Das verbuddelte Pumpspeicherkraftwerk
Er kann eine ganze Stadt mit Wärme und Strom versorgen, der patentierte Stülpmembranspeicher von Matthias Popp. Zumindest theoretisch.
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Bei „Speicher“ oder „Energiespeicher“ denken die meisten wohl zuerst an Batterien, mit denen überschüssiger Strom aus Windkraft- oder Solaranlagen von einem Tag zum nächsten – vielleicht auch vom Sommer in den Winter – gerettet werden soll. Doch mit einem Speicher einen ganzen Ort übers Jahr versorgen? Solche Gedanken sind rar. Mit „seinem“ Stülpmembranspeicher (SMSp) sei aber genau das möglich, da ist sich Matthias Popp sicher.
Stülpmembranspeicher
Im Prinzip ist der Stülpmembranspeicher, kurz SMSp, ein in die Erde eingegrabenes Pumpspeicherkraftwerk. Eine Membran trennt Ober- und Unterwasserreservoir sicher voneinander. Über der Membran sitzt ein schwimmfähiger Kolben. Über dessen Auf- und Abbewegung wird die Energie auf- und abgegeben. Der Speicher wird insgesamt 400 m tief in die Erde gegraben.
Erfinder Matthias Popp denkt an zwei Versionen: Der Außendurchmesser betrüge in der kleineren Version – beim Beispiel für Forchheim wären davon zwei nötig – 130 m, der Wasserinhalt 6,5 Mio. m3. Die größere Ausgabe hätte 170 m Durchmesser. Der schwimmende „Kolben“ ist jeweils 4 m dünner.
Patentiert: Erfinder Popp hat sich das Konzept 2013 patentieren lassen. Inzwischen gibt es ein Plexiglasmodell im Maßstab 1:1000.
Popp hat seit März 2013 eine Stelle als Professor für Energietechnik an der Fakultät Maschinenbau der Technischen Hochschule Nürnberg. Im Prinzip versenkt er ein Pumpspeicherkraftwerk in der Erde; er trennt die beiden Wasserreservoire durch eine Membran und eine Kolbenscheibe (s. Kasten). Ein echter SMSp wurde zwar bislang nicht gebaut. Aber am Beispiel von Forchheim – insgesamt knapp 32 000 Einwohner mit allen Ortsteilen – und mithilfe von Studenten hat Popp theoretisch nachgewiesen, wie man diese oberfränkische Kreisstadt über solch einen Speicher versorgen und damit frei von Energiezufuhr von außen machen könnte.
5,5 GWh Strom – der Zehntagesbedarf von Forchheim – müsste der SMSp zur Versorgung speichern. 33 MW maximale Lastabnahme gibt es im Ort. Der hat gleichzeitig einen Wärmebedarf von 452 GWh jährlich, der ebenfalls im SMSp ein- und ausgespeichert werden müsste. Dann könnten mit dieser Heizenergie, bereitgestellt durch Sonnenkollektoren auf einem Drittel der 150 000 m² Dachfläche Forchheims, über 12 000 Menschen (etwa der Innenstadtbereich; Anm. d. Red.) mit Fernwärme versorgt werden.
Den Stromverbrauch wiederum sollte über das Jahr gesehen ein Mix aus Sonnen- und Windkraftwerken decken: Die Durchschnittsleistung von 26 MW aus Sonnen- und Windenergie würde dafür ausreichen, da die beiden Komponenten sich gut ergänzten, so Popp. Und fast egal, wie dieser Mix ausgestaltet wird: Einschließlich Netznutzungsentgelt und Speicher ergäben sich regenerative Stromgestehungskosten von 18 Cent/kWh – ein Drittel weniger als die heute üblichen 29 Cent/kWh.
Dabei würde der SMSp für Forchheim allein etwa 165 Mio. € kosten, hat Popp errechnet; das wären etwa 30 €/kWh Speichervermögen. Zum Vergleich: Für moderne Lithium-Ionen-Akkus muss man pro Kilowattstunde heutzutage das Zehnfache hinlegen.
Wieso das so günstig geht? Für die Herstellung könne man auf Standardgeräte und -techniken zurückgreifen, erklärt Popp. Für die automatisierten Erdarbeiten gäbe es leicht zu modifizierende Schlitzwandfräsen.
Die Wände der Umgebung und des Kolbens – immerhin 9 Mio. t schwer – würden mit „Injektionen auf Zementbasis“ stabilisiert und abgestützt. Die nicht unter Druck stehende Wasserfläche oberhalb des Kolbens, quasi das Oberbecken, könnte man zum Beispiel mit schwimmenden Stahlpontons abdecken.
Diese ließen sich durch eine Schicht aus Schaumglasschotter oder Leichtbetonpolystyrol zusätzlich dämmen. Die Stahlpontons böten zudem Platz für Photovoltaikanlagen, deren Ausrichtung dem Sonnenstand nachgeführt würde, so Popps Vorstellung.
Die riesige Membran selbst ist schwer vorstellbar, wäre aber dennoch relativ einfach herzustellen, so der Forscher: aus Stahlseilfördergurten. Die kenne man von Förderbändern aus dem Braunkohlentagebau. 122 mit Industriekleber verbundene, 35 cm breite Bänder mit integrierten Stahlseilen, je 4 cm dick und mit einer Fläche von je 300 m², nähmen die enormen Kräfte auf: Unvorstellbare 3,5 MN/m zögen an der Membran, hat Popp ausgerechnet.
Auch wenn nach 20 Jahren die Bänder ausgetauscht werden müssten, der Speicher würde grundsätzlich weiter funktionieren, ist Popp sich sicher. Das ganze System berge im Übrigen nur Gefahren von niedrigem bis mittlerem Niveau; die gelte es abzusichern.
Etwas Neues aber ist die „Pumpturbine mit variablem Teillastbetrieb ohne Umschaltverzögerung“ für das Ein- und Ausspeichern des Stroms. Die haben Popp und sein Ex-Student Leonhard Westphal entwickelt. Pumpe und Turbine sind nahezu identisch aufgebaut, sitzen auf einer Welle mit dem Generator. Das Prinzip war für die beiden so innovativ, dass sie es patentieren ließen.
Aber erst wenn der Stülpmembranspeicher in einem Modellprojekt verwirklicht würde, könnte sich zeigen, wie Theorie und Realität übereinstimmen. Fördergeldgeber werden dringend gesucht.
