Innovatives Konzept: Überschüssiger Strom von Offshore-Windanlagen könnte künftig direkt vor Ort gespeichert werden – im Meeresgrund der Nordsee. Denn der poröse, salzwassergefüllte Sandstein vieler Gebiete eignet sich als Druckluftspeicher, wie Forscher im Fachmagazin „Nature Energy“ berichten. Der überschüssige Strom wird dabei genutzt, um komprimierte Luft in den Untergrund zu pumpen. Wird dann Strom benötigt, wird die Druckluft wieder freigesetzt und treibt Turbinen an.
Strom aus Wind und Sonne ist klimafreundlich, aber unstet: Die erzeugte Menge schwankt und Überschüsse können nur in Teilen gespeichert werden. Bereits etabliert sind dafür Pumpspeicher, die jedoch geeignete Wasserreservoire und damit viel Platz erfordern – es sei denn sie liegen unter der Erde, wie im Ruhrgebiet geplant, oder am Grund von Gewässern, wie bei den noch experimentellen Hohlkugel-Pumpspeichern. Auch chemische Energiespeicher werden bereits getestet.
Druckluftspeicher im Untergrund
Doch es gibt noch eine Möglichkeit: Druckluftspeicher, englisch Compressed-Air Energy Storage (CAES). Dabei wird überschüssiger Strom genutzt, um Luft zu komprimieren und in Reservoire unter der Erde zu pumpen. Beim Druckluftspeicher-Kraftwerk Huntorf in Niedersachsen dienen Kavernen in einem Salzstock als Speicherkammern. Wird dann Strom benötigt, wird die komprimierte Luft zusammen mit Erdgas durch Turbinen geleitet und erzeugt so wieder Strom.
Diese Technik erzeugt deutlich weniger Kohlendioxid pro Kilowattstunde Strom als beispielsweise herkömmliche Gaskraftwerke und kann Stromüberschüsse abpuffern. Allerdings ist die Speicherkapazität begrenzt und noch immer werden fossile Brennstoffe benötigt, wie Julien Mouli-Castillo von der University of Edinburgh und sein Team erklären. Sie haben daher nach einer CAES-Alternative gesucht, die klimafreundlicher und in größerem Maßstab nutzbar wäre.
Leistung ähnlich einer Windturbine
Ihre Lösung: Warum nicht einfach den Meeresgrund der Nordsee als Druckluftspeicher nutzen? Denn im Sediment des Ozeans existieren nahezu überall Schichten aus porösem Sandstein, in denen salzhaltiges Wasser kursiert. „Bei der CAES in solchen porösen Medien würde die Druckluft das Salzwasser in den Mikrometer kleinen Poren dieser Aquifere verdrängen“, erklären die Forscher. In den Poren eingeschlossen, bleibt die Druckluft im Untergrund, bis sie wie bei herkömmlichen CAES-Speichern an die Oberfläche und durch Turbinen geleitet wird.
„Diese Methode würde es ermöglichen, im Sommer produzierte erneuerbare Energie für die kalten Wintermonate zu speichern“, sagt Mouli-Castillo. Ihrem Modell nach könnte ein Bohrloch, das drei Monate lang mit 7,5 Kilogramm pro Sekunde Druckluft bepumpt wurde, nach einem Vierteljahr Speicherung für zwei Monate Druckluft mit 15 Kilogramm pro Sekunde liefern.
„Der von einem solchen Bohrloch mithilfe der Druckluft produzierte Strom entspricht vier bis elf Megawatt – das ist sogar ein wenig höher als die von den meisten aktuellen Offshore-Windturbinen erzeugte Leistung“, so die Forscher. Mit dieser Speichermethode könnten demnach zwischen 42 und 67 Prozent des ursprünglich eingesetzten Stroms wiedergewonnen werden – ähnlich der herkömmlichen Druckluftspeicherung in Kavernen.
Synergie-Effekte mit Offshore-Windanlagen
Wie die Forscher erklären, könnte die Druckluft durch Bohrlöcher überall dort in den Untergrund gepresst werden, wo dichte Gesteinsschichten die porösen Aquifere nach oben und unten abschließen. Benötigt werden dafür Sandsteinschichten, die mindestens 50 Meter dick und von mindestens zehn Meter dickem nichtdurchlässigen Gestein überdeckt sind.
Allein vor der britischen Küste identifizierten die Wissenschaftler ausgedehnte Gebiete am Meeresgrund der südlichen und zentralen Nordsee, die sich für solche Druckluftspeicher eignen würden. „Unsere Ergebnisse zeigen dort ein Speicherpotenzial von 77 bis 96 Terawattstunden“, berichten sie. Das würde ausreichen, um ganz Großbritannien zwei Wintermonate lang mit Strom zu versorgen.
Positiver Nebeneffekt: Ein Großteil dieser potenziellen Speichergebiete liegt in Arealen, in denen bereits Offshore-Windanlagen laufen oder in Planung sind, „Das könnte Synergien zwischen der Stromerzeugung und -speicherung ermöglichen“, so die Forscher.
Tausende Bohrlöcher nötig
Allerdings: Für die praktische Umsetzung solcher Meeresgrundspeicher müssten 6.300 bis 7.800 Bohrlöcher in den Meeresgrund getrieben werden – kein ganz billiges Unterfangen. Nach Berechnungen der Forscher lagen die Kosten für diese Form der Stromspeicherung dadurch bei 0,42 bis 4,71 US-Dollar pro Kilowattstunde. „Das ist etwa eine Größenordnung höher als bei der herkömmlichen Druckluftspeicherung oder den Wasserpumpspeichern“, sagen Mouli-Castillo und seine Kollegen. „Aber weitere Forschung könnte helfen, den Prozess zu optimieren und die Kosten zu verringern.“
Noch sind zudem weitere Studien nötig, um die Sicherheit der Methode und die möglichen Prozesse im Untergrund näher zu untersuchen. Die Wissenschaftler halten es aber für lohnend, diese Möglichkeit der saisonalen Stromspeicherung weiter zu verfolgen. (Nature Energy, 2019; doi: 10.1038/s41560-018-0311-0)
Quelle: University of Edinburgh
