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Pumpspeicher mit Tiefgang

Ein neues Speicherkonzept soll der Offshore-Windenergie zu höherer Wirtschaftlichkeit verhelfen. Es verwendet riesige, kugelförmige Betonhohlkörper, die eigentlich wie Pumpspeicherkraftwerke funktionieren. Doch statt hochgelegener Seebecken, setzt der Offshore-Speicher auf den Druck der Meerwassersäule. Ein Test läuft bis Anfang März im Bodensee.

Leonid LeivaLeonid Leiva

Die Windenergie hat in den letzten Jahren eine eindrückliche  Erfolgsgeschichte hingelegt: Weltweit nehmen die installierten Kapazitäten Jahr für Jahr zu, und in der Folge haben auch die Preise für Windstrom mittlerweile ein wettbewerbsfähiges Niveau erreicht.

Doch der Zuwachs der jüngsten Vergangenheit hat vor allem auf den tief hängenden Früchten beruht. Denn die Windkraft wächst vor allem an Land, also dort wo Installations- und Betriebskosten am niedrigsten sind. Aber diese Onshore-Bewirtschaftung ist nicht ohne Makel. Zum einen stossen die Windräder an Land oft auf Widerstand durch Anwohner oder durch Vertreter anderer Interessen – etwa des Tourismus und des Naturschutzes-, die eine Verschandelung der Landschaft oder das Todesrisiko für Vögel bemängeln. 

Den küstenfernen Wind einfangen

Dabei gäbe es in weiterer Entfernung von der Küste für die Nutzung der Windkraft mehr als genug Ressourcen. In der Tat weht der Wind auf hoher See in aller Regel stärker und beständiger als an Land. Diese Offshore-Energie zu ernten, ist jedoch auch mit erheblichem Mehraufwand für Installation, Betrieb und Wartung eines Windparks verbunden.

Um die Wirtschaftlichkeit von Offshore-Wind zu verbessern, könnte man an verschiedenen Schrauben drehen. Ein guter Ansatz wären robustere, also wartungsärmere Windturbinen, denn jede Reparatur einer ausgefallenen Anlage kostet wegen ihres schwer zugänglichen Standorts sehr viel Geld. Alternativ könnte man aber die von den Turbinen produzierte und ins Stromnetz eingespeiste Elektrizitätsmenge mithilfe von Speichern erhöhen. So könnte man in Phasen der Überproduktion den Zwischenspeicher auffüllen und bei Windflaute wieder entleeren. Ein geeignetes Speicherkonzept würde auch die Onshore-Windkraft voranbringen. Schon heute wird an der deutschen Nordseeküste zeitweise so viel Windstrom produziert, dass die Einspeisung der grünen Energie gedrosselt werden muss, um die Übertragungsnetze vor Überlastung zu schützen. Das ist nicht nur schade um die Umwelt, sondern kostet die Netzbetreiber jährlich Millionen. Denn gemäss Erneuerbare-Energiegesetz sind sie in Deutschland verpflichtet, den Ökostrom abzunehmen oder sonst eine Entschädigung zu zahlen. 

Betonkugel im Bodensee
© Fraunhofer IWES | Energiesystemtechnik

Betonhohlkugeln als Zwischenlager

Ein interessantes, weil einfaches Speicherkonzept für Offshore-Windparks verfolgen Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Kassel.  Um ihre Idee zu testen, senkten die Forscher im vergangenen November eine 3 Meter grosse Betonkugel 100 Meter tief in den Bodensee ab. Zunächst geht es um einen Modellversuch im Massstab von 1 zu 10. Damit soll geprüft werden, ob überschüssiger Offshore-Windstrom eines Tages in kugelförmigen Betonhohlkörpern zwischengelagert werden könnte. Das würde die effektiven Kosten pro Kilowattstunde der Windenergie auf hoher See verbessern. 

Technisch ist das Konzept im Grunde einfach: Bei Überproduktion wird der Windstrom nicht einfach abgewürgt, sondern für den Betrieb einer Pumpe genutzt, die Wasser aus den Betonkugeln pumpt. Die so leergepumpten Speicher sind damit bereit, um bei Windflaute Meereswasser hineinströmen zu lassen. Das Wasser würde dann eine Turbine mit daran angeschlossenem Stromgenerator antreiben. 

Damit das Konzept auch wirtschaftlich aufgeht, sind recht tiefe Standorte für die Speicher erforderlich. Nicht weniger als 500 Meter Tiefe - so haben es unabhängige Forscher berechnet - sind notwendig, um den mit der Tiefe zunehmenden Druck der Wassersäule konsequent auszunutzen. 

Die Fraunhofer-Ingenieure gehen davon aus, dass eine Betonkugel, die 30 Meter durchmisst und 700 Meter tief auf dem Meeresgrund steht, eine Speicherkapazität von 20 Megawattstunden bieten kann. Um einen Offshore-Windpark üblicher Grösse mit ausreichendem Puffervermögen auszustatten, wären ein paar Dutzende solcher Betonkugeln nötig. Attraktive Standorte, die die notwendige Wassertiefe in nicht allzu grosser Entfernung von der Küste aufweisen, gibt es vor Norwegen, Japan, der Ostküste Nordamerikas und im Mittelmeer.

Verankerung für schwimmende Windräder

Die deutschen Forscher sind nicht die einzigen, die an den tonnenschweren Betonspeichern feilen. Auch eine Gruppe des Massachusetts Institute of Technology MIT in Boston, USA, arbeitet an einem ähnlichen Konzept. Die US-amerikanischen Ingenieure haben bereits 2008 ihr Design vorgelegt und ein kleines Modell getestet. Sie wollen die Betonkugeln in Kombination mit schwimmenden Windturbinen einsetzen. Denn wenn die Windräder auf Plattformen schwimmen, spart man sich die langen Pfosten bis zum Meeresboden. Allerdings muss dann die schwimmende Plattform über gespannte Stahlkabel verankert werden. Und diese Kabel wiederum könnte man mit den tonnenschweren Betonkugeln am Meeresgrund festmachen. Die Speicher erhielten damit eine doppelte Funktion.

Wie das Konzept der Betonkugelspeicher in die Praxis umgesetzt wird, ist noch schwer vorauszusehen. Schon die logistischen Barrieren machen den Verfechtern der Idee zu schaffen. Denn man müsste die fertig gegossenen Kugeln auch irgendwie an ihren Einsatzort transportieren können. Schiffe, die so schwere Lasten auf hoher See tragen können, gibt es aber noch nicht. 

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Kommentare

  • Peter Flick

    27.02.2017 14:09:10

    Wozu Schiffe, um die Kugeln darauf zu transportieren? Leer sollten die Kugeln ja schwimmen (je nach Wandstärke), also bräuchte man lediglich Schlepper, um die Hohlkörper an den Zielort zu bringen...
    Es gibt/gab ja auch Schiffe aus Beton.

  • Andreas Vögeli

    06.03.2017 16:25:31

    Das ist ein klassisches Pumpspeicherwerk - einfach mit umgekehrtem Vorzeichen. Statt ein Becken auf einer Steilküste zu bauen, hat man Landschaft-schonende Unterwasser-Speicher. Welche der beiden Lösungen wirtschaftlicher ist, wäre zu prüfen. Die Knacknuss liegt in der Maschinentechnik: Meerwasser betriebene Pumpspeicher müssen wesentlich beständiger sein. deshalb kann Wirtschaftlichkeit nur mit zentralen Maschinen erreicht werden. Im Moment ist nur ein Meerwasser-Pumpspeicher auf der Insel Okinawa, Japan im Betrieb, in Australien plant man einen. Gut ist, dass man endlich realisiert, dass Wind- und Solarstrom ohne Speicher wenig nützen, solange man Kohle- und Gaskraftwerke vorhalten muss (siehe Deutschland).