Betonkugeln unter Wasser als Stromspeicher: Dieses Konzept übertrifft Batterien
Strom lässt sich nicht nur in Batterien bunkern, sondern auch in Betonkugeln. Dies hat das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) bereits vor Jahren im Bodensee gezeigt. Jetzt will es das System in größerem Maßstab vor der Küste Kaliforniens testen.
Woher die Energie in den Kugelspeichern kommt
Die hohlen Betonkugeln befinden sich unter Wasser und machen sich den Druck der Wassersäule zunutze. Gibt es überschüssigen Strom im Netz, werden sie von Pumpturbinen leer gesaugt, sodass ein Vakuum entsteht. Um die Energie zurückzugewinnen, strömt Wasser mit hohem Druck zurück in die Kugeln, treibt dabei die Pumpturbinen an und erzeugt Strom. Ein Unterwasserkabel überträgt ihn an Land.
Der erste Pilotversuch am Bodensee im Rahmen des Projekts „StEnSea“ fand schon 2016 statt. Damals versenkte das IEE eine drei Meter große Kugel in 100 Metern Tiefe. In Kalifornien, vor der Küste von Long Beach, soll es jetzt eine neun Meter große Kugel in einer Tiefe von 500 bis 600 Metern werden. Ein solcher Kugelspeicher leistet 0,5 Megawatt und kann 0,4 Megawattstunden Strom speichern.
Am Projekt beteiligt sind der Pumpenhersteller Pleuger Industries und das Startup Sperra, das die Betonkugel „im 3D-Druckverfahren, womöglich in Kombination mit dem klassischen Betonbau“ herstellen wird, wie es in einer Pressemitteilung des IEE heißt.
Laden: Mithilfe einer elektrisch angetriebenen Pumpturbine wird das Wasser aus der Kugel herausgepumpt | Entladen: Das Wasser strömt zurück in die leere Kugel, wodurch die Pumpturbine rückwärtslaufend als Turbine betrieben wird und über einen Generator Strom erzeugt. (Grafik: Fraunhofer IEE)
Vorteil der Kugelspeicher liegen in Kosten und Kapazität
Die Effizienz des Systems liegt nach Angaben des IEE mit 75 bis 80 Prozent etwas niedriger als bei klassischen Pumpspeicherwerken. Der Vorteil der Betonkugeln gegenüber Batterien und Pumpspeichern: geringere Kosten und große Kapazität. Bei einem Speicherpark mit sechs Kugeln, einer Gesamtleistung von 30 Megawatt und 520 Zyklen pro Jahr sollen die Speicherkosten rund 4,6 Cent pro Kilowattstunde betragen, so das IEE.
Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit ist die Wassertiefe. Nach Berechnungen der Fraunhofer-Fachleute sind 600 bis 800 Meter ideal: „Dort stehen Parameter wie der Druck, das nötige Kugelgewicht und die erforderliche Wandstärke in optimalem Verhältnis zueinander.“
Geeignete küstennahe Standorte sieht das IEE unter anderem in Norwegen, Portugal, Brasilien, Japan oder der US-West- und Ostküste, oder auch in tiefen Seen oder gefluteten Tagebauen. „Der Meeresboden sollte einigermaßen eben und waagerecht sein, muss aber vor der Installation der Kugel nicht präpariert werden“, sagt Projektleiter Bernhard Ernst gegenüber der MIT Technology Review.
Allein die zehn besten europäischen Standorte bieten laut IEE ein Potenzial von 166.000 Gigawattstunden. Zum Vergleich: Alle deutschen Pumpspeicher-Kraftwerke kommen auf rund 40 GWh, die derzeit installierten Batteriespeicher auf knapp 17 GWh.
Zwei Geschäftsmodelle
Vor allem zwei Geschäftsmodelle kommen für die Kugelspeicher in Frage: der Arbitrage-Handel von Börsenstrom und die Bereitstellung von Regelenergie zur Stabilisierung der Stromnetze.
Die Lebensdauer der Betonkugel schätzen die Forschenden auf 50 bis 60 Jahre. Nach jeweils 20 Jahren müssten Pumpturbine und Generator getauscht werden. „Der Speicher besteht aus der äußeren Betonkugel und der inneren technischen Einheit mit Pumpe, Mess- und Regelungstechnik“, erläutert Bernhard Ernst. „Diese technische Einheit können wir für Wartungen und Reparaturen an die Oberfläche bringen. Die Betonkugel verbleibt auf dem Meeresboden.“
Abgesehen von den Dimensionen der Kugeln hat sich beim Design wenig geändert. „Beim Versuch im Bodensee hatten wir einen Entlüftungsschlauch an Land gelegt und über ein Ventil mit der Kugel verbunden“, sagt Ernst. „Da im Betrieb kein Unterschied zwischen geöffnetem und geschlossenem Ventil festzustellen war, verzichten wir beim aktuellen Projekt auf den Schlauch.“
Ziel: 30-Meter-Kugeln
Vor Kalifornien gehe es nun vor allem darum, „die Technik in großer Tiefe zu testen und eine andere Logistik und Installation zu erproben. So werden wir diesmal keinen Kran verwenden und die Kugel wird direkt im Hafen gefertigt.“
Ende 2026 soll die Anlage in Betrieb sein. Das nächste Ziel sind Kugeln mit 30 Metern Durchmesser. Das Bundeswirtschaftsministerium fördert das Vorhaben mit knapp 3,4 Millionen Euro, das US-amerikanische Department of Energy mit rund vier Millionen US-Dollar.
Einen ähnlichen Ansatz verfolgt auch das niederländische Projekt Ocean Grazer. Es setzt allerdings auf eine geschlossene Druckblase, die ohne Austausch mit dem umgebenden Wasser auskommt. So können keine Meereslebewesen eindringen. Das StEnSea-Konzept setzt hingegen auf ein engmaschiges Sieb, um dies zu verhindern.
Die „Erfindung“ von „Zivilisation“ / „Hochkultur“ und allen technischen / wissenschaftlichen Erfindungen darin waren / sind kein menschlich-kultureller Fortschritt, sondern Folge / Symptomatik des Ausbruchs der „kollektiven Neurose“ (Seelen-Trauma-Massen-Störung) vor ca. 17k / 25k J. in Indien / Indonesien (Gunung Padang?).
Wahrhaft menschliche, spirituell bewußte, Kultur wurde im Zuge der kollektiven Menschwerdung vor vielen hunderttausend Jahren begonnen / entwickelt mit Hilfe der entsprechenden Wahrnehmungs- / Verständnisfähigkeit.
Die alten Römer konnten einen Beton herstellen, der bisher rund 2’000 Jahre Kontakt mit Meerwasser unbeschadet überstanden hat und vielleicht noch weitere 2’000 Jahre halten wird. Dieses Wissen ist verlorengegangen. Wenn man die Lebensdauer der Betonkugeln von 50 auf 2’000 Jahre verlängern könnte, würde dies die Kosten nochmals deutlich senken. Man sollte daher den römischen Beton noch genauer untersuchen, um dessen Rezeptur und Herstellungsmethode auf die Schliche zu kommen und diese mit den heutigen Möglichkeiten vielleicht sogar noch weiter optimieren.
Das Geheimnis des römischen Betons ist längst bekannt. Die Geheimzutat ist dabei Puzzolit. Puzzolit ist Vulkanasche aus der Gegend um Pozzuoli, also den Phlegräischen Feldern, direkt neben Neapel. Es versteinert bei Kontakt mit Meerwasser über die Zeit, sodass der Beton besonders beständig wird.
Das Problem bei den Betonkugeln ist aber nicht der Kontakt mit Meerwasser, sondern die dynamische Belastung durch das ständige Füllen und Leeren der Kugeln. Das führt zu Materialermüdung und irgendwann zum Bruch.
Es heißt Puzzolan, nicht Puzzolit. Ich bitte um Verzeihung für den Fehler.
Hört sich gut an. Nur die Frage ist, jetzt wo DT in Amerika das sagen hat, er ein Freund fossiler Energien ist, Naturschutzgebiete verkleinert um im frei werdenden Rest nach Öl zu bohren – ob dieses Konzept in Amerika eine Chance zur Weiterentwicklung hat. Nicht jedes Land kann auf diese Wassertiefen zugreifen. Zumal auch diese Wassertiefen meist internationale Gewässer sind. Und da dann etwas zu installieren, von dem nur ein Land seinen Nutzen hat – kann schwierig werden.
Wünsche dieser Technik aber viel Glück.
Wie geschieht die Belüftung der Kugel? Beim Leerpumpen lässt sich wohl kein beliebig großes Vakuum erzeugen, und Restluft in der Kugel begrenzt wohl den Grad der Wiederbefüllung mit Wasser. Welche Bedeutung hat der erwähnte „Entlüftungsschlauch“?
Bei einem Differenzdruck von 50 bar spielen 1 bar Luftdruck keine sonderlich große Rolle. Der Wirkungsgrad sinkt lediglich um 1/50/2 (/2 wegen Integralbildung) also lediglich 1 %. Dafür lohnt es sich wohl nicht, das Vakuum aufwändig zu befüllen.
Der Wirkungsgrad sinkt nicht einmal, da das Vakuum zur gespeicherten Energie (Volumen x Differenzdruck) beiträgt. Die gespeicherte Energie steigt sogar.
Man könnte die Luft, die beim Wiederbefüllen der Kugeln aus dem Entlüftungsschlauch strömt, noch an Land auf in Windrad richten.
Kleiner Spaß am Rande… ;)
Eine tolle Idee jedenfalls mit den Betonkugeln!
Könnte man nicht auch Strom in Form von Pressluft speichern und wieder „abrufen“? Oder wäre der Wirkungsgrad dabei so viel schlechter, da man mit Luft mehr Schlupf in den Pumpen/Turbinen hat?
Seltsame Kommentare… warum sollte sich kein beliebig großes Vakuum erzeugen lassen – ich dachte den „Horror vacui“ haben wir vor gut 200 Jahren abgelegt. vielleicht hilft hier die Überlegung, dass sich unser Planet in einem ebensolchen befindet, oder dass 10m Wassersäule etwa dem Druck der gesamten Atmosphäre entsprechen, also 800m dem 80-fachen und wir deshalb relativ dazu im Vakuum leben!
Ein wenig beruhigend wird wohl sein, dass beim Leerpumpen (das bei Flüssigkeiten wegen der Massenträgheit und Dichte recht einfach geht (und bei Gasen und abnehmendem Druck zunehmend aufwändiger wird) auch etwas Gas übrig bleibt, bis halt etwas Wasserdampf, der der Temperatur und dem Druck angepasst bleibt in der Vakuum/Unterdruck-Blase steckt. Es ist aber eben keine Gasblase, die ein Medium mit stabilem Gaszustand bei dieser Temperatur und gleichem Druck (wie bei einer Seifenblase) die Wand stabil hält, sondern eben eine kraftaufnehmende Blase.
Zum Kommentar zur Kultur, würde ich mir nicht anmaßen das Hirn des homo sapiens unbedingt über das anderer Wesen zu stellen, wie er zwar gerne mit teilweise religiöser Überzeugung gemacht wird, aber bis zur Entwicklung von Schrift und überdauernden Werkzeugen sind Kulturen unterschiedlicher Wesen schwer nachvollziehbar. – Selbst ein Ameisenstaat hat eine komplexe Organisation die trotz geringerer individueller kognitiver Leistungsfähigkeit zu erstaunlicher Organisation fähig ist.
Zum römischen Beton ist zu sagen: Unser Beton hält durchaus Jahrtausende und wird diesen Planeten auch noch „verschönern“ wenn die Menschheit sich von diesem weggebombt oder rausgebrannt hat (ersteres vielleicht in ein paar Jahren, letzteres sicher innerhalb von 100-300 Jahren, weil wir nicht aufhören 100Millionen Jahre gebundene Kohle und Kohlenwasserstoffe wieder in die Atmosphäre zu verfrachten und diese damit für IR-Strahlung undurchsichtig machen, was bis in 75 Jahren zu +4,7K und ohne Bremse und das derzeitige Gasgeben einen Überschwung in Form eines globalen Temperaturinfarktes mit einer Spitzentemperaturehöhung um ~ 8K im Jahre 2300 erreicht. Die Frage ist eher, ob der Beton auch einer Wassersäule von 800m und der zyklischen Belastung (Entleeren) und Entlastung (Befüllen) standhält. – Der Vergleich mit den erstaunlichen römischen Bauwerken, wo Aquädukte mit bis zu 120m und einer statischen Belastung die dieser Wassersäule entsprechen, gebaut haben hinkt also. Die Belastung des Modernen Betons entspricht etwa 500 Erdbeben, die diese Bauwerke jährlich (!) überstehen müssten.
– Ob nicht jedes Land auf diese Wassersäulen zugreifen kann ist ebenso etwas anderes. Löcher Bohren und mit Wasser füllen geht auf der Erdkruste überall (wenn die geologischen Formationen einigermaßen stabil sind), aber dann sind es eben keine einfach versenkten Betonglocken mit Pumpe, sondern andere gravitative Speicher.
Persönlich frage ich mich bei der Kostenrechnung von 4¢/KWh über die Lebensdauer, ob die wirklich so viel besser sind als Akkus. Die bekommt man auch mit der Infrastruktur um ~7k€/20kWh und 6000 Zyklen, also etwa 6¢/kWh in der Lebensdauer. Ist die Betonkugel also wirklich so viel günstiger? – Sie hat allerdings andere Vorteile: Immerhin kann die nicht in Flammen aufgehen, wir sehen sie nicht und die Energiedichte ist trotzdem ansehnlich hoch. – Allerdings könnten auch die inzwischen über 200m hoch aufgetürmten Windkraftwerke mit einem Tank und einer Wassersäule gefüllt werden und so sowohl die Energie speichern, als auch einfangen. Ein kleiner Speichersee am Fuß des Kraftwerks ist dann der Ausgleichsbehälter – oder eben gleich eine Bohrung unter der Windkraftsäule…
Der Vorteil gegenüber anderen Pumpspeicherwerken dürfte zusätzlich zum Genannten in fehlenden Wettereinflüssen (insbesondere Frost) liegen.
„(…) soll es jetzt eine neun Meter große Kugel in einer Tiefe von 500 bis 600 Metern werden. Ein solcher Kugelspeicher leistet 0,5 Megawatt und kann 0,4 Megawattstunden Strom speichern.“
„Bei einem Speicherpark mit sechs Kugeln, einer Gesamtleistung von 30 Megawatt (…)“
6×0,5 ergibt bei mir 3 und nicht 30. Oder von welcher Kugelgröße wird beim Speicherpark ausgegangen?
„Allein die zehn besten europäischen Standorte bieten laut IEE ein Potenzial von 166.000 Gigawattstunden.“
Selbst wenn die Kugeln dann je 4 MWh Strom speichern können, dann müsste man rund 42 Mio. solcher Kugeln versenken?!
Schwer vorzustellen.
Geht man von 9m Durchmesser einer Kugel aus (bzw. vereinfacht von einer Stellfläche von 9x9m), würden diese dicht an dicht die 1,3fache Fläche des Saarlands bedecken.
Oder unterläuft mit da ein Denkfehler?
es geht um 30m Kugeln, die haben je 14.000 m3 und bei 700m damit rund 27 MWh.
Also 37 Kugeln je GWh.
166000 GWh sind vermutlich inklusive 520 Zyklen pro Jahr .. also irgendwie komisch gerechnet .. wären dann immer noch 12000 Kugeln
https://www.iee.fraunhofer.de/de/presse-infothek/Presse-Medien/2024/test-kugelspeicher-auf-meeresgrund-in-kalifornien.html
Nachdem ich das Thema Betonkugeln zig mal gehypt im Netz fand und dadurch eher kritisch misstrauidch eingestellt war, habe ich den Artikel nun gelesen.
Das Konzept überzeugt komplett.
Endlich einmal ein Ansatz, der keine Gefahr für Bevölkerung (dammbruecke bei speicherseen, atomaren Müll, Strahlung durch elektrosmog, Abfälle von Schwermetallen o.ä. erzeugt Und darueberhinaus keine Landschaft zerstört.
Sehr löblich.
und: die technologie ist schon da! Man braucht keine 100 Jahre Forschung mehr dafür. mega!
Im übrigen ist der Hauptteil des genialen Ansatzes ja die Nutzung des wasserdrucks in tiefen Gewässern, der halt eine viel niedrigere betonwandstärke ermöglicht als bie einem normalen druckspeicher an der Erde. Mehr nicht. Aber der kosteneffekt nst halt hammerhart. cool!
Solche innovativen Ansätze brauchen wir.
mehr davon!