Verknüpfen alpiner Speicher mit dem Meer

Mit Hilfe von Pumpspeicherkraftwerken kann sehr effizient elektrische Energie gespeichert werden und diese im Bedarfsfall wieder in das Netz zurückgeführt werden. Diese bewährte Technologie benötigt einen beträchtlichen Höhenunterschied zwischen zwei Speichern und ist somit hauptsächlich in den Alpen zu finden. Sucht man nach weiteren Ausbaumöglichkeiten der erneuerbaren Energieerzeugung gibt es Potential im Bereich der Windenergie auf offener See. Diese Form der Energieerzeugung bringt derzeit eine entsprechende Unsicherheit in der Prognose und eine nur geringe Steuerungsmöglichkeit mit sich. Mit einem steigenden Anteil solcher nicht bedarfsorientierten Stromquellen werden effiziente und leistungsstarke Speichertechnologien immer wichtiger, um das elektrische Netz stabil zu halten. Mit dem Konzept Buoyant Energy, welches an der Universität Innsbruck entwickelt wurde, kann die bewährte Technik der Pumpspeicherkraftwerke so modifiziert werden, dass sie im Meer möglichst nahe an der Erzeugung eingesetzt werden kann. Grundlage dieser Speicherung ist dabei eine schwimmende Konstruktion, welche im Inneren einen niedrigeren Wasserspiegel aufweist. Wird Strom erzeugt der im Moment nicht gebraucht wird, so kann mittels Pumpen das Wasser von Innen nach Außen gedrückt werden, wodurch sich die gesamte Anlage anhebt. Um wieder bedarfsorientiert Strom zu erzeugen, wird das Wasser durch Turbinen nach Außen geleitet. Eine Besonderheit dabei ist, dass die absolute Differenz zwischen dem äußeren und inneren Wasserspiegel immer konstant ist, wodurch alle Anlagenteile optimal betrieben werden können. Die Herausforderung dabei ist die Interaktion zwischen den beiden Wasserkörpern und der sie trennenden Struktur. Im Zuge des Forschungsprojektes LARO werden dafür Grundlagenuntersuchungen durchgeführt, die unter anderem eine zukünftige Realisierung des Konzeptes erleichtern sollen. In das Projekt sind neben der Universität Innsbruck mit dem Antragsteller Dr. Roman Gabl auch zwei Universitäten aus England eingebunden. Gastgeber für den Auslandsaufenthalt ist die Universität Edinburgh mit Prof. David Ingram, der dort den Lehrstuhl für CFD (Computational Fluid Dynamics) bekleidet. Neben den hervorragenden Kompetenzen bei der numerischen Modellierung von Fluidströmen bietet die Universität Edinburgh auch einzigartige Möglichkeiten am Versuchsstand FloWave (http://www.flowavett. co.uk) experimentell Wellen und Meeresströmungen zu reproduzieren. Damit können die numerisch gewonnenen Erkenntnisse kontrolliert und entsprechend verbessert werden. Dr. Valentin Heller von der Universität Nottingham konnte als Berater gewonnen werden, welcher das Projekt begleitet und den Einstieg in die relativ neue SPH (smoothed particle hydrodynamics)-Methode erleichtert, die er bereits erfolgreich nutzt. Diese numerische Methode benötigt kein sonst übliches Berechnungsnetz und ist flexibler bei der Definition von Wandstrukturen. Darauf baut die Forschungshypothese auf, welche davon ausgeht, dass mit der SPH-Methode solche mit Wasser gefüllte schwimmende Strukturen einfacher simuliert werden können, als mit üblichen netzbasierten Berechnungsmethoden. Die numerisch gewonnenen Ergebnisse werden durch Versuche abgesichert. Der Erkenntnisgewinn des Projekts soll der zukünftigen Weiterentwicklung von Buoyant Energy und ähnlicher Konzepte dienen.

Die Ergebnisse des Forschungsprojektes Linking Alpine Reservoirs to Ocean (LARO) unterstützen die Weiterentwicklung des Energiespeicherkonzepts Buoyant Energy (http://www.buoyant-energy.com). Dieses erlaubt die Pumpspeichertechnologie von dem benötigten Höhenunterschied im Alpinen Bereich zu entkoppeln und als eine schwimmende Lösung zu entwickeln. Damit wird Energiespeicherung zu der erneuerbaren Energieproduktion abseits vom Festland gebracht als auch neue Nutzflächen für küstennahe Städte geschaffen. Die Speicherung erfolgt durch das Auspumpen einer großen schwimmenden Struktur, die wiederum geflutet werden kann und die Energie über Turbinen zurückgewonnen werden kann. Der entscheidende Vorteil ist, dass die Wasserspiegeldifferenz zwischen dem äußeren und inneren Wasserspiegel unabhängig vom Füllstand des Speichers ist. Diese erlaubt eine sehr genaue Optimierung der Pumpe und Turbine. Eine Herausforderung stellt hingegen die Interaktion zwischen den beiden Wasserkörpern dar, welche durch die schwimmende Struktur getrennt sind. Bisherige Untersuchungen von vergleichbar großen Modulen waren immer limitiert auf kleine Bewegungen und das Projekt ging bewusst über diese Annahme hinaus um einen klaren Einfluss des inneren Wasserkörpers zu finden. Die Untersuchungen wurden in FloWave Ocean Energy Research Facility (University of Edinburgh, Scotland, UK) durchgeführt. Im Zuge des Forschungsprojektes wurde eine vereinfachte Geometrie untersucht. Der Zylinder hat den Vorteil, dass die zu untersuchenden Freiheitsgrade (FG) auf die Wellenhöhe und -frequenz bei regulären Wellen limitiert sind und der einzige weitere FG die innere Wassertiefe ist, welche die Gesamttiefe des Zylinders beeinflusst. Um den Einfluss der positionshaltenden Leinen zu minimieren, wurde ein sehr flexibles System ausgewählt, welches aber auch entsprechend große Bewegungen im Wellenbecken zulässt. Um trotzdem den freien Wasserspiegel im Inneren messen zu können, wurde ein neuer Wellenpegel entwickelt, welcher an die Innenwand geklebt werden kann und schwimmende Marker, welche von dem Motion Capturing System miterfasst werden können. Die zahlreichen Messkampagnen untersuchten in einem ersten Schritt den direkten Vergleich zwischen einem soliden Ballast und einer Füllung mit Wasser. Damit konnte gezeigt werden, dass in einem bestimmten Wellenfrequenzbereich die Hauptbewegung von einer Rotation in die Wellenrichtung zu einer Oszillation orthogonal zu den Wellen führt, was nur bei der wassergefüllten Variante aufgetreten ist. Weitere Untersuchungen konnten zeigen, dass diese Reaktion nicht durch die Halteleinen verursacht wurde und somit einen interessanten Validierungsfall für numerische Modelle darstellt, die große Bewegungen in Kombination mit einer Wasser-Struktur-Wasser-Interaktion simulieren wollen. Es konnte zudem gezeigt werden, dass der Einfluss des Wassers für kleinere Bewegungen nicht dramatisch ist und die Annahme eines soliden Ballastes als erste Näherung absolut zulässig ist. Diese ermöglichte eine deutliche Vereinfachung bei einem zusätzlichen Experiment im Rahmen des Buoyant Energy Projektes, welches eine modulare Struktur basierend auf einem Hexagon untersucht hat. Somit hatte das LARO Forschungsprojekt einen wertvollen Beitrag in der Weiterentwicklung des schwimmenden Energiespeichers ermöglicht als auch einen Beitrag als Grundlagenforschung im Rahmen eines Validierungsexperiments liefern können.