StEnSea - Stored Energy in the Sea

Funktionsprinzip der StEnSea
Meeres-Pumpspeicherkraftwerke

Leer pumpen: Mit Strom wird über eine Elektropumpe Wasser aus der Kugel herausgepumpt Strom erzeugen: Wasser strömt durch eine Turbine in die leere Kugel hinein und erzeugt über einen Generator Strom

Meeres-Pumpspeicherkraftwerke sind ein neuer Ansatz zur Übertragung des lang bewährten Konzepts der Pumpspeichersysteme auf große Wassertiefen im Meer. Die Offshore Pumpspeichersysteme sollen in Wassertiefen von 600 m bis 800 m eingesetzt werden und nutzen den Druck in tiefem Wasser, um Energie zu speichern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerken dient das umgebende Wasser als oberes Reservoir, wodurch aufwendige Rohrleitungen entfallen. Die Speicherkapazität des Systems ist proportional zum Volumen und zur Tiefe des Systems.

Das StEnSea-System besteht aus einer hohlen Betonkugel, die das Speicherreservoir darstellt, und einer eingesetzten technischen Einheit, die die Pumpenturbine, ein steuerbares Ventil und die Komponenten der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik (MSR) enthält. Die technische Einheit kann aus der am Meeresboden installierten Betonkugel herausgenommen, an Land gewartet oder repariert und anschließend wieder eingesetzt werden.

Eine leere Kugel entspricht einer vollständig aufgeladenen Speichereinheit. Zum Entladen des Speichers wird das Ventil geöffnet und Wasser kann durch die Pumpturbine in die Kugel strömen. Das zufließende Wasser treibt über die Turbine den Generator an, welcher Strom ins Netz einspeist. Das Aufladen erfolgt durch das Leerpumpen der Kugel gegen den Umgebungsdruck des Wassers durch überschüssige Energie.

StEnSea - Stored Energy in the Sea

Technoökonomische Bewertung

Die technoökonomische Bewertung hat gezeigt, dass die Kosten des StEnSea-Systems ähnlich zu denen konventioneller Pumpspeicher sind. Der Bau konventioneller Pumpspeicher hat wird vielerorts durch Nutzungskonflikte, sowie die resultierenden Auswirkungen auf das Landschaftsbild und den lokalen Wasserhaushalt gehemmt. Der Nutzungskonflikt und der Einfluss der StEnSea-Technologie auf die Umwelt wird als wesentlich geringer eingeschätzt, weshalb hier keine größeren Einschränkungen bei der Auswahl von neuen Standorten erwartet werden.

Ein weiterer Vorteil der Technologie ist der modulare Aufbau. In einem StEnSea-Park können beliebig viele Einheiten zusammengeschaltet werden, wodurch unterschiedliche Leistungen und Kapazitäten erreicht werden können. Dies erhöht die Flexibilität und Skalierbarkeit der Technologie und damit die Bandbreite möglicher Anwendungen.

 

Weltweites Potenzial

Durch den Einsatz eines geografischen Informationssystems (GIS) wurden potentielle Standorte weltweit identifizieret. Dabei wurden die folgenden Parameter und Schwellenwerte verwendet, um das weltweite Potenzial der StEnSea-Technologie zu ermitteln:

  • Wassertiefe: 600 m - 800 m
  • Steigung: ≤ 1°
  • Entfernung zum Stromnetz: ≤ 100 km
  • Entfernung zu Häfen/Standorten, von denen aus die Wartung erfolgen kann: ≤ 100 km
  • Entfernung zu Häfen/Standorten, von denen aus die Installation erfolgen kann: ≤ 500 km

Standorte mit ungeeigneter Geomorphologie wie Gräben, Grate, Täler, Schluchten sowie Steilwände wurden ausgeschlossen.

LAND
Fläche in km² Energie in TWh
Summe aller Gebiete 111.659 817
TOP 10 64.965 475
USA 10.226 75
Japan 9.511 70
Saudi Arabien 8.535 62
Indonesien 8.002 59
Bahamas 6.201 45
Libyen 5.836 43
Italien 5.572 41
Spanien 4.299 31
Griechenland 3.476 25
Kenia 3.307 24

Die StEnSea-Entwicklung

Im Jahr 2011 hatten Prof. Horst Schmidt-Böcking und Dr. Gerhard Luther die Idee für diese neue Pumpspeichertechnologie. Ihre Initiative führte zum Forschungsprojekt StEnSea des Fraunhofer IEE, das von 2013 bis 2017 durchgeführt wurde. Während dieses Projekts wurde ein Prototyp im Maßstab 1:10 gebaut und 2016 erfolgreich im Bodensee getestet. Zusätzliche Simulationen und Analysen zum System in Originalgröße brachten die Weiterentwicklung von TRL 2 zu TRL 5 (Technology Readiness Level). Die Untersuchungen zeigten, dass die technische Umsetzung im Maßstab 1:1 (Abmessungen siehe Tabelle rechts) möglich ist.

In einem Folgeprojekt StEnSea 2.0 soll ein Prototyp im Maßstab 1:3 in einer Tiefe von ca. 650 m vor der kalifornischen Küste installiert werden. Ziel ist es, die Offshore Logistik, die Installation und den Betrieb über einen längeren Zeitraum zu untersuchen. Durch den geplanten Langzeitbetrieb wird es möglich sein, langfristige Auswirkungen auf die Betonkugel und die Pumpturbine zu analysieren und zu bewerten. Die geplanten Arbeiten können die Technologie auf TRL 6 anheben und bereiten damit die Realisierung von kommerziellen Großprojekten vor. Wenn an die vielversprechenden Ergebnisse des ersten Forschungsprojekts angeknüpft werden kann, hat die StEnSea-Technologie großes Potenzial ein wichtiger Bestandteil des zukünftigen Energiespeicherportfolios zu werden.

Parameter

StEnSea-System 1:10 (Bodensee)

StEnSea-System 1:3 (Kalifornien)

StEnSea-System 1:1

Außendurchmesser / m

3

10

30

Gewicht / t

20

1000

20.000

Wassertiefe / m

100

500 - 700

600 - 800

Kapazität / MWh

0,001 – 0,003

0,5 - 1

20

Leistung / MW

0,002 - 0,004

0,5 - 1

5 - 7

Wirkungsgrad

0,40

0,60

0,80

Auszeichnungen

Der erfolgreiche Test im Bodensee stieß weltweit auf großes Interesse. Darüber hinaus wurde die Arbeit durch eine Reihe von Auszeichnungen gewürdigt. Dazu gehören: Deutscher Renewables Award 2017 in der Kategorie "Projekt des Jahres"; Finalist des Hessischen Staatspreises für innovative Energielösungen 2018; Deutschland Land der Ideen Ausgezeichneter Ort 2018; Green Awards 2019 Top 3 in der Kategorie "Innovation des Jahres"

 

Projekt des Jahres - German Renewables Award 2017

 

Finalist des Hessischen Staatspreises für innovative Energielösungen 2018

Deutschland Land der Ideen Ausgezeichneter Ort 2018

Green Awards 2019 Top 3 in der Kategorie "Innovation des Jahres"

Techno-economic assessment of a subsea energy storage technology for power balancing services

Development and testing of a novel offshore pumped storage concept for storing energy at sea − Stensea

StEnSea – Results from the pilot test at Lake Constance

Deep-sea Pumped Hydro Storage

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

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