurückgewonnen werden soll, kann Wasser unter dem Druck, der durch das darüber liegende Meerwasser erzeugt wird, in das Gefäß zurückfließen. Wenn das Gefäß gefüllt ist, treibt das einströmende Wasser eine Turbine an, die auf die gleiche Weise Strom erzeugt wie ein herkömmliches Pumpspeichersystem.

Der Nutzen eines solchen Designs ist möglicherweise zunächst nicht offensichtlich. Ein solches System bietet jedoch mehrere Vorteile. Der wichtigste Grund ist, dass solche Systeme problemlos mit Offshore-Windparks kooperiert werden können, die zwar für ihre Stromerzeugung geschätzt werden, aber nur sporadisch produzieren. Durch den Betrieb unter Wasser kann das System auch den großen Druck nutzen, den das Meer darüber ausübt. Pro 10 Meter Tiefe erhöht sich der Druck um etwa eine Atmosphäre (1 bar), und bei einem System, das für den Betrieb mit Behältern ausgelegt ist, die sich bei voller „Aufladung“ nahezu im Vakuum befinden, gibt es einen enormen Unterschied, den man ausnutzen kann. Einige Konstruktionen sehen einen Betrieb bei Drücken über 75 bar vor. Es wird erwartet, dass der Wirkungsgrad solcher Systeme bei etwa 70–80 % liegt, was etwa dem Wirkungsgrad herkömmlicher Pumpspeicherkraftwerke entspricht.

Das Unterwasserdesign eliminiert auch das Problem der Verdunstung, die Wasser und damit Energie aus gepumpten Wasserreservoirs entzieht. Auch die Installation ist problemlos skalierbar. Jedes Unterwasserreservoir benötigt lediglich einen elektrischen Anschluss an das Stromnetz und nichts weiter. Durch die einfache Installation weiterer Wasserreservoirs mit der entsprechenden elektrischen Infrastruktur lässt sich die Kapazität einer solchen Anlage leicht vergrößern.

Es gibt auch den einfachen Vorteil, dass keine großen Berge oder Täler gefunden werden müssen, um Stauseen zu bauen, und dass kein Risiko besteht, dass diese Stauseen platzen und lokale Städte in der Umgebung zerstören. Stattdessen sind selten genutzte Bereiche des Meeresbodens leicht verfügbar, und es gibt dort nur sehr wenige Wohnsiedlungen oder bestehende Unternehmen, die den Baugenehmigungsprozess vereiteln.

Die bemerkenswerteste Initiative in diesem Bereich ist das Stored Energy at Sea-Projekt, auch kurz StEnSea genannt. Die Grundidee wurde 2011 von Dr. Horst Schmidt-Böcking und Dr. Gerhard Luther entwickelt und führte zu einem großartigen Konzept von Kugeln mit 30 Metern Durchmesser auf dem Meeresboden. Diese wären mit integrierten Turbinenpumpen ausgestattet, um das Wasser aus ihnen zu entleeren und beim Zurückfließen gleichzeitig Strom zu erzeugen.

Im Jahr 2016 wurde ein Test des Gesamtkonzepts im Maßstab 1:10 durchgeführt. Dabei wurde eine Betonkugel mit einem Durchmesser von 3 m gebaut, die als primäres Lagergefäß dienen sollte. Das bis zu einer Tiefe von 100 Metern im Bodensee in Deutschland versenkte Schiff wurde vier Wochen lang ausgiebig getestet, um die Machbarkeit einer Unterwasser-Pumpspeicherung zu ermitteln. Der Test verlief insgesamt erfolgreich, das Ingenieurteam konnte die Kugel betreiben, Energie speichern und später wieder zurückgewinnen.

Die Ergebnisse der Studie zeigten dem Team in Kombination mit anderen Untersuchungen, dass die Idee in Tiefen von etwa 700 Metern realisierbar war. Die Drücke in dieser Tiefe liegen in der Größenordnung von 70 bar und tragen dazu bei, dass das System große Energiemengen erzeugt und sich dennoch im Hinblick auf die Materialfestigkeit und die Praktikabilität der Installation in einem sicheren Bereich befindet. Es wird erwartet, dass in dieser Tiefe eine einzelne Kugel ganze 20 MWh Strom speichern könnte, gepaart mit einer Turbine, die bei einer Entladezeit von vier Stunden 5 MW erzeugen kann.

Bei der Kombination mehrerer Kugeln in einer Offshore-Anlage würden die geschätzten Speicherkosten im Betriebszustand auf nur wenige Cent pro kWh sinken, was wahrscheinlich günstiger als vergleichbare Druckluftlösungen wäre, wobei die Baukosten bei etwa 1.300 bis 1.600 US-Dollar pro kW liegen der Leistungsabgabe. Die tatsächliche finanzielle Rentabilität eines solchen Vorhabens hängt jedoch vom Arbitragepreis der Energie auf dem Markt ab; Eine Studie legt nahe, dass ein System aus 80 solchen Riesenkugeln mit einer Gesamtleistung von 400 MW in Bereichen von 4 bis 20 Euro-Cent pro kWh rentabel wäre.

Es gibt auch andere Bemühungen. Sowohl das MIT als auch ein Startup namens Subhydro haben die Idee ebenfalls untersucht, die ebenfalls auf hohlen Betonkugeln auf dem Meeresboden basiert. Die von diesen Teams ermittelten Zahlen in Bezug auf Tiefen, Effizienz und Leistungsabgabe liegen im Bereich der von StEnSea zitierten Zahlen, was darauf hindeutet, dass die grundlegende Technik hinter dem Konzept solide ist.

Unterdessen erforscht ein niederländisches Start-up namens Ocean Grazer eine Variante des StEnSea-Konzepts. Als Druckbehälter soll statt riesiger Kugeln ein im Meeresboden vergrabenes Betonrohr zum Einsatz kommen. Außerdem pumpt es das Wasser nicht aus dem Schiff ins offene Meer, sondern in eine versiegelte Blase. Dadurch kann das System immer noch die Druckdifferenz am Meeresboden nutzen, aber potenzielle Probleme einer Pumpe, die durch Meeresflora und -fauna verunreinigt wird, werden vermieden, da es sich um ein abgedichtetes System handelt. Ocean Grazer hat sich dem Design zugewandt, nachdem er in der Vergangenheit andere erneuerbare Energietechnologien wie die Wellenkrafterzeugung erforscht hatte. Das Unternehmen geht davon aus, dass ein Reservoir mit einem Fassungsvermögen von 20 Millionen Litern Wasser bis zu 10 MWh Energie speichern könnte.

Das Ocean Grazer-Projekt, das auf der CES 2022 einen Preis gewonnen hat, erhält derzeit vielleicht die größte Presse für Unterwasser-Pumpwasserkraft. Trotzdem und trotz der anderen Projekte, die im letzten Jahrzehnt ins Stocken geraten sind, lebt die Technologie immer noch weitgehend auf dem Papier und eine groß angelegte Installation scheint in weiter Ferne zu liegen. Unabhängig davon sind die Grundlagen vorhanden. Wenn also die Energiespeicherung plötzlich wichtiger oder, seien wir ehrlich, viel profitabler wird, ist ein Großteil der erforderlichen Grundtechnik bereits erledigt. Für die Umsetzung einer Großanlage ist es möglicherweise erforderlich, dass in nur wenigen Jahren die richtigen wirtschaftlichen Bedingungen geschaffen werden!