Wie 3D-gedruckte Kugelspeicher die Energiewende voranbringen

18.12.2024

Der Ausbau erneuerbarer Energien sorgt für einen immer größeren Bedarf nach Speichermöglichkeiten. Das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE hat dafür spezielle Unterwasser-Bentonkugeln entwickelt, die das Prinzip der Pumpspeicher-Kraftwerke auf den Meeresgrund übertagen. Bei der Fertigung der tonnenschweren Kugeln kommt auch die Additive Fertigung zum Einsatz. 

Vor der kalifornischen Küste soll im Projekt „StEnSea“ eine 400 Tonnen schwere Betonkugel mit neun Metern Durchmesser in 500 bis 600 Metern Tiefe verankert und erprobt werden. Das Speichern folgt einem recht einfachen Prinzip: Durch Leerpumpen der Kugel wird der Speicher geladen. Strömt Wasser hinein, wird Strom erzeugt. Die Leistung dieses Prototyps beträgt 0,5 Megawatt, die Kapazität 0,4 Megawattstunden. Läuft alles nach Plan, wird der Bau von Betonkugeln mit einem Durchmesser von 30 Metern angestrebt.

Projektpartner des Fraunhofer IEE sind das US-amerikanische Start-up Sperra, das sich auf den 3D-Betondruck im Bereich der erneuerbaren Energien spezialisiert hat, sowie Pleuger Industries. Das deutschstämmige Unternehmen mit Hauptsitz in Miami gehört zu den weltweit führenden Herstellern von Unterwasser-Motorpumpen.

Als Standort des Speichers haben die Partner ein küstennahes Gebiet vor Long Beach bei Los Angeles ausgewählt. Sie wollen ihn spätestens Ende 2026 in Betrieb nehmen. Das deutsche Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert das Vorhaben mit knapp 3,4 Millionen Euro, das US-amerikanische Department of Energy mit rund vier Millionen US-Dollar. 

Erfolgreicher Feldtest im Bodensee

Sperra wird die Betonkugel in Long Beach im 3D-Druckverfahren herstellen dabei ggf. auch den klassischen Betonbau einsetzen. Die Kugeln bekommen oben eine Öffnung, in die in einem Rohr eine Unterwasser-Pumpturbine eingelassen wird.

Wird ein Ventil geöffnet, strömt Wasser durch das Rohr in die Kugel hinein. Die integrierte Pumpe läuft dabei rückwärts und arbeitet als Turbine. Das Wasser treibt den Motor an, so dass Strom erzeugt wird. Ein Unterwasserkabel schafft dabei die Verbindung zum Stromnetz an Land oder zu einer schwimmenden Transformator-Station eines Offshore-Windparks. Soll Energie gespeichert werden, pumpt die Motorpumpe das Wasser gegen den Druck des umgebenden Wassers wieder aus der Kugel. Anschließend kann der Zyklus erneut beginnen.

In einem Feldversuch mit einer Drei-Meter-Kugel im Bodensee hat das Fraunhofer IEE zusammen mit Partnern bereits nachgewiesen, dass dieses Konzept gut funktioniert.

Wassertiefen von 600 bis 800 Meter sind ideal

Kapazität und Leistung der Kugelspeicher hängen vor allem von zwei Faktoren ab: vom Volumen der Kugeln sowie von der Wassersäule, die auf ihnen lastet. Die Fachleute des Fraunhofer IEE haben errechnet, dass Wassertiefen von 600 bis 800 Metern aus wirtschaftlicher Perspektive ideale Standorte sind. Denn dort stehen Parameter wie der Druck, das nötige Kugelgewicht und die erforderliche Wandstärke in optimalem Verhältnis zueinander. Zudem kann man in dieser Tiefe noch konventionelle Unterwasser-Motorpumpen einsetzen. Auch ist es hier nicht nötig, hochfesten Spezialbeton zu verwenden.

Die StEnSea-Kugelspeicher eignen sich vor allem für zwei Geschäftsmodelle: zum einen für das Arbitrage-Geschäft, also den Kauf von Strom bei niedrigen und den Verkauf bei hohen Börsenpreisen – und zum anderen für die Bereitstellung einer Regelreserve, mit der die Netzbetreiber die Stromnetze stabilisieren.