Forschungsprojekt StEnSEA

Schwerpunkte

Projektmanagement, GIS-gestützte Standortbetrachtungen und Kostenmodellierung, Logistik, Umweltverträglichkeitsprüfung, Auslegung des Triebstrangs und des elektrischen Systems, Betriebsführung und Regelung, Zustandsüberwachung, dynamische Modellierung und Simulation des Gesamtsystems, HIL-Labortests des skalierten Modells, Montage und Installation, Durchführung und Auswertung von Testläufen.

Das Projekt umfasst Entwicklung und Erprobung eines neuartigen Pumpspeicherkonzeptes zur Speicherung großer Mengen elektrischer Energie offshore. Das Konzept des Meeres-Pumpspeicherkraftwerk nutzt das Meer selbst als oberes Speicherreservoir. Das untere Speicherbecken wird durch einen Hohlkörper auf dem Meeresgrund gebildet, der im Pumpbetrieb mit Ladestrom leer gepumpt wird und im Entladebetrieb über eine Turbine zum Generatorantrieb wieder mit Wasser gefüllt wird.

Das Vorhaben baut auf einer Vorstudie der Projektpartner auf und umfasst eine detaillierte Systemanalyse mit Konstruktion, Bau- und Logistikkonzept des Druckbehälters, Entwicklung und Detailauslegung der Pumpe/Turbine, Einbindung in das Stromnetz auf Grundlage von Lastflussberechnungen, Marktanalysen und Wirtschaftlichkeitsberechnungen für einen internationalen Markt sowie die Entwicklung einer Markteinführungsstrategie und Roadmap für die technische Umsetzung.

In einem Modellversuch im Maßstab 1:10 in einem Binnengewässer, dem Bodensee, wurden Detailfragestellungen zu Konstruktion und Bau, Installation und Logistik sowie Betriebsweise und Wartungskonzepten für das Speichersystem untersucht.

Wie funktioniert der Meerespumpspeicher?

Zunächst einmal wird ein Hohlkörper auf dem Meeresboden installiert. Darin befindet sich auf der Oberseite eine Öffnung, in die eine Pumpturbineneinheit integriert ist. Öffnet man nun ein Ventil an der Kugel, strömt Wasser in die Kugel und treibt die Turbine an. Strom wird also erzeugt (wie bei einem Pumpspeicher-Wasserkraftwerk an Land). Das entspricht dem Entladen des Speichers. Beim Laden des Speichers wird Wasser mit z.B. überschüssigem Wind- oder Solarstrom gegen den Druck der Wassersäule aus der Kugel herausgepumpt. Die Speicherkapazität steigt bei gleichem Volumen linear mit der Wassertiefe an.

Wie ist die Idee entstanden?

Die Idee geht auf die zwei Physiker Prof. Dr Horst Schmidt-Böcking und Dr. Gerhard Luther aus dem Jahr 2011 zurück. Daraufhin hat die damalige Hochtief Solutions AG gemeinsam mit dem Fraunhofer IEE aus Kassel (ehemals Fraunhofer IWES) eine Vorstudie zur grundsätzlichen Machbarkeit des Konzeptes bei großen Wassertiefen im Meer durchgeführt. Fragestellungen waren z.B. ob man solch ein Konzept tatsächlich bautechnisch realisieren kann oder welche Formen für solch ein Bauwerk gut geeignet wären. Die Kugelform oder geringe Abweichungen davon haben sich in der Vorstudie aufgrund des speicherbaren Volumen/Oberflächen-Verhältnisses und aufgrund gleichmäßigerer mechanischer Belastung relativ schnell als Favorit für die Anwendung herausgestellt. Aktuell untersucht das Fraunhofer IEE im vom deutschen Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt STENSEA die detaillierte Machbarkeit des Konzeptes im Meer und hat zum Beweis der Machbarkeit auch einen vierwöchigen Modellversuch im Bodensee im November/Dezember 2016 in rund 100 m Wassertiefe durchgeführt.

Wie schätzen Sie das Potenzial ein?

Im Rahmen des STENSEA Projektes führen wir mithilfe von sogenannten Geoinformationssystemen eine genaue Standortanalyse der weltweit infrage kommenden Standorte für die Technologie durch. Soviel lässt sich jetzt schon sagen: Es gibt ein großes Potenzial für die Anwendung der Technologie in küstennahen Standorten, insbesondere auch vor großen bevölkerungsdichten Regionen. Beispielsweise vor Norwegen (Norwegische Rinne), aber auch Spanien, USA und Japan weisen große Potenziale auf.

Was wird bei dem Test im Bodensee genau untersucht?

Wir haben das Meerespumpspeicher-Konzept vorab mit dem Computer simuliert. Dafür haben wir mathematische Modelle entwickelt und in Computersimulationen den Betrieb des Speichers in mehreren hundert Metern Wassertiefe betrachtet. Bei dem Test im Bodensee ging es nun darum, die Machbarkeit im realen Betrieb an einem Modell im Maßstab 1:10 zu überprüfen. Außerdem wollten wir durch verschiedene Messungen Erkenntnisse gewinnen, mit denen wir unsere Computermodelle und damit auch die Auslegungssicherheit für ein echtes Meerespumpspeicherkraftwerk verbessern.

Wie lange hat der Test gedauert?

Rund vier Wochen haben wir seit dem 9. November 2016 das Modellsystem erfolgreich getest und werten nun die Messdaten aus. Aus Gründen der Logistik und des Wetters werden wir die Kugel voraussichtlich Anfang März 2017 wieder aus dem See bergen und zurück zu unserem Institutsstandort nach Kassel transportieren.

Wie steht es mit den ökologischen Risiken für Fische, Krebse und Mikroorganismen?

Zunächst ist dieses natürlich ein sehr wichtiger Aspekt den wir bei unseren Planungen berücksichtigen. Wir haben uns hierzu für den Test mit dem Institut für Seenforschung am Bodensee und den dortigen Behörden abgestimmt.  Die ökologischen Risisken durch die eingesetzten Materialien der Betonkugel (überwiegend Stahl und Beton) sind zunächst gering und wir legen großen Wert darauf diese entsprechend auszuwählen. So haben wir z.B. eine Pumpturbine ausgewählt die auch zur Förderung von Trinkwasser eingesetzt wird. Das Einsaugen von Tieren wurde durch eine geringe Strömungsgeschwindigkeit am Wassereintritt und durch ein entsprechend sehr feinmaschiges Gitter verhindert. Für einen Möglichen Versuch im Meer gilt ähnliches, nur in einem größeren Maßstab.

Wie geht es nach dem Test im Bodensee weiter?

Die Ergebnisse des Modellversuches, des derzeit vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekts STENSEA, werden wir nutzen, um daraus Rückschlüsse auf die Realisierung eines Systems mit 30 m Kugeldurchmesser treffen zu können. Sicher ist, dass das Konzept erst ab Wassertiefen von ca. 600-800 Metern im Meer wirtschaftlich anwendbar sein kann. Bei den Tests im Bodensee handelte es sich also um einen einmaligen kurzen Test, mit dem wir nun die Anwendung im Meer in einem Nachfolgeprojekt vorbereiten wollen.