Wenn Betonkugeln die Energiewende retten

Deutschland schaltet bei zu starkem Wind Windparks ab, weil für überschüssigen Strom die passenden Speicher fehlen. Doch bald könnten riesige Betonkugeln Strom im Meer speichern und das Netz entlasten – als Pumpspeicherkraftwerke am Meeresboden.

Deutschland hat eine ganze Menge grünen Strom. Rund 55 Prozent stammen mittlerweile aus erneuerbaren Energien. Windenergie macht dabei 27 Prozent des Energiemixes aus. Doch weht der Wind besonders kräftig, müssen die Anlagen abgeschaltet werden, da es an Speichern und Leitungsnetzen fehlt. Die Betreiber werden für den Ausfall, Abregelung genannt, entschädigt: Im Jahr 2024 kostete das rund 2,8 Milliarden Euro. Ein Teil des grünen Stroms bleibt also ungenutzt und die Kosten des Netzengpassmanagement tragen letztlich die Stromkunden. Kreative Speicherlösungen wie das Meer-Ei könnten Abhilfe schaffen. Dabei handelt es sich um eine Betonkugel am Meeresgrund – Durchmesser perspektivisch 30 Meter. Sie kann Strom speichern, indem man sie wie ein Pumpspeicherkraftwerk einsetzt.

Stromspeicher im Meer – eine große Wette

Das Prinzip eines konventionellen Pumpspeicherkraftwerks beruht auf einem Zusammenspiel aus Technik und Timing: Zwei Wasserreservoire auf unterschiedlicher Höhe sind über Leitungen, Pumpen und Turbinen miteinander verbunden. Ist zu viel Strom im Netz, betreibt man damit Pumpen, die Wasser vom unteren Reservoir ins obere transportieren. Fehlt Strom, rauscht das Wasser aus dem oberen Reservoir durch die Leitungen nach unten und treibt eine Turbine an, die Strom erzeugt. 

Ein Kugelspeicher auf dem Meeresboden funktioniert so ähnlich: Das umgebende Meerwasser dient als oberes Reservoir, die hohle Betonkugel, das Meer-Ei, ist das untere Reservoir. Zunächst ist es mit Wasser gefüllt. Das ist der entladene Zustand, wie eine leere Batterie. Ist zu viel Strom im Netz, nutzen die Betreiber ihn, um mit einer elektrisch angetriebenen Pumpturbine das Wasser gegen den Außendruck des Wassers aus der Kugel heraus zu pumpen. Wird später Strom gebraucht, öffnet sich ein Ventil und das Meerwasser strömt aufgrund des hohen Wasserdrucks mit enormer Kraft in die Kugel. Die Pumpturbine läuft nun quasi rückwärts und treibt einen Generator an. Der so erzeugte Strom wird per Seekabel ins Stromnetz geleitet.

Die Idee, das Pumpspeicherprinzip ins Meer zu verlagern, hatten Horst Schmidt-Böcking, emeritierter Professor der Universität Frankfurt, und Gerhard Luther von der Universität Kaiserslautern. Die Physiker schlugen sie bereits im Jahr 2011 dem Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) in Kassel als Forschungsprojekt vor – das IEE war an Bord.

Phase 1: Kugelspeicher-Test am Bodensee

Im Jahr 2017 testete ein Forschungsteam eine erste kleine Kugel im Bodensee: drei Meter Durchmesser, zwanzig Tonnen schwer, hundert Meter Wassertiefe, also etwa zehn Bar Wasserdruck. „Bei diesem Test konnten wir beweisen, dass die Technik funktioniert“, sagt Projektmanager Bernhard Ernst vom IEE. Für einen kommerziellen Einsatz müssen die Kugeln allerdings größer und der Wasserdruck höher werden. Eigentlich sollte der nächste Test mit einer Zehn-Meter-Kugel in einem norwegischen Fjord durchgeführt werden, erzählt Ernst. Die Bedingungen wären ideal gewesen: tiefes Wasser in Küstennähe, was kurze Kabelwege bedeutet. Das Problem: Zwar fördert das deutsche Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz das Vorhaben hierzulande mit knapp 3,4 Millionen Euro, aber kein europäischer Betonbauer wollte das Risiko eingehen und die Hälfte der Kosten tragen, so wie es bei Forschungsprojekten üblich ist.

Die Lösung kam schließlich aus den USA: Sperra ist ein Start-up aus Colorado, das Betonkugeln im 3D-Druckverfahren herstellt. Das US-Team erhielt vom US-Energieministerium eine 100-Prozent-Förderung für den Bau der Kugeln, insgesamt vier Millionen US-Dollar. Ein Gamechanger: „Der 3D-Druck macht Kugelformen einfacher produzierbar“, erklärt Ernst. Bei klassischer Bauweise bräuchte man eine Gießform für innen und außen – so ähnlich wie beim Glockengießen. „Dieser Aufwand fällt dank des 3D-Drucks weg, weil der Beton Schicht für Schicht direkt in der gewünschten Form aufgetragen wird.“ Die Produktionsweise bringt noch einen weiteren Vorteil mit sich: Die Kugeln können jeweils direkt in der Nähe des Ortes hergestellt werden, an dem sie später versenkt werden. Das schaffe lokale Arbeitsplätze und bedeute kurze Transportwege. Außerdem sei lediglich ein geringer Einfluss auf die Unterwasserwelt zu erwarten, sagt Ernst.

Phase 2: Der Kugelspeicher wird in den USA getestet

Ende 2026 wird der Prototyp mit einem Durchmesser von zehn Metern nun vor der Küste Kaliforniens versenkt. Die Kugel wiegt 400 Tonnen, ungefähr zweimal so viel wie die Freiheitsstatue, und wird 600 Meter tief am Meeresboden platziert. Dort unten, wo der Wasserdruck extrem hoch ist, wird sich zeigen, ob sich mehr als ein Jahrzehnt Forschung auszahlt.

Dabei hängt vieles von der Pumpe ab, sie ist das Herz der Anlage. Eingelassen in ein schmales Rohr muss sie nämlich etwas können, was keine Standardpumpe beherrscht: Sie muss bei Bedarf rückwärtslaufen und ihr Motor dabei effizient Strom erzeugen. Die Technik kommt von Pleuger Industries aus Hamburg, ein Unternehmen mit fast 100 Jahren Erfahrung mit Unterwassermotorpumpen. Das Knifflige: Die Ingenieure können vorab nur im Pumpenbetrieb die allgemeine Funktionsfähigkeit testen. Den Turbinenbetrieb in 500 bis 700 Meter Tiefe mit dem entsprechenden Wasserdruck kann man schlecht simulieren. „Darin liegt die größte Unbekannte“, sagt Pleuger-Ingenieur Björn Gwiasda. Das Ziel sei mindestens 80 Prozent der eingespeicherten Energie wieder als Strom zurückzugewinnen. 

Kugelspeicher am Meeresboden: die Zukunft?

Wenn der Test klappt, könnten bald schon Hunderte solcher Betonkugeln auf dem Meeresgrund liegen – von der Wasseroberfläche aus unsichtbar, wartungsarm, modular erweiterbar. „Die Betonkugel hat eine Lebensdauer von 50 bis 60 Jahren“, sagt Projektmanager Ernst. Pumpe und Generator müssen wahrscheinlich nach jeweils 20 Jahren ausgetauscht werden. Die technische Einheit kann allerdings einfach aus der Kugel herausgenommen, an Land gewartet und wieder eingesetzt werden. „Das Potenzial ist riesig“, ist Ernst überzeugt. Eine Analyse der küstennahen Meeresgebiete weltweit hat ergeben: Theoretisch könnten Meer-Eier insgesamt 817.000 Gigawattstunden speichern – mehr als das Tausendfache der heute installierten Pumpspeicherkapazität.

Allein an den zehn besten europäischen Standorten liegt das Speicherpotenzial zusammen bei 166.000 Gigawattstunden. Deutsche Gewässer sind dafür allerdings zu flach. Besonders geeignet seien dagegen Meeresgebiete vor Norwegen, das Skagerrak oder auch das französische Mittelmeer. Und Deutschland? Profitiert trotzdem. „Deutschland ist im europäischen Strommarkt gut eingebunden", sagt Ernst. Man müsse sich daher von dem Gedanken lösen, alles selbst machen zu wollen: Speicher im Mittelmeer oder vor Norwegen wirkten sich auch auf den deutschen Markt aus.