Meeresspeicher

Prinzipielle Funktionsweise

• Mit hochfestem Beton wird am Meeresgrund ein druckfester Speicherraum geschaffen.
• Das Funktionsprinzip ähnelt einem klassischen Pumpspeicher mit gutem Wirkungsgrad von mindestens 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 eine hohe Energiedichte.
• Die Frisbeeform ermöglicht einen großen Speicherraum.
• Ein Seekabel aus DC-Supraleiter speist den Strom ins Netz und vermeidet Hochtransformierung im Meer.

Nutzen von Meeresspeichern

• Einsparen klimaschädlicher Gaskraftwerke zur Spitzenlastabdeckung
• Großer Kurzzeitspeicher für schnellen Lastausgleich im bestehenden Netz
• Speicherung erneuerbarer Energien
• Optimale Kombination mit Offshore-Anlagen für bedarfsgerechte Stromabgabe

Bekannte Lösung: Meer-Ei

• Kugelförmiger Druckspeicher

Problemstellung

• Die Kugelform ist in der Größe begrenzt, da die Wandstärke mit dem Kugeldurchmesser steigt.
• Maximale Größe etwa 30 m Durchmesser und 20 MWh Speicherkapazität.
• Für 1 GWh wären etwa 50 Einzelspeicher nötig.
• Schwieriges Absenken wegen schwerem Sockel.
• Kostenintensive Kleinanlage mit schwierig herstellbarem kugelförmigem Speicherraum.

Vorgeschlagene Lösung

• Frisbeeform anstelle kugelförmigem Speicher.
• Bis zu 50-fache Speichergröße bei gleicher Wandstärke.
• Geschlossener Raum unterhalb des Speichers ermöglicht gleichmäßige Auflagefläche auch bei Unebenheiten.
• Auftauchfähig, da der Speicher entleert im Wasser schwebt.
• Wasserstrahlantrieb mit 240 MW Antriebsleistung zum Navigieren während des Ab- und Auftauchens.

Kundennutzen

• Kostenvorteil durch kostenoptimiertes Serienprodukt und kurze Verbraucheranbindung
• Einfache Projektumsetzung durch einfache Standortfindung, einfacheres Genehmigungsverfahren und kurze Realisierungszeit
• Umweltvorteile durch keinen Landschaftsverbrauch, schnelle Erweiterbarkeit und hohe Sicherheit

Marktaussichten

Auszug aus einer Studie zu Pumpspeicherkraftwerken:

• Der weltweite Markt für Pumpspeicherkraftwerke wird langfristig stark wachsen.
• Hauptgrund ist der weltweit steigende Anteil erneuerbarer Energien.
• Speicherlösungen werden wichtiger, um Stromerzeugung und Verbrauch auszugleichen.

Marktpotenzial

• Ersatz für teure und klimaschädliche Gaskraftwerke in Ländern ohne klassische Pumpspeicherstandorte.
• Zwischenspeicherung erneuerbarer Energien anstelle oder ergänzend zu konventionellen Pumpspeicherwerken.
• Zusätzliches Potenzial in Ländern, die aus topografischen Gründen keine Pumpspeicher nutzen können.

Eigenschaften des Meeresspeichers

• Die Anlage schwebt im nahezu entleerten Zustand und kann komplett entleert auftauchen.
• Mehrstufige Pumpturbinen mit Ansaugvorstufe arbeiten bei Unterdruck im Speicher.
• Mehrere Pumpturbinen, zum Beispiel 3 x 80 MW, sind innerhalb des Speichers verteilt angeordnet.
• Jede Pumpturbine arbeitet autark und erhöht dadurch die Ausfallsicherheit.
• Die Pumpturbinen dienen zum Entleeren und Befüllen, zum Nivellieren und als Wasserstrahlantrieb.

Besonderheiten

• Verbrauchernaher Standort möglich, zum Beispiel bis 30 km vor der Küste großer Städte.
• Keine Auflagefüße, dadurch auftauchfähig.
• Geringer Überdruck zwischen Speicher und Meeresboden.
• Geringes Speichereigengewicht im Vergleich zu kugelförmigen Speicherlösungen.

Weitere Besonderheiten des Speicherbehälters

• Ultrahochfester Beton besitzt hohe Druckfestigkeit und gute Meerwasserbeständigkeit.
• Modularer wabenförmiger Innenaufbau ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung.
• Keine Kapazitätsbeschränkung bei Großanlagen, da am Meeresboden Platz für viele Einzelspeicher besteht.
• Geringes Gefahrenpotenzial.
• Einfaches und schnelles Auftauchen im Servicefall.
• Herstellung in flachem offenen Küstengewässer möglich.
• Kurze Herstellzeit durch Serienproduktion.
• Pumpturbinen werden modular von oben in den Speicher eingesetzt.
• Keine Verwendung seltener Rohstoffe wie Lithium.

Mögliche Anlagengröße

Beispielhafte Anlagedaten

• Außenmaße des Speichers: Ø 215 m, Höhe 25 m
• Speicherkapazität: 1,13 GWh
• Leistung: 240 MW
• Befüll- beziehungsweise Entleerzeit: ca. 4,7 Stunden bei 3 Pumpturbinen mit je 80 MW
• Einsatzort: 1000 m Wassertiefe
• Wasserverdrängung brutto: ca. 785.400 m³
• Nutzbares Speichervolumen: ca. 458.150 m³
• Betonanteil: ca. 327.250 m³

Mögliche Anlagenleistung

Berechnung der Speicherkapazität

Die Speicherkapazität wird anhand des nutzbaren Speichervolumens, des Differenzdrucks und eines Vergleichs mit klassischen Pumpspeicherwerken abgeschätzt.

Beispielrechnung: 13,4 GWh x 458.150 m³ / 9.000.000 m³ x 1000 m / 600 m = ca. 1,13 GWh.

Innenaufbau des Speichers

Merkmale eines Speichers für 1000 m Wassertiefe

• Durchmesser 215 m, Höhe 25 m
• Wandstärke 2,5 m für Boden, Deckel und Umrandung
• Innenaufbau mit etwa 1200 wabenförmigen Einzelmodulen
• 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 durch wenige Sondermodulformen.

Herstellung des Speichers aus Fertigbetonteilen

• Wabenförmige Module bestehen aus einzelnen Betonfertigteilen.
• Einzelmodule werden im Wasser miteinander verschraubt oder vergossen.
• Die Außenumrandung wird mit halbkreisförmigen Fertigteilen hergestellt und ausbetoniert.
• Außenwand und Bodenplatte werden betoniert.
• Der Speicher wird in tiefem Gewässer gewendet.
• Die Deckelplatte wird anschließend betoniert.

Herstellung des Speichers mittels 3D-Plotten

• Der Speicher wird direkt im Meer bei einer Wassertiefe von mehr als 220 m hergestellt.
• Schwimmkörper positionieren den Speicher.
• Industrieroboter erstellen schichtweise eine Schalung.
• Industrieroboter füllen hochfesten Beton in den neu geschalten Arbeitsraum.
• Schicht um Schicht wächst der Speicher senkrecht nach unten ins Meer.
• Der Speicherkörper ist leer und schwebt im Wasser.
• Der Herstellungsprozess kann automatisiert anhand einer CAD-Vorlage gesteuert werden.

Speicherlagerung und Nivellierung

Speicherauflagekissen mittels Auflagefolie

• Eine wasserdichte, mit Stahlseilen verstärkte Folie bildet ein druckfestes Wasserbett als Speicherauflage.
• Das Auflagekissen ist in drei Bereiche aufgeteilt.
• Im Normalbetrieb wirken die drei Speicherkissen wie eine Drei-Bein-Auflage.
• Die Nivellierung des Speichers erfolgt mittels Pumpturbinen.

Detaillierter Aufbau

• Der Speicher wird waagrecht positioniert.
• Der Speicher steht entleert unter Vakuum.
• Stahlseile leiten Seitenkräfte der Auflagefolie bei schrägem Meeresboden ab.
• Mehrstufige Pumpturbine mit integriertem Vorimpeller.
• Wasserstrahlantrieb zum Navigieren während des Auf- und Abtauchens.

Druckfestigkeit des Speichers

Vertikalkräfte

• Vertikaler Druck auf Deckel und Boden.
• Druck auf senkrechte wabenförmige Wände ist deutlich höher.
• Die Wände nehmen einen Teil der Grundfläche ein und stützen vertikale Kräfte ab.

Horizontalkräfte

• Horizontale Druckkräfte auf das halbrunde Profil stützen Seitenkräfte ab.
• Die halbkreisförmige Seitenwand drückt auf Deckel und Boden.
• Hochfester Beton ermöglicht eine hohe Dauerbelastung.

Kostenschätzung für den Serieneinsatz

Beispielanlage mit etwa 1 GWh, Ø 200 m x 25 m, 1000 m Tiefe:

• Betonkosten für ultrahochfesten Beton: ca. 35 Mio. €
• Pumpturbinen inklusive Zubehör: ca. 40 Mio. €
• Restliche Ausrüstung: ca. 45 Mio. €
• Sonstige Kosten, Anlieferung und Aufbau: ca. 10 Mio. €
• Gesamtkosten: ca. 130 Mio. €

Die Angaben beruhen auf einer Kostenschätzung und dienen der konzeptionellen Einordnung.

3D-Modell

• Außendurchmesser des Originals: ca. 200 m
• Außenhöhe: ca. 25 m
• Wabenförmige Innenräume mit etwa 20 m Höhe
• Wandstärke der Außenwände: ca. 2,5 m
• Geplottetes 3D-Modell zur Veranschaulichung im Maßstab 1:690