Meeresspeicher

Prinzipielle Funktionsweise

• Mit hochfestem Beton wird am Meeresgrund ein druckfester Speicherraum geschaffen
• Funktionsprinzip wie klassischer Pumpspeicher mit gutem Wirkungsgrad von ≥ 80 %
• Bei Strombedarf wird Meerwasser unter hohem Druck durch eine Turbine in den Speicherraum eingeleitet
• Bei Stromüberfluss drückt eine Pumpe das Wasser aus dem Speicherraum zurück ins Meer
• Der hohe Wasserdruck ermöglicht hohe Energiedichte
• Die Form eines Frisbee ermöglicht großen Speicherraum
• Ein Seekabel aus DC-Supraleiter speist den Strom ins Netz und erspart Hochtransformierung im Meer

Nutzen von Meeresspeichern

• Einsparen klimaschädlicher Gaskraftwerke (Derzeitig Spitzenlastabdeckung infolge fehlender Pumpspeicher)
• Extrem dynamischer großer Kurzzeitspeicher für schnellen Lastausgleich in bestehendem Netz
• Speicherung erneuerbarer Energieträger
• Optimale Kombination mit Offshore-Anlagen
  → bedarfsgerechte Stromabgabe an Verbraucher

Bekannte Lösung „Meer-Ei“

• Kugelförmiger Druckspeicher

Problemstellung

• Kugelform ist in Größe begrenzt, da Wandstärke zwingend mit dem Kugeldurchmesser steigt
  Maximale Größe: Durchmesser ca. 30 m, 20 MWh
• Großanlage ist nur mit vielen Einzelspeichern möglich
  → 50 Einzelspeicher werden für 1 GWh benötigt
• Schwieriges Absenken wegen schwerem Sockel
  → Nicht mehr auftauchfähig
• Kostenintensive Kleinanlage mit schwierig herstellbarem kugelförmigen Speicherraum

Vorgeschlagene Lösung

• Frisbeeform anstelle kugelförmigem Speicher
  → 50-fache Speichergröße bei gleicher Wandstärke
• Geschlossener Raum unterhalb des Speichers (mittels Folie am Meeresboden) ermöglicht gleichmäßige Auflagefläche auch bei Unebenheiten (1,6 bar Überdruck trägt 460.000 t Speichergewicht)
• Auftauchfähig da entleert in Wasser schwebend
• Wasserstrahlantrieb (240 MW Antriebsleistung) zum navigieren während des Ab- und Auftauchens

Kundennutzen

• Kostenvorteil
  • Kostenoptimiertes Serienprodukt
  • Kurze Verbraucheranbindung
• Einfache Projektumsetzung
  • Einfache Standortfindung
  • Einfaches Genehmigungsverfahren
  • Kurze Realisierungszeit (Serienprodukt)
• Umweltvorteil
  • Kein Landschaftsverbrauch
  • Beliebig und schnell erweiterungsfähig
  • Hohe Sicherheit

Marktaussichten

Auszug aus einer Studie zu Pumpspeicherkraftwerken:

• Der weltweite Markt für Pumpspeicherkraftwerke wird in den nächsten zehn Jahren wachsen wie nie zuvor
• Bis 2020 werden über 100 neue Anlagen mit einer installierten Leistung von rund 74 Gigawatt entstehen
• Dies entspricht etwa der Hälfte des heutigen Bestandes und einem Investitionsvolumen von rund 56 Mrd. €
• Die Hauptgründe für den einsetzenden Boom sind der weltweit ansteigende Anteil der erneuerbaren Energien

Marktpotential

• Erstmalig Möglichkeit als Ersatz für teure und klimaschädliche Gaskraftwerke
  • In Ländern, welche bislang zur Abdeckung von Spitzenlasten aus topografischen Gründen keine Pumpspeicher nutzen können
• Zwischenspeicherung von erneuerbaren Energien
  • Anstelle konventioneller Pumpspeicherwerke
  • Zusätzliches großes Potential in Ländern, welche bislang aus topografischen Gründen keine Pumpspeicher nutzen können und somit derzeit den Anteil erneuerbarer Energien nicht ausbauen können (Dieses zusätzliche Potential ist in Studie* (S. Seite 10) nicht berücksichtigt)

Eigenschaften

• Anlage schwebt im nahezu entleerten Zustand d.h. Speicher kann komplett entleert auftauchen
• Eigenschaften der Turbinen
  • Mehrstufige Pumpturbine mit Ansaugvorstufe (0,1 bar Ansaugvordruck, da Speicher unter Vakuum)
  • Mehrere Pumpturbinen (z.B. 3 x 80 MW) sind innerhalb des Speichers verteilt angeordnet
  • Jede Pumpturbine arbeitet vollkommen autark
    → Hohe Ausfallsicherheit durch Redundanz
  • Funktionen der jeweiligen Pumpturbine
    • Entleeren/Befüllen des Speichers im Normalbetrieb
    • Nivellieren der Speicherauflage
    • Wasserstrahlantrieb zum manövrieren während Erstplatzierung bzw. späterem Auf- und Abtauchen

Besonderheiten

• Verbrauchernaher Standort des Speichers möglich (z.B. ≤ 30 km vor der Küste von Megazentren)
  • 39 % der Menschheit lebt weniger als 100 km von der Küste entfernt (20 % weniger als 30 km)
  • Häufig findet sich tiefes Gewässer (≥ 1000 m Wassertiefe) bereits 30 km vor der Küste
• Keine Auflagefüße und dadurch auftauchfähig (Geschlossener Raum an der Speicherunterseite mit Folie am Meeresboden für gleichmäßig verteilte Auflagekraft nach dem hydraulischen Prinzip Speicherfüllgewicht ca. 460.000 Tonnen !)
  • Geringer Überdruck zw. Speicher und Meeresboden (max. 1,6 bar bei 20 m Speicherraumhöhe)
• Geringes Speichereigengewicht (Vergleich mit Meer-Ei)
  • Innenwände stützen nur vertikale Kräfte ab Boden- und Deckenplatte stützen horizontale Kräfte ab

Weitere Besonderheiten

Speicherbehälter

• Ultrahochfester Beton besitzt hohe Druckfestigkeit und optimale Meerwasserbeständigkeit
• Modularer wabenförmiger Innenaufbau ermöglicht einfache und kostengünstige Herstellung
• Keine Kapazitätsbeschränkung bei Großanlagen, da am Meeresboden Platz für viele Einzelspeicher
• Geringes Gefahrenpotential
• Einfaches schnelles Auftauchen im Servicefall
• Anlagenerstellung in flachem offenen Küsten-gewässer (30 m Wassertiefe sind ausreichend)
• Kurze Herstellzeit durch Serienproduktion
• Pumpturbinen werden modulartig von oben in den Speicher eingesetzt → Kurze Tauschzeit
• Keine Verwendung seltener Rohstoffe (vgl. Lithium)

Mögliche Anlagengröße

Beispielhafte Anlagedaten:

• Außenmaße des Speichers Ø 215 m, h = 25 m
• Speicherkapazität 1,13 GWh
• Leistung 240 MW
• Befüll- bzw. Entleerzeit ca. 4,7 Std. bei z.B. 3 Pumpturbinen mit je 80 MW
• Einsatzort 1000 m Wassertiefe
• Wasserverdrängung Brutto ca. 785.400 m3
• Nutzbares Speichervolumen 458.150 m3
• Betonanteil ca. 327.250 m3

Mögliche Anlagenleistung

Berechnung der Speicherkapazität (Runde Speicherform)

Anlagedaten:

• Außenmaße des Speichers Ø 215 m, h = 25 m
  • Gesamtes Speichervolumen (Netto) 458.150 m³
  • Nutzbarer Differenzdruck 100 bar (bei 1000 m Tiefe)
• Anhand eines Vergleichs mit dem geplanten Pumpspeicherwerk Atdorf ergibt sich folgende Vergleichsrechnung: Daten des Pumpspeicherwerks Atdorf [1]: Nutzbare Höhendifferenz 600 m, d.h. Differenzdruck 60 bar
  Nutzbare Speicherkapazität der Speicherseen 9 Mio. m³ Speicherkapazität Atdorf: 13,4 GWh (lt. Angaben von ENBW)

Speicherkapazität des Meeresspeichers:

Berechnung anhand der Kapazität des Speichers Atdorf
13,4 GWh x (458.150 m³ / 9.000.000 m³) x (1000 m diff./600 m diff.) = 1,13 GWh

Innenaufbau des Speichers

Merkmale eines Speichers für 1000 m Wassertiefe

• Durchmesser 215 m, Höhe 25 m
• Wandstärke 2,5 m (Boden, Deckel, Umrandung)
• Innenaufbau ca. 1200 wabenförmige Einzelmodule 3/6 m x 20 m, Wandstärke 28 cm
• 3 Pumpturbinen mit je 80 MW (von oben einsteckbar)
• Umlaufender Sammelkanal als Zulauf zu Pumpturbinen

Bevorzugte Außenform als Zwölfeck

• Einfacher Modulaufbau im Übergang zum Außenring (lediglich zwei Sondermodulformen)

Herstellung des Speichers

Herstellung aus Fertigbetonteilen

• Wabenförmiges Modul besteht aus 4 einzelnen Betonfertigteilen (2 Halbschalen, Boden/Deckel)
• Einzelmodule (wasserdicht) werden im Wasser miteinander verschraubt/vergossen
• Außenumrandung mittels halbkreisförmigen Fertigteile und ausbetoniert zu 2,5 m dicker äußerer Seitenumrandung
• Außenwand und Bodenplatte werden betoniert
• Wenden des Speichers in tiefem Gewässer
• Deckelplatte wird betoniert (2,5 m dick)

Herstellung des Speichers

Herstellung mittels Plotten

• Direkt im Meer bei einer Wassertiefe von > 220 m wird der Speicher hergestellt
• Schwimmkörper positionieren den Speicher
• Mit Hilfe von Industrierobotern erstellen 3D-Plotter schichtweise eine Schalung (z.B. 1-2 cm hoch)
• Industrieroboter füllen hochfesten Beton in neu geschalten Arbeitsraum
• Schicht um Schicht wächst der Speicher senkrecht nach unten ins Meer
• Speicherkörper ist leer und schwebt im Wasser
• Vollautomatische Herstellungsprozess - Plotter werden entsprechend der CAD-Vorlage gesteuert

Speicherlagerung und Nivellierung

Speicherauflagekissen mittels Auflagefolie

• Wasserdichte und mit Stahlseilen verstärkte Folie an Meeresoberfläche bildet druckfestes Wasserbett als Speicherauflage
• Auflagekissen in 3 Bereiche aufgeteilt
• Im Normalbetrieb sind 3 Speicherkissen wasser-dicht abgesperrt → Wirkung wie 3-Beinauflage
• Nivellierung des Speichers mittels Pumpturbinen
  • Differenzdruck entleert 0 bar
  • Differenzdruck befüllt 1,6 bar bei h=20 m Höhe

Detaillierter Aufbau

• Speicher wird immer waagrecht positioniert
• Speicher steht entleert unter Vakuum
• Stahlseile leiten Seitenkräfte der Auflage- folie bei schrägem Meeresboden ab
• Mehrstufige Pumpturbine (60 MW, 100 bar) mit integriertem Vorimpeller
• Wasserstrahlantrieb zum Navigieren während dem Auf- und Abtauchen (3 x 80 MW Antriebsleistung)

Druckfestigkeit des Speichers

Vertikalkräfte

• Vertikaler Druck F1 auf Deckel/Boden (10N/mm2)
• Druck auf senkrechte wabenförmige Wände F4 ist 5-fach höher (50N/mm2)
• Wände sind 2 x 28 cm dick und nehmen 20 % der gesamten Grundfläche ein

Horizontalkräfte

• Horizontale Druckkräfte auf halbrundes Profil stützen Seitenkräfte ab
• Halbkreisförmige Seitenwand (Außenrundung) drückt auf Deckel und Boden
• Fläche der Seitenwand ist 5 mal größer als Auflage → Seitendruck auf Deckel/Boden F3 ist 5-fach höher (50N/mm2) als Wasserdruck F2 (10N/mm2)
• Zulässige Dauerbelastung von Hochfestem Beton mit 100N/mm2 liegt bei 58 % (50 % werden genutzt)

Kostenschätzung für Serieneinsatz

Beispielanlage 1 GWh ( Ø 200 m x 25 m, 1000 m Tiefe)

• Betonkosten* (Ultrahochfester Beton) ca. 35 Mio. €
• Pumpturbinen** (3 Stück) incl. Zubehör 40 Mio. €
• Restliche Ausrüstung 45 Mio. €
• Sonstige Kosten, Anlieferung, Aufbau 10 Mio. € Gesamtkosten 130 Mio. €

*Geschätzter Preis lt. Heidelberger Zement
**Grob geschätzter Preis Fa. Alstom 30 – 60 Mio. €
Die Kosten beinhalten Turbinen, Druckregler, Ventile, Kühlung Generatoren, Transformatoren, Kontrollsysteme, Telekommunikations- und Hilfssysteme

3D-Modell

• Dimension des Speichers im Original:
  • Außendurchmesser 200 m (Außenform Zwölfeck)
  • Außenhöhe 25 m (Boden/Decke)
  • Wabenförmige Innenräume: Höhe 20 m Größte Breite ca. 5,9 m Wandstärke 0,56 m
  • Wandstärke der Außenwände 2,5 m
• Geplottetes 3D-Modell zur Veranschaulichung im Maßstab 1:690 (Durchmesser ca. 29 cm)