Betonkugel im Meer vor Kalifornien: Neuer Stromspeicher für die Energiewende

Vor der kalifornischen Küste wird eine gewaltige Betonkugel im Meer versenkt – angeblich nicht als Risiko, sondern als Element eines neuen Zeitalters der Stromversorgung.

Was nach einer Szene aus einem Science-Fiction-Film klingt, ist als ernsthaftes Energievorhaben geplant: Vor Long Beach im US-Bundesstaat Kalifornien erproben deutsche Forschende eine riesige Betonsphäre als Stromspeicher auf dem Meeresboden. Damit soll sich unregelmäßig erzeugte Wind- und Solarenergie zuverlässig und über Jahrzehnte speichern lassen.

Wie eine Betonkugel am Meeresboden Strom speichert

Die Idee stammt aus dem Projekt StEnSea (Stored Energy in the Sea) des deutschen Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE). Beim derzeitigen Prototyp handelt es sich um eine graue Kugel mit neun Metern Durchmesser und einem Gewicht von knapp 400 Tonnen, die in mehreren Hundert Metern Tiefe auf dem Meeresgrund platziert wird.

Das Prinzip ähnelt einem herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerk, findet jedoch unter Wasser statt:

• Bei einem Überschuss an Wind- oder Solarstrom wird Wasser aus dem Inneren der hohlen Kugel gepumpt.
• Dadurch entsteht im Inneren ein Unterdruck, also ein Bereich, in dem der Wasserdruck deutlich geringer ist als außerhalb.
• Fehlt Strom im Netz, wird ein Ventil geöffnet und Meerwasser fließt zurück in die Sphäre.
• Das einströmende Wasser setzt eine Turbine in Bewegung, die elektrische Energie erzeugt.

Die Betonkugel speichert Energie in Form von Druckunterschieden – genutzt wird die natürliche Wassersäule des Ozeans, kein chemischer Akku.

Im Mittelpunkt steht damit potenzielle Energie, die aus der Höhen- beziehungsweise Tiefenposition von Wasser gewonnen wird. Während an Land dafür Stauseen in Gebirgen erforderlich sind, übernimmt im Meer die Wassertiefe diese Funktion – ohne dass Täler überflutet werden müssen.

Wie viel Strom steckt in einer Betonsphäre?

Nach Berechnungen der Forschenden kann bereits die Testkugel mit neun Metern Durchmesser erhebliche Energiemengen zwischenspeichern. Laut den Projektunterlagen könnten rechnerisch rund zehn vollständige Lade- und Entladezyklen genügen, um einen durchschnittlichen Haushalt für ein ganzes Jahr zu versorgen.

Für einen praktischen Einsatz reicht eine einzelne Kugel selbstverständlich nicht aus. Das Fraunhofer-Team plant deshalb ganze Speicherfelder aus parallel arbeitenden Sphären auf dem Meeresboden. Sie könnten überschüssigen Strom von Offshore-Windparks oder großen Solarparks aufnehmen, wenn Erzeugung, Stromleitungen und aktueller Verbrauch nicht im Gleichgewicht sind.

Auch bei der Haltbarkeit erscheint das Konzept widerstandsfähig: Für die Betonstruktur setzen die Forschenden eine Lebensdauer von 50 bis 60 Jahren an. Nur der Generator im Inneren müsste ungefähr alle 20 Jahre ersetzt werden. Dieser Austausch soll unter Wasser erfolgen können, ohne die Sphäre anheben zu müssen.

Warum der Meeresboden physikalisch ideal ist

Besonders interessant sind Tiefen von etwa 600 bis 800 Metern. Dort stehen Gewicht und notwendige Wandstärke der Kugel in einem vorteilhaften Verhältnis: Die Konstruktion wird ausreichend dick und stabil, ohne so massiv zu werden, dass die Kosten unverhältnismäßig steigen.

Dadurch können vergleichsweise gewöhnlicher Beton und Standardpumpen eingesetzt werden. Teure Hochleistungswerkstoffe sind nicht erforderlich. Den notwendigen Druck liefert der Ozean selbst durch seinen hydrostatischen Druck, der über die Turbine anschließend wieder als Strom ins Netz eingespeist wird.

In mittleren Tiefen entsteht ein physikalisches Sweet-Spot: hohe Druckdifferenz, kalkulierbare Materialbelastung, vergleichsweise günstige Bauweise.

Bei der Standortsuche konzentriert sich das Team vor allem auf Küsten mit steil abfallendem Meeresboden. Dazu zählen unter anderem Norwegen, die USA, Japan und Brasilien – also Regionen, in denen sich mehrere Hundert Meter Wassertiefe in relativ geringer Entfernung zur Küste erreichen lassen.

Alternative zu Stauseen und Lithium-Akkus

Der globale Ausbau erneuerbarer Energien stößt auf ein seit Langem bekanntes Problem: Wind- und Solarenergie stehen nicht unbedingt dann in großer Menge zur Verfügung, wenn der Bedarf am höchsten ist. Herkömmliche chemische Batterien mit Lithium und anderen Rohstoffen sind kostspielig, ressourcenintensiv und erreichen bei Speicherkapazitäten im Gigawattstunden-Bereich ihre Grenzen.

Bislang gelten große Pumpspeicherkraftwerke in Bergregionen als effizienteste Lösung für die langfristige Energiespeicherung. Allerdings brauchen sie Stauseen, verändern Landschaften tiefgreifend, überfluten Täler und treffen oft auf Widerstand. Genau diese Nachteile sollen die Betonkugeln auf dem Meeresboden vermeiden.

Fraunhofer-Experte Bernhard Ernst hebt den Unterschied zwischen Lösungen an Land und unter Wasser hervor:

Während an Land immer weniger geeignete Standorte für neue Pumpspeicher übrig bleiben und Umweltauflagen zunehmen, könnte der Meeresgrund ein vergleichsweise konfliktarmer Raum für Energiespeicher sein.

Konfliktarm können solche Projekte jedoch nur sein, wenn sie ökologisch verantwortungsvoll umgesetzt werden. Hier setzt der vielleicht unerwartetste Teil des Konzepts an.

Beton als künstliches Riff – dank 3D-Druck

Beton im Meer ruft zunächst oft Zweifel hervor. Der US-Partner Sperra verwendet jedoch ein Verfahren, durch das die Sphären zu künstlichen Riffen werden sollen. Statt traditioneller Schalungen entstehen die Kugeln mit großformatigen 3D-Druckern, die Spezialbeton Schicht für Schicht auftragen.

Die Oberfläche wird absichtlich rau und porös ausgeführt, nicht glatt. Das schafft bessere Möglichkeiten für Algen, Mikroorganismen, Korallenlarven und weitere Meereslebewesen, sich festzusetzen.

Jede Betonkugel soll langfristig zu einem Lebensraum für Fische und Korallen werden – ein Energiewandler, der gleichzeitig als Riffstruktur dient.

Erste Versuche im Bodensee zeigen nach Angaben des Projektteams, dass solche Konstruktionen rasch besiedelt werden können. In Kalifornien sollen Biologinnen und Biologen nun genau untersuchen, welche Folgen die Kugeln für die örtliche Flora und Fauna haben. Ausschlaggebend ist, ob nicht nur die Artenvielfalt zunimmt, sondern auch bestehende Ökosysteme stabil bleiben.

Wie groß kann das System werden?

Der gegenwärtige Prototyp mit neun Metern Durchmesser ist als technischer Machbarkeitstest unter realen Bedingungen im Pazifik vorgesehen. Funktioniert das System zuverlässig, sollen spätere Ausführungen deutlich größere Dimensionen erreichen.

Geplant sind Betonsphären mit rund 30 Metern Durchmesser. Jede dieser Kugeln könnte ein Vielfaches der Energie des heutigen Prototyps speichern. Zusammen mit einem Offshore-Windpark könnten auf dem Meeresboden dann ganze „Speicherfelder“ entstehen, die Stromschwankungen über Tage und sogar Wochen ausgleichen.

Parameter	Prototyp	Geplante Großversion
Durchmesser	ca. 9 m	ca. 30 m
Gewicht	rund 400 t	Mehrere Tausend Tonnen
Lebensdauer Beton	50–60 Jahre	ähnlich, je nach Standort
Geplanter Einsatz	Technik- und Öko-Test	Großspeicher für Netzstabilität

Chancen, Risiken und offene Fragen

Das Konzept erscheint auf den ersten Blick überzeugend einfach und nutzt bekannte Bauteile wie Pumpen und Turbinen. Dennoch gibt es offene Punkte, die sich erst im langfristigen Betrieb beantworten lassen:

• Wie groß fallen die tatsächlichen Energieverluste über den gesamten Speicherzyklus aus?
• Wie wirken sich vibrierende Turbinen und veränderte Strömungen langfristig auf Meerestiere aus?
• Welche Wartungsabstände sind unter anspruchsvollen Offshore-Bedingungen realistisch?
• Wie verhalten sich Dutzende oder Hunderte Sphären innerhalb eines gemeinsamen Speicherfeldes?

Daneben spielen rechtliche Fragen eine Rolle: Seerecht, Naturschutzgebiete, Interessen der Fischerei und Kabeltrassen können miteinander kollidieren. Jeder mögliche Standort muss daher sorgfältig geprüft werden, bevor Bohrschiffe und Spezialkräne zum Einsatz kommen.

Was Laien über diese Speichertechnik wissen sollten

Im Zusammenhang mit Betonkugeln werden besonders häufig die Begriffe Energiedichte und Speicherdauer genannt. Energiedichte beschreibt, wie viel elektrische Energie je Volumen- oder Gewichtseinheit gespeichert werden kann. Chemische Akkus sind in diesem Punkt meist überlegen und eignen sich deshalb für Autos, Laptops und Smartphones.

Die Stärke der Betonsphären liegt an anderer Stelle: Sie können sehr große Energiemengen aufnehmen, lassen sich vergleichsweise kostengünstig skalieren und benötigen überwiegend unkritische Materialien wie Beton und Stahl. Besonders geeignet sind sie als Langzeitspeicher für Zeiträume von Stunden bis Tagen, um Phasen mit wenig Wind und Sonne zu überbrücken.

Im Idealfall entsteht ein Energiesystem, in dem unterschiedliche Speicherformen sinnvoll zusammenspielen: Batterien für Reaktionen innerhalb von Sekunden oder Minuten, Pumpspeicher und Ozean-Kugeln für Stunden bis Tage sowie Wasserstoff oder andere chemische Speichersysteme für saisonale Schwankungen.

Ob Betonsphären im Meer tatsächlich zu einem festen Bestandteil dieser Zukunft werden, wird sich in den kommenden Jahren zeigen. Der Versuch vor Kalifornien ist daher nicht bloß ein technisches Experiment – er verdeutlicht, wie weit Gesellschaft und Politik bereit sind, für eine klimafreundliche Energieversorgung auch vollkommen neue Wege unterhalb der Wasseroberfläche zu beschreiten.