Um eine vollwertige, regenerative Energieversorgung schneller zu erreichen und damit die teuren Erdgas-, Erdöl- und Kohleimporte für unser Land zu reduzieren sowie, um die Stromkosten wie auch die CO2-Belastungen drastisch zu senken, bedarf es großer Anstrengungen.

(WK-intern) – Größtes Hindernis auf diesem Weg ist der extreme Mangel an Speicherkapazität, der bei einem weiteren und vor allem schnelleren Ausbau der regenerativen Energien unweigerlich zu Zusammenbrüchen unserer Stromnetze führen wird.

Laut einer Studie (Dr. Popp, Stand 2010) wird der Bedarf an Speicherkapazität bundesweit auf mehrere 1000 GW geschätzt, wobei aktuell nur eine Speicherkapazität von rund 40 GW vorhanden ist.

Die zur Zeit einzigen Speicher mit nennenswertem Speichervolumen sind Pumpspeicher. Da diese funktional zwei Speicherbecken in unterschiedlichen Höhenlagen benötigen und deshalb nur in gebirgigem Gelände errichtet werden können, ergeben sich für den Bau weiterer Pumpspeicher bundesweit nur 20 bis 30 Standorte. Hiermit können die Probleme der Energiewende nicht gelöst werden. Auch nicht mit der Weiterentwicklung bekannter Speicherarten oder mit dem Bau neuer Überland-Stromleitungen, deren Bedarf weit geringer als geplant ist und die zudem zu teuer und durch Bürgerwiderstände nicht rechtzeitig umsetzbar sind. Wirkliche Durchbrüche, die die Kosten senken und allen helfen, lassen sich nur durch neue Denkansätze in den Speicher-Technologien erreichen.

Diese Denkansätze gibt es bereits in realer Form. Die mit Abstand besten Ergebnisse erzielen Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil, die die Vorteile herkömmlicher Pumpspeicher und Lageenergie-Speicher in optimierter Form nutzen, so dass sie zur Zeit allen bekannten Energiespeichern, auch solchen, die sich in der Weiterentwicklung befinden, leistungs- und kostenmäßig weit überlegen sind. Gegenüber herkömmlichen Pumpspeichern mit zwei Becken, die aufgrund ihres großen Speichervolumens als Vergleichsobjekte herangezogen werden sollen, weisen Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil folgende Vorteile auf:

1. Von der Geländeform unabhängige Standortwahl.
2. Hohe Bürgerakzeptanz durch filigranes Erscheinungsbild (ähnlich Regen-Rückhaltebecken).
3. Schonung der Umwelt – weniger als 50 Prozent des Platzbedarfs herkömmlicher Pumpspeicher.
4. Je nach Bodenart – bis zu 60 Prozent geringere Baukosten trotz höherer Leistung.
5. Geringe Wartungs- und Instandhaltungskosten.
6. Sehr geringe Druckverluste durch das Einsparen langer Druckwasser-Rohre bzw. -Stollen.
7. Der mechanische Wirkungsgrad beträgt aufgrund der neuartigen Bauform über 90 %.
8. Durch Nutzen der Schwer- und Auftriebskraft beträgt die Abgabeleistung weit über 100 %.

Der Wirkungsgrad herkömmlicher Pumpspeicher beträgt maximal 75 – 80 %, der von Kohle-Kraftwerken 40 – 45 % und der von Gas-Kraftwerken 55 – 60 %.

Beim Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil handelt es sich um eine mit Wasser gefüllte, nach oben hin offene Außenschale mit innenliegendem, auf der Wasseroberfläche schwimmenden Speicherteil mit Außendichtung und einer in seiner Bodenmitte befindlichen Öffnung mit Steigrohr sowie einem darin befindlichen Schieber. Für den Arbeitstakt wird der Schieber geöffnet. Aufgrund der Schwerkraft verdrängt das Gewicht des schwimmenden Speicherteils und seiner Aufbauten das darunter befindliche Wasser, drückt dieses durch das Steigrohr, wobei es eine Turbine mit einem angeschlossenen Generator antreibt. Von hieraus strömt das Wasser in das schwimmende Speicherteil, füllt erst dieses, dann den darüber liegenden Speicherraum, wodurch sich das Gewicht des schwimmenden Speicherteils kontinuierlich erhöht. Dem entsprechend nimmt der unterhalb auf die Turbine einwirkende Wasserdruck zu. Nachdem das schwimmende Speicherteil geflutet auf dem Boden aufliegt, wird der Schieber geschlossen. Danach werden die sich im und oberhalb des schwimmenden Speicherteils befindlichen Wassermassen abgepumpt und unterhalb seines Bodens wieder eingeleitet, wobei unter Hilfe der Auftriebskraft das schwimmende Speicherteil gegen den Widerstand des auf ihm ruhenden Wassers nach oben gedrückt
wird. Da bei diesem Hebevorgang das Wasser-Volumen bis auf Null abnimmt, muss nur das halbe Gewicht des Wassers und das durch die Auftriebskraft reduzierte Gewicht des schwimmenden Speicherteils auf eine geringe Arbeitshöhe gehoben werden. Dieser Vorteil steht im Gegensatz zu herkömmlichen Pump-Speichern bei denen das Gewicht des gesamten Wasser-Volumens in große Höhen gehoben werden muss, um einen ausreichend hohen Arbeitsdruck zu erreichen. Die hierbei anfallenden doppelten Reibungsverluste in den Druckwasser-Rohren kosten zusätzlich Energie.

Ein weiterer Vorteil von Pumpspeichern mit schwimmenden Speicherteil liegt in den hohen Arbeitsdrücken, die sich aus dem Gewicht der schwimmenden Speicherteile und dem des nachfließenden Wassers ergibt. Das konsequente Nutzen der in der Auftriebs- und Schwerkraft enthaltenden Energie (Patent DE 10 2012 011 954) führt bei diesen Speichern zu hohen Energie-Überschüssen.

Mit dem Fluten des Speicherteils nimmt der auf die Turbine einwirkende Arbeitsdruck sanft zu.
Dies schont die Turbine. Mit steigendem Gewicht und zunehmender Sinkgeschwindigkeit durch das oberhalb des schwimmenden Speicherteils einfließende Wasser verstärkt sich der auf die Turbine einwirkende Arbeitsdruck, der sich aber auch konstant regeln lässt.
Beispiel: Nach Fluten des schwimmenden Speicherteils drückt bei einem inneren Speicher-Durchmesser von angenommen 200 m bereits ein Gewicht von rund 62.800 t auf die darunter befindliche Wasserfläche. Dieser Druck entlädt sich in Form einer Wassersäule (hydraulischer Druckausgleich), die durch das Steigrohr gedrückt wird und so die Turbine antreibt. Beim Überfluten des oberen Steigrohr-Endes durch den steigenden Wasserstand baut sich entgegen der Kraft des herausströmenden Wasserstrahls ein zunehmend dämpfender Gegendruck auf.

Die Speicher-Dichtung – bei Lageenergie-Speichern meist ein Problem – wird bei Speichern mit schwimmendem Speicherteil aufgrund des geringeren Drucks wesentlich weniger belastet.

Vorteile des Pumpspeichers mit schwimmendem Speicherteil gegenüber Lageenergie-Speichern bei denen der Arbeitsdruck durch schwere Verdrängungskolben erzeugt wird:

1. Keine Transportprobleme durch übergroße, schwere Druckkolben.
2. Größeres Wasservolumen (Arbeitspotenzial) aufgrund geringer Druckkolben-Substanz.
3. Geringere Belastung der Dichtungen im Arbeitsbetrieb und völlige Entlastung im Ruhestand.
4. Ein Austausch der Dichtungen ist absolut problemlos und sehr kurzfristig möglich.
5. Schonung der Turbine durch sanft ansteigenden Wasserdruck.
6. Niedrigere Wartungs- und Reparaturkosten durch freien Zugang zu allen Aggregaten.
7. Geringere Baukosten aufgrund der filigranen Baustruktur und der Nutzung des Aushubs.
8. Zeitlich unbegrenztes Vorhalten der vollen Speicherleistung.

Bei Lageenergie- oder Schwerkraft-Speichern (Powertower, Gravity Power, Heindl-Megaspeicher) ist das speicherbare Wasservolumen aufgrund ihrer großvolumigen Druckkolben eingeschränkt. Dem entsprechend gering ist das verbleibende Arbeitsvolumen.
Ein besonderer Schwachpunkt dieser Speicher sind die extrem hohen Druckdifferenzen, die auf ihre Dichtungen einwirken und diesen stark zusetzen. Da sich diese unter Wasser an schwer zugänglichen Stellen befinden, sind Reparaturen an ihnen sehr zeit- und kostenintensiv. Ein weiterer Nachteil dieser Speicher liegt darin, dass eine Vorhaltung ihrer vollen Speicherenergie nicht möglich ist, da sich ihre Gewichte aufgrund des hohen Abtriebs nicht oder nur sehr kurzfristig fixieren lassen. Ihre Herstellungskosten übersteigen die von Pumpspeichern mit schwimmenden Speicherteilen. Auch ihr Platzbedarf ist durch die dezentrale Deponierung des Bodenaushubs
größer als bei diesen. Beim Heindl-Speicher muss zudem noch nach Lösungen gesucht werden, wie sich seine riesigen Wassermengen sinnvoll zu- und abführen lassen.

Fazit: Alle Speicherarten verfügen über ein sehr großes Leistungsvolumen und haben gegenüber Kohle- und Gas-Kraftwerken neben vielen Vorzügen den Vorteil, dass bei ihnen die Umwandlung ihrer Speicherenergie in elektrische Energie völlig CO2-frei erfolgt und ein Ausstoß von Feinstaub, Stickoxyden und Quecksilber wie bei Kohle-Kraftwerken gänzlich fehlt.

PM: KLOSS INNOVATIONSBÜRO, Bochum