Die Notwendigkeit, erneuerbare Energien effizient zu speichern, wächst in Zeiten des globalen Klimawandels und steigender Energiebedarfe enorm. Vor diesem Hintergrund arbeitet das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (Fraunhofer IEE) an einem besonders innovativen Konzept: der sphärischen Energiespeicherung auf dem Meeresgrund. Diese Technologie, die auf dem bewährten Prinzip von Pumpspeicherkraftwerken basiert, wurde bereits in kleineren Tests erprobt und tritt 2024 mit einem ambitionierten Versuch vor der kalifornischen Küste in die nächste Entwicklungsphase ein. Dabei handelt es sich um eine bislang einzigartige Anwendung, die das Potenzial hat, die Energiespeicherung grundlegend zu revolutionieren. Pumpspeicherkraftwerke sind traditionell seit Langem eine der wichtigsten Methoden zur Speicherung großer Energiemengen, indem Wasser zwischen zwei Becken unterschiedlicher Höhen befördert wird.
Die dabei gespeicherte potenzielle Energie kann bei Bedarf wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. Allerdings stößt der Ausbau klassischer Pumpspeicher weltweit durch geographische und ökologische Einschränkungen an Grenzen. Das innovative Konzept der Fraunhofer-Forscher überträgt nun dieses bewährte Prinzip unter Wasser – genauer gesagt auf den Meeresgrund – und minimiert so die Restriktionen, die an Land oft eine Herausforderung darstellen. Im Rahmen des sogenannten „StEnSea“-Projekts (Stored Energy in the Sea) wird eine hohle, etwa neun Meter große Kugel aus Beton konstruiert, die rund 400 Tonnen wiegt. Diese wird in einer Wassertiefe von 500 bis 600 Metern vor der Küste Kaliforniens verankert. Die Funktionsweise ist faszinierend: Das Innere der Kugel kann leergepumpt werden, womit der Energiespeicher geladen wird.
Füllt sich die Kugel wieder mit Wasser, passiert genau das Gegenteil – elektrische Energie wird durch ein Pump-Turbinen-System zurückgewonnen und ins Netz eingespeist. Die Prototypleistung beträgt 0,5 Megawatt und verfügt über eine Speicherkapazität von 0,4 Megawattstunden. Die Wahl der kalifornischen Küste, speziell in der Nähe von Long Beach bei Los Angeles, stützt sich auf umfangreiche Standortanalysen, bei denen Faktoren wie Meeresbodenneigung, Strömungen und Sedimentverschiebung berücksichtigt wurden. Diese Bedingungen garantieren optimale wirtschaftliche und technische Rahmengegebenheiten. Die Umsetzung erfolgt in enger Zusammenarbeit mit Sperra, einem US-Start-up, das spezialisiert ist auf 3D-gedruckten Beton für nachhaltige Energielösungen, sowie Pleuger Industries, einem weltweit führenden Hersteller von Unterwasser-Motorpumpen, die als zentrale Komponenten in der Speicheranlage fungieren.
Die Herstellung der kugelförmigen Speicher erfolgt mittels modernster 3D-Druckverfahren in Long Beach. Das Oberflächenmaterial der Kugel wurde so konzipiert, dass kein speziell hochfester Beton notwendig ist, welcher die Kosten erheblich erhöhen würde. Das eingebettete Pump-Turbinen-System erfüllt eine Doppelrolle: Beim Laden wird das Wasser aktiv aus der Kugel gepumpt und bei der Entladung wandelt das Pumpenwerk rückwärts den Wasserdruck in elektrische Energie um. Damit bietet das System eine vergleichbare Effizienz wie herkömmliche Pumpspeicher, erreicht aber gleichzeitig eine höhere Akzeptanz durch die deutlich niedrigeren Umweltauswirkungen. Die ersten erfolgreich durchgeführten Feldtests mit einem deutlich kleineren Modell im Bodensee haben das Funktionsprinzip bereits eindrucksvoll bestätigt. Der aktuelle Test unter Realbedingungen im Meer stellt einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung dar.
Besonders hervorzuheben ist die Tatsache, dass die Technologie aufgrund der günstigen Druckverhältnisse in Tiefen zwischen 600 und 800 Metern optimal betrieben werden kann. An diesen Standorten fällt das Verhältnis von Wasserdruck, Kugelgewicht und Wandstärke in ein wirtschaftlich vorteilhaftes Gleichgewicht. Bedenkt man, dass weltweit zahlreiche Küstenbereiche genau diese Bedingungen erfüllen – darunter Norwegen, Portugal, die Küsten des US-Westens und -Ostens sowie Japan und Brasilien – ergibt sich ein enormes globales Potenzial für diese Speicherform. Die Forscher schätzen das weltweite Speichervolumen dieser Technologie auf gigantische 817. 000 Gigawattstunden, bei den zehn vielversprechendsten europäischen Standorten alleine auf 166. 000 Gigawattstunden. Diese Zahlen verdeutlichen das transformative Potenzial, das weit über die Kapazitäten bestehender Pumpspeicherkraftwerke auf dem Land hinausgeht.
Kostentechnisch liegen die Schätzungen für das StEnSea-System bei rund 4,6 Cent pro Kilowattstunde gespeicherter Energie. Die Investitionskosten belaufen sich auf etwa 1. 354 Euro pro Kilowatt Leistung sowie 158 Euro pro Kilowattstunde Kapazität, was unter Berücksichtigung der erwarteten Lebensdauer von 50 bis 60 Jahren äußerst wettbewerbsfähig ist. Die Batteriegenerationen bei Pumpspeichersystemen können dagegen oft nur einen Bruchteil dieser Zeiträume bieten. Allerdings müssen die Pumpen und Generatoren alle 20 Jahre erneuert werden, was die Wartungsstrategie einbezieht. Im Kontext des sich dynamisch entwickelnden Energiemarktes bietet StEnSea besondere Vorteile: Das System ist ideal für kurzfristige bis mittelfristige Energiespeicherung. Es eignet sich zum Ausgleich von Schwankungen bei der Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen wie Wind- und Solarenergie und kann aktiv zur Stabilisierung der Netze beitragen.
Zudem eröffnet das System wirtschaftliche Chancen im Arbitragegeschäft, bei dem Energie bei niedrigem Marktpreis eingekauft und zu höheren Preisen verkauft wird. Ein weiteres Plus ist die hohe gesellschaftliche Akzeptanz. Die Unterbringung unter Wasser vermeidet Konflikte, die an Land oft durch Landschaftsverbrauch oder Naturschutz entstehen. Auch die optische Beeinträchtigung entfällt vollständig. Diese Aspekte machen StEnSea zu einer vielversprechenden Technologie, die auf breite Unterstützung stoßen dürfte. Das Projekt wird durch erhebliche Fördermittel sowohl aus Deutschland als auch den USA unterstützt. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz stellt etwa 3,4 Millionen Euro bereit, die US-amerikanische Department of Energy investiert rund vier Millionen US-Dollar. Die kombinierte Förderung von zwei führenden Industriestaaten unterstreicht die strategische Bedeutung der Forschung.
Langfristig sieht das Projektteam vor, die Technologie auf auf bis zu 30 Meter große Kugeln zu skalieren, die in sogenannten StEnSea-Parks zusammengefasst werden könnten. Ein solcher Park mit sechs Kugeln hätte eine Leistung von 30 Megawatt und eine Speicherkapazität von 120 Megawattstunden. Damit könnte die Technologie zu einem wichtigen Baustein eines nachhaltigen Energiesystems mit hohem Anteil erneuerbarer Energien werden. Die Entwicklung unterstreicht auch die Bedeutung interdisziplinärer Kooperationen. So vereint das Projekt internationale Expertise aus den Bereichen Materialwissenschaften, Elektrotechnik, Maschinenbau, Ökonomie und Umweltwissenschaften. Die Integration innovativer Fertigungstechnologien wie 3D-Betondruck zeigt, wie moderne Produktionsverfahren die Energiewende unterstützen können. Nicht zuletzt demonstriert StEnSea, dass die Energiespeicherung sich immer weiterentwickelt und über bislang bekannte Konzepte hinaus neue, bisher ungenutzte Ressourcen erschließt.
Die Nutzung des Meeresraums als Speicherort eröffnet attraktive Möglichkeiten und trägt dazu bei, die weltweit steigende Nachfrage nach flexiblen, zuverlässigen und umweltfreundlichen Speichersystemen zu befriedigen. Während die Energiebranche sich auf die weitere Umsetzung und Skalierung der Technologie konzentriert, bleibt die Forschung mit Blick auf Optimierungspotenziale und Lebenszyklusbetrachtungen aktiv. Insgesamt positioniert sich das Sphärische Energiespeichersystem als ein vielversprechender Baustein auf dem Weg zu einer klimaneutralen Energieversorgung in der Zukunft. Die bevorstehenden Meeresversuche vor Kalifornien im Jahr 2024 markieren einen Meilenstein auf dem Weg zu einer marktreifen, ökologisch verträglichen und wirtschaftlich rentablen Lösung für die Herausforderungen der Energiespeicherung.
