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Interview | 9.1.2017
StEnSea-Projektleiter Matthias Puchta im Interview

„Das System lässt sich flexibel einsetzen“

Das Modell für den Test eines Meeres-Pumpspeichers im Maßstab 1:10 hat einen Durchmesser von drei Metern. Vier Wochen lang haben Wissenschaftler des Fraunhofer IWES die Hohlkugelspeicher im Bodensee getestet.
© Fraunhofer IWES / Energiesystemtechnik
Projektleiter Matthias Puchta erläutert das Speicherkonzept von StEnSea.
© Fraunhofer IWES / Energiesystemtechnik
Die Betonkugel wird zu Wasser gelassen.
© Fraunhofer IWES / Energiesystemtechnik
Absenken der Kugel in 100 Meter Tiefe. Nahe bei Überlingen bietet das steil abfallende Ufer des Bodensees gute Bedingungen für den Test.
© Fraunhofer IWES / Energiesystemtechnik

StEnSea funktioniert zwar wie ein herkömmlicher Pumpspeicher, arbeitet aber nicht mit zwei Becken, sondern mit Hohlkugeln am Meeresboden. Einströmendes Wasser treibt eine Turbine an, die Strom erzeugt. Gibt es einen Überschuss an elektrischer Leistung, wird das Wasser teilweise oder ganz aus der Hohlkugel gepumpt. Dabei speichert eine Kugel bis zu 20 Megawattstunden Strom. Kürzlich testeten die Forscher einen Beton-Prototyp im Maßstab 1:10 im Bodensee. Im Interview spricht der Leiter des Projektes, Matthias Puchta vom Fraunhofer IWES, über die Testergebnisse und die möglichen Einsatzorte solcher Speicher.

forschung-energiespeicher.info: Sie haben eine drei Meter große Betonhohlkugel im Bodensee versenkt und viele Tests gemacht. Was haben Sie genau untersucht während der einmonatigen Testphase und welche Ergebnisse liegen bereits vor?
Matthias Puchta: Wir konnten tatsächlich erfolgreich Energie speichern und eine Vielzahl von unterschiedlichen Zyklen fahren. Es hat genau so funktioniert, wie wir uns das vorgestellt haben. Eine wichtige Frage, der wir beim Test ebenfalls nachgingen: Geht das Ganze nur mit einer Druckausgleichsleitung zur Wasseroberfläche? Diese sorgt dafür, dass der Luftdruck oberhalb der Wassersäule in der Kugel bis zur vollständigen Befüllung immer bei einem Bar bleibt. Oder geht das Ganze auch ohne Druckausgleichsleitung? Wenn ich diese Verbindung zur Wasseroberfläche nicht benötige spart das erheblich Aufwand und Kosten. Wir konnten zeigen, dass beide Betriebsarten – mit und ohne Druckausgleichsleitung – tatsächlich funktionieren.

Bei dem Konzept ohne Druckausgleichsleitung würden Sie also mit einem Unterdruck arbeiten?
Puchta: Genau. Bei dem Konzept ohne Druckausgleichsleitung würde man oben noch eine kleine Menge Luft drin lassen. Diese expandiert und der Druck sinkt, bis hinunter auf den Wasserdampfdruck. Wenn man dann das Wasser wieder einströmen lässt, komprimiert sich die Luft wieder. Wenn die Luftmenge nicht zu groß ist, ergeben sich im Vergleich zum Konzept der Druckausgleichsleitung nur geringe Verluste. Im Bodensee haben wir auch die Luftmenge variiert und entsprechende Daten beim Betrieb des Speichers aufgenommen.

Gab es beim Test spannende Momente?
Puchta: Das Spannendste für uns war neben dem ersten Speicherzyklus die kurze Zeit nach der Installation, in denen wir zwischen den beiden Betriebsarten wechseln konnten. Dafür haben wir im Voraus eine Druckausgleichsleitung vorgesehen. Wir wollen jetzt außerdem mit den gewonnenen Daten des Modellversuchs auch Simulationsmodelle für die große Kugel validieren. Damit können wir hinterher auch die 30-Meter-Kugel zuverlässig simulieren.

Sie übertragen die Ergebnisse der Drei-Meter-Kugel auf das 1.000-fache Volumen und die sechsfache Wassertiefe. Wie dimensionieren Sie diese?
Puchta: Man muss sich das so vorstellen: Der Auftrieb eines Körpers ist bestimmt durch das verdrängte Volumen. Bei einer festen Kugelgroße ist das Volumen erstmal fix. Um ohne Verankerung am Meeresboden das Konzept realisieren zu können, muss die Betonkugel ein größeres Gewicht haben als der entsprechende Auftrieb, damit sie sicher unten auf dem Boden stehen bleibt und nicht aufschwimmt.

Wenn der Beton nur nach Vorgabe der Druckbelastung dimensioniert würde, dann entspricht die Wanddicke in 750 Metern Tiefe ziemlich genau dem Gewicht, das die Kugel haben muss, um auf dem Meeresboden zu stehen. Um den Auftrieb zu kompensieren hat die Kugel im Bodensee bei einer Wassertiefe von 100 Metern eine Wanddicke von 30 Zentimetern. Rechnerisch hätte die Kugel in 100 Metern, alleine aufgrund der mechanischen Belastung, auch eine geringere Wanddicke haben und damit weniger wiegen können. Wir sehen in einer Wassertiefe von 600 bis 800 Metern ein Optimum für den Materialeinsatz. Ginge man noch tiefer als 800 Meter, müsste die Wand dicker sein, damit die Kugel dem Druck standhält.

Das weltweite Potenzial beträgt 817 Terawattstunden

Die optimale Hohlkugel braucht also eine Wassertiefe von 600 bis 800 Metern. Solche Gegebenheiten sind doch eher weit entfernt vom Festland und auch fern von Offshore-Windenergieanlagen? Wo sehen Sie die Einsatzgebiete Ihres Konzepts?
Puchta: Es gibt mehrere Ideen. Letztlich sind diese immer sehr standortspezifisch. Es gibt Gebiete, die einen steilen Abfall des Meeresbodens haben in der Nähe von möglichen Offshore-Windenergieanlagen. Japan bietet beispielsweise viele potenzielle Standorte. Japan forscht auch intensiv an schwimmenden Plattformen. Zum anderen gibt es aber auch die Option, dass man solche Systeme an geeigneten Standorten in der Nähe vom Festland als reinen Speicher einsetzt. Dies muss nicht unbedingt in Verbindung mit Offshore-Wind sein, der Strom kann auch aus anderen erneuerbaren Quellen kommen. Wir sehen uns beispielsweise auch noch eine Option vor der Norwegischen Rinne bzw. die Integration in ein Offshore-Netz an. Das StEnSea-System lässt sich also flexibel einsetzen und über die Kugelanzahl auch flexibel auslegen. Weltweit gibt es ein Potenzial von 817 Terawattstunden installierbarerer Speicherkapazität.

Haben Sie die Speicherkapazität von 817 Terawattstunden ermittelt in Abhängigkeit davon, dass diese erreichbar sind?
Puchta: Genau. Zum Hintergrund: Wir haben mit einem Geoinformationssystem gearbeitet. Dort haben wir verschiedene Parameter angenommen, wie beispielsweise Bodenneigung, Bodenstrukturen, Bodenströmung, Geologie, Entfernung vom Hafen, Entfernung zum Festland und Wassertiefen. Dann werden nicht geeignete Flächen ausgeschlossen beziehungsweise die Flächen miteinander verschnitten. Große Flächen und damit Potenziale gibt es zum Beispiel in Europa, USA, und Japan. Deutschland könnte in einem eng verknüpften EU-Stromnetz auch von Speicherkapazitäten im EU-Ausland, etwa in Spanien oder Italien profitieren.

Das Beispielkonzept sieht einen Energiepark von 80 Kugeln in 700 Meter Tiefe vor. Welches Speichervermögen und welche Leistung könnte man von so einem Energiepark erwarten?
Puchta:
Wie erwarten pro Kugel fünf Megawatt Leistung und eine Speicherkapazität von 20 Megawattstunden. Wobei es je nach Anwendung verschiedene Szenarien gibt die Kugeln zu betreiben. Man muss diese ja nicht zwangsweise alle gleichzeitig betreiben, man könnte diese auch zeitlich versetzt oder nacheinander schalten.

Der Vergleich zu konventionellen Pumpspeichern

Und wie sieht es mit dem Wirkungsgrad aus?
Puchta: Für die große Kugel rechnen wir mit einem Wirkungsgrad, der mit konventionellen Pumpspeichern vergleichbar ist, also zwischen 75 und 80 Prozent.

Wo wir gerade über konventionelle Pumpspeicher sprechen: Diese haben ein gravierendes Umweltproblem, da sie stark landschaftsverändernd sind. Ist Ihr Konzept umweltfreundlicher?
Puchta: Unser Konzept nutzt das Meer als oberes Speicherbecken; das ist natürlicherweise vorhanden. Dazu baut man lediglich das untere Speicherbecken. Selbst auf die Druckausgleichsleitung kann man, wie wir im Modellversuch zeigen konnten, verzichten. Die Technologie an sich setzt im wesentlichen Beton, Stahl für die Pumpturbine und ein elektrisches Kabel ein. Das sind erstmal keine umweltgefährdenden Stoffe.

Sehen Sie zum Beispiel unsere Versuche im Bodensee an: Dieser ist ein Trinkwasserreservoir, in dem wir das gleiche Konzept nur in einem kleinen Maßstab installiert haben und es auch genehmigen lassen mussten. Unser System enthält also keine besonderen, für das Wasser gefährlichen Komponenten.
Man muss jedoch am jeweiligen Standort immer eine konkrete Überprüfung der Umwelteinflüsse machen und am Ein- und Auslass bestimmte Strömungsgeschwindigkeiten einhalten. Diese dürfen nicht zu schnell werden, damit keine Fische oder sonstige Tiere angesaugt werden. Da haben wir uns in unserem System etwas Spezielles ausgedacht, wie sich der Einlass reinigen lässt und keine Meeresbewohner angesaugt werden.

Ist die Begrenzung dieser Strömungsgeschwindigkeit ein Hindernis?
Puchta: Nein. Das kann man einfach mit einem Diffusor erreichen. Dazu weitet man einfach den Querschnitt der Ein- und Ausstromöffnung aus.

Wie viel kostet es, eine Kilowattstunde zu speichern?
Puchta: Wir haben eine detaillierte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung gemacht. Dabei haben wir die Wartung, die Installationskosten und auch die Kosten für die Schiffe und die Vorkosten eingerechnet. Die Speichergröße haben wir zwischen 5 und 120 Kugeln variiert. Die Kosten variieren dabei zwischen 1.500 und 2.000 Euro pro Kilowatt installierter Leistung. Das ist vergleichbar mit heutigen Pumpspeichern. Wenn man jetzt annimmt, dass man 1.000 Zyklen pro Jahr fährt, dann liegt man bei 1,6 bis 2 Cent pro umgesetzte Kilowattstunde.

Das hört sich gut an.
Puchta: Darüber waren wir zunächst auch sehr positiv überrascht. Natürlich haben wir gehofft, dass die Werte gut ausfallen. Insbesondere haben wir eher konservative Kostenparameter angenommen. Wenn man eine geringere Zyklenzahl annimmt, dann erhöhen sich die Kosten entsprechend. Wenn ich mehr Zyklen fahre, wird der Preis tendenziell kleiner.

„Technik drum herum“ als Herausforderung

Die Betonkugel ist ja ganz einfach aufgebaut. Aber wie ist das mit den anderen Komponenten, etwa den Pumpen und Turbinen, die dem hohen Druck standhalten müssen? Gibt es solche schon auf dem Markt?
Puchta: Die Betonkugel ist gar nicht so einfach aufgebaut. Zwar ist der Beton an sich nicht hoch-fest, aber die Herausforderung besteht natürlich darin, wie man eine 30 Meter große Kugel gießt und auslegt. In diesem großen Maßstab hat das bisher noch keiner gemacht. Eine weitere Herausforderung ist auch die Pumpturbine. Diese muss extra dafür entworfen werden. Prinzipiell gibt es bereits heute Pumpturbinen für solche Drücke. Letztendlich ist auch die Logistik und die ganze Technik drum herum für den Bau einer 30-Meter-Kugel eine technologische Herausforderung.

Wo werden solche Pumpen heute eingesetzt?
Puchta: Es gibt auch heute schon Pumpspeicher, die eine relativ hohe Fallhöhe haben. Dann auch in der Offshore-Industrie. Eine Herausforderung wird sein – da haben wir auch beim Testversuch viel gelernt – was wir unter dem Begriff Energiesystemtechnik zusammenfassen. Zum Beispiel, wie bekomme ich aus Einzelkomponenten ein funktionierendes Gesamtsystem aus Betriebsführung, Messtechnik, Sensorik und Logistik? Das sind ganz viele Dinge, die neben diesen beiden Hauptkomponenten eine wesentliche Rolle beim Modellversuch gespielt haben und beim Bau einer 30-Meter-Kugel auch noch spielen werden.

Wie stellen Sie sich die Wartung und Logistik vor?
Puchta: Die Idee bei der Großanlage ist, die Turbinen mit einem Unterwasserfahrzeug zu warten, da wir die Kugel dazu nicht bergen wollen. Bereits im Modellversuch hatten wir die gesamte Technik in einem dafür vorgesehenen Rohr untergebracht – mit der Pumpturbineneinheit und der Messtechnik. Das ist auch die Idee für den großen Versuch. So haben wir als Verbindung zu der Umgebung später nur noch ein elektrisches Kabel. Man muss sich dabei immer vor Augen führen, dass alles, was in 700 bis 800 Metern Wassertiefe umgesetzt wird, mit einem großen Aufwand verbunden ist.

Wie geht es mit StEnSea weiter?
Puchta: Das jetzige geförderte Projekt läuft noch bis Mitte 2017. Bis dahin werden wir die Ergebnisse des Modellversuchs auf die große Kugel übertragen. Danach wollen wir eine größere Kugel umsetzen und an einem dafür geeigneten Standort im Meer testen. Der erfolgreiche Bodensee-Versuch war dafür schon der erste richtige Schritt in diese Richtung, um eine spätere Kommerzialisierung der Technologie zu ermöglichen.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

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