Grafik: Gernot Kloss

Energiewende-​Technik: Pump­speicher mit schwim­mendem Speicherteil

von | 11. Januar 2017

Größtes Hindernis zur Ener­gie­wende ist der extreme Mangel an Spei­cher­ka­pa­zität. Die zur Zeit einzigen Speicher mit nennens­wertem Spei­cher­vo­lumen sind Pumpspeicher. 

Da diese funk­tional zwei Spei­cher­becken in unter­schied­lichen Höhen­lagen benötigen und deshalb nur in gebir­gigem Gelände errichtet werden können, ergeben sich für den Bau weiterer Pump­speicher bundesweit nur 20 bis 30 Standorte. Durch­setzbar ist davon aktuell wohl keiner. Wirkliche Durch­brüche lassen sich nur durch neue Denk­an­sätze in den Speicher-​Technologien erreichen.

Die mit Abstand besten Ergeb­nisse, so der Entwickler Gernot Kloss, erzielen Pump­speicher mit schwim­mendem Spei­cherteil, die die Vorteile herkömm­licher Pump­speicher und Lageenergie-​Speicher in opti­mierter Form nutzen. Sie sind seiner Meinung nach allen bekannten Ener­gie­spei­chern leistungs- und kosten­mäßig weit überlegen.

Auf und ab per Schieber

Grafik: Gernot Kloss Pumpspeicher, Turbine, Kloss

Grafik: Gernot Kloss

Beim Pump­speicher mit schwim­mendem Spei­cherteil handelt es sich um eine mit Wasser gefüllte, nach oben hin offene Außen­schale mit innen liegendem, auf der Wasser­ober­fläche schwim­menden Spei­cherteil mit Außen­dichtung und einer in seiner Boden­mitte befind­lichen Öffnung mit Steigrohr sowie einem darin befind­lichen Schieber. Für den Arbeitstakt wird der Schieber geöffnet. Aufgrund der Schwer­kraft verdrängt das Gewicht des schwim­menden Spei­cher­teils und seiner Aufbauten das darunter befind­liche Wasser, drückt dieses durch das Steigrohr, wobei es eine Turbine mit einem ange­schlos­senen Generator antreibt.

Von hieraus strömt das Wasser in das schwim­mende Spei­cherteil, füllt erst dieses, dann den darüber liegenden Spei­cherraum, wodurch sich das Gewicht des schwim­menden Spei­cher­teils konti­nu­ierlich erhöht. Dem entspre­chend nimmt der unterhalb auf die Turbine einwir­kende Wasser­druck zu. Nachdem das schwim­mende Spei­cherteil geflutet auf dem Boden aufliegt, wird der Schieber geschlossen.

Danach werden die sich im und oberhalb des schwim­menden Spei­cher­teils befind­lichen Wasser­massen abgepumpt und unterhalb seines Bodens wieder einge­leitet, wobei unter Hilfe der Auftriebs­kraft das schwim­mende Spei­cherteil gegen den Wider­stand des auf ihm ruhenden Wassers nach oben gedrückt wird.

Da bei diesem Hebe­vorgang das Wasser-​Volumen von Maximum auf Null abnimmt, muss nur das halbe Wasser­ge­wicht und das durch die Auftriebs­kraft redu­zierte Gewicht des schwim­menden Spei­cher­teils gehoben werden. Und das nur in eine geringe Höhe. Ein weiterer Vorteil liegt in dem hohen Arbeits­druck, der sich aus dem Gewicht des Spei­cher­teils und dem nach­flie­ßenden Wasser ergibt. Insgesamt ergeben sich durch das Nutzen der in der Auftriebs- und Schwer­kraft vorhan­denen Energie (Patent DE 10 2012 011 954) hohe, kostenlose Energie-Überschüsse.

Deutliche Vorteile

Gegenüber herkömm­lichen Pump­spei­chern mit zwei Becken weisen Pump­speicher mit schwim­mendem Spei­cherteil folgende Vorteile auf, so Kloss:

  • Von der Gelän­deform unab­hängige Standortwahl
  • Hohe Bürger­ak­zeptanz durch fili­granes Erschei­nungsbild (ähnlich Regen-Rückhaltebecken)
  • Schonung der Umwelt – weniger als 50 Prozent des Platz­be­darfs herkömm­licher Pumpspeicher
  • Je nach Bodenart – bis zu 60 Prozent geringere Baukosten trotz höherer Leistung
  • Geringe Wartungs- und Instandhaltungskosten
  • Sehr geringe Druck­ver­luste durch das Einsparen langer Druckwasser-​Rohre bzw. ‑Stollen
  • Der mecha­nische Wirkungsgrad beträgt aufgrund der neuar­tigen Bauform über 90 %
  • Durch Nutzen der Schwer- und Auftriebs­kraft beträgt die Abga­be­leistung weit über 100 %.

Der Wirkungsgrad herkömm­licher Pump­speicher beträgt maximal 7580 %, der von Kohle-​Kraftwerken 4045 % und der von Gas-​Kraftwerken 5560 %. Zudem gibt es noch eine reihe tech­ni­scher Vorteile, da die Drücke und damit die Belas­tungen auf das Maschi­nen­ma­terial nicht so stark sind wie bei herkömm­lichen Pumpspeichern.

Der Bau dieses Speichers kostet zirka 50 Millionen Euro, die nur von Groß­un­ter­nehmen gestemmt werden können”, so Erfinder Kloss. Diese seien aufgrund der jetzigen Geset­zeslage in Deutschland nicht leicht zu finden. Zudem stünden einer raschen Verwirk­li­chung in Deutschland hemmende Struk­turen in der Politik und Wirt­schaft entgegen. Kloss rech­net damit, dass diese Speicher-​Technologie wohl zuerst in China ver­wirk­licht wird.


Mit smar­ten Tech­no­logien, die auch zur Steuerung von Strom­spei­chern ein­zu­set­zen sind, befasst sich auch Energieblogger-​Kollege Björn Katz hier auf sei­nem Blog Strom­aus­kunft.

Frank Urbansky

Freier Jour­na­list und Fach­au­tor, unter anderem für die Fach­ma­ga­zine und Portale Brenn­stoff­spie­gel, Uniti; DW Die Woh­nungs­wirt­schaft und Immo­bi­li­en­wirt­schaft; Haufe-Lexware; Energie&Management; IVV, Huss Medien; Motor­tech­ni­sche Zeit­schrift und Sprin­ger­Pro­fes­sio­nal; Sprin­ger Fachverlag; SHK Profi und tab, Bau­ver­lag; stadt+werk, k21

11 Kommentare

  1. Frank Urbansky

    Für Herrn Schlatter: Die Ener­gie­wende wird maximal von Poli­tikern in Berlin und einigen Lobby­isten diskre­di­tiert, mit Sicherheit nicht von mir. Dies hier ist ein Ort auch zur Vorstellung neuer Tech­no­logien für die Ener­gie­wende. Über die kann und soll man disku­tieren, was ja an diesem Beispiel hier ganz gut funk­tio­niert. Dies ist jedoch kein Ort für Denk­verbote und Zensur. Er ist im besten Sinne ideologiefrei.

    • Adrian Schlatter

      Sie haben meine vollste Zustimmung was Denk­verbote und Zensur betrifft. Ideen sollen sich einer in einer offenen Diskussion bewähren müssen.

      Jedoch rate ich (nach dieser Diskussion hier) davon ab, diese Idee als Lösung der Spei­cher­pro­bleme im flachen Deutschland weiter zu propa­gieren. Sie verliert haushoch gegen alles. Tesla Powerwall ist kleiner, billiger und prak­ti­scher (wenn auch – aus meiner Sicht – auch noch zu teuer). Stauseen in Norwegen sind auch besser.

  2. Gernot Kloss

    Lieber Herr Schlatter, ich habe den Eindruck, Sie haben das Prinzip meines Patents immer noch nicht verstanden. Im Übrigen, was das Patentamt betrifft, Natur­ge­setze brauchen in einer Patent­schrift nicht erörtert zu werden.
    Nun zum Thema: Stellen Sie sich zwei unter­ein­ander verbundene mit Wasser gefüllte Behält­nisse vor, bei dem das eine eine ange­nommen tausendfach größere Grund­fläche hat und dadurch ein viel größeres Wasser­vo­lumen aufweist. Beide haben wegen des gleichen Druckes einen gleich hohen Wasser­spiegel. Nun presse ich mittels einem Kolben das gesamte Wasser aus dem großen Behältnis in das das kleine Behältnis. Dieses muss, um das gesamte Wasser­vo­lumen aufnehmen zu können, entspre­chend seiner kleinen Grund­fläche eine tausendfach größere Höhe haben als sein ursprüng­licher Wasser­stand. Nach dem gleichen Prinzip arbeitet mein Pumpspeicher.

    N.S. Dies wird meine letzte Antwort sein. Ich möchte nicht weiter erklären müssen, weshalb Wasser bergab und nicht bergauf fließt.

  3. Adrian Schlatter

    Ich verstehe nicht, was Sie meinen.

    Jedoch habe ich rasch die Ener­gie­dichte eines solchen Speichers mit 30 Metern Wasser­tiefe (10 Stock­werke) und einem 10 Meter dicken Beton­deckel abge­schätzt: 1.25 kWh/​m2.

    Um 1 Monat Windstrom einer einzigen Turbine zu speichern (1 MW3024h = 720 MWh) braucht man also ein Becken mit etwa einem halben Quadrat­ki­lo­meter Grundfläche!

    Bei einem GW brauchen wir schon 500 km². „Hohe Bürger­ak­zeptanz” ist da nicht gegeben.

    Diese Idee wird zur Ener­gie­wende leider doch nichts beitragen können.

    • Gernot Kloss

      Zum Verständnis: Nach Fluten des schwim­menden Spei­cher­teils drückt bei einem inneren Speicher-​Durchmesser von ange­nommen 200 m bereits ein Gewicht von rund 62.800 t auf die darunter befind­liche Wasser­fläche. Dieser Druck entlädt sich in Form einer Wasser­säule (hydrau­li­scher Druck­aus­gleich), die durch das Steigrohr gedrückt wird und so die Turbine antreibt. Nimmt man einmal einen Turbinen-​Durchfluss von 4 qm an, ergibt dies eine Wasser­säule von 15.700 m Höhe, die sich durch den Wasser­zu­fluss oberhalb des Spei­cher­teils weiter erhöht. Zu wenig um eine Turbine anzutreiben?

      • Adrian Schlatter

        Ah, in diesem Forum trifft man sogar den Erfinder perso­enlich. Freut mich 🙂

        Ich habe mich viel­leicht etwas undeutlich ausge­drueckt: Ich habe im vorhe­rigen Beitrag den Energie-​Inhalt des Speichers betrachtet, nicht die Leistung die er erbringen kann. Mit „Turbine” meinte ich die Wind­turbine, deren Strom es zu speichern gilt (damit der Strom eben nicht ausbleibt, wenn der Wind mal nicht weht). Fuer diese nahm ich 1 MW Leistung an bzw. 1 GW (dann in Form von einem Windpark, zum Beispiel).

        Ihre Aussage, dass man mit Hydraulik den Druck erhoehen kann, verbluefft mich etwas. Koennen Sie das naeher erlaeutern?

        • Gernot Kloss

          Mit Hydraulik kann man keinen Druck erhöhen, man kann diesen nur weiterleiten. 

          Als Antwort auf Ihre Frage, ein für alle verständ­liches Beispiel: Die Wasser­pistole (Vergleiche zum Speicher stehen in Klammern). Bei ihr wird durch Druck (Gewicht) eines groß­flä­chigen Kolbens (schwim­mender Spei­cherteil) Wasser bewegt. Dabei wird das durch den Kolben (schwim­mender Spei­cherteil) verdrängte Wasser durch eine klein­flä­chige Düsen­öffnung (Steigrohr) gepresst. Da Wasser sich nicht kompri­mieren lässt, muss es seine Geschwin­digkeit stark erhöhen, um durch die enge Düsen­öffnung (Steigrohr) zu kommen. Die Druck­energie wandelt sich lediglich in Bewe­gungs­en­ergie um. Je größer die durch den Kolben (Spei­cherteil) verdrängte Wasser­menge ist, die durch die Düsen­öffnung (Steigrohr) gepresst wird, um so größer ist deren Geschwin­digkeit und somit die Länge (Höhe) des austre­tenden Wasserstrahls.

          • Adrian Schlatter

            Es tut mir leid, aber das stimmt nicht. Und – was mich sehr irritiert – Sie und/​oder das Patentamt wissen das (siehe unten).

            Die Geschwin­digkeit (und damit die „Spritzhöhe”) hängt einzig und allein vom Druck ab. Der relevante Druck hängt einzig und allein von Gewicht und Quer­schnitt des Deckels ab. Der Rohr­quer­schnitt spielt keine Rolle; das Verhältnis Rohr­quer­schnitt zu Deckel­quer­schnitt eben­so­wenig. Wieviel Wasser auf der Oberseite ist höchstens indirekt (wenn man den Generator ungünstig montiert).

            Die Wasser­pistole übersetzt zwar sehr wohl die niedrige *Geschwin­digkeit* des Abzugs in eine viel höhere Wasser­strahl­ge­schwin­digkeit. Wenn Sie aber weiter spritzen wollen hilft alles nichts: Sie müssen einen höheren *Druck* aufbringen. Das Loch der Düse zu verkleinern führt zwar sehr wohl dazu, dass Sie bei gleicher Abzugs*geschwindigkeit* eine höhere Strahl­ge­schwin­digkeit erreichen. Aber die kleinere Düse führt gleich­zeitig eben auch dazu, dass Sie mehr Druck aufbringen müssen, um diese gleiche Abzugs­ge­schwin­digkeit zu erreichen.

            Für Ihren Speicher bedeutet das: Eine Wasser­säu­len­er­höhung ergibt sich nicht. Die Druck­dif­ferenz, die Sie ausnutzen, ist diejenige zwischen Ober- und Unter­seite des Deckels.

            Bei einem 10 Meter starken Beton­deckel ergeben sich ca. 25 m Wasser­säule. Wenn Sie den Generator über dem oberen Wasser­spiegel montieren, müssen Sie diese Höhen­dif­ferenz noch abziehen!

            Zum Abschluss noch eins: In Ihrem Patent steht von diesem Wasser­säu­len­ver­stär­kungs­effekt gar nichts drin – obwohl das ja der eigent­liche Clou wäre hinter Ihrer Idee. Unter diesen Umständen müsste er als Patent­an­spruch Nr. 1 aufge­führt sein. Ist er aber nicht. Keiner der Patent­an­sprüche betrifft die Wasser­säu­len­ver­stärkung. Ja sie ist noch nicht einmal in der Beschreibung erwähnt!

            Herr Urbansky: Sie sollten nicht die Ener­gie­wende diskre­di­tieren mit dem Propa­gieren solcher Ideen.

      • Adrian Schlatter

        Wie Sie hier nachlesen können, lässt sich mit dem hydrau­li­schen Prinzip die Kraft verviel­fachen. Jedoch bleibt der Druck (also die Wasser­säule) erhalten:

        http://​www​.tech​nik​le​xikon​.net/​d​/​p​a​s​c​a​l​s​c​h​e​s​_​g​e​s​e​t​z​/​p​a​s​c​a​l​s​c​h​e​s​_​g​e​s​e​tz.htm

        Zusätzlich zur geringen Ener­gie­dichte habe ich daher auch noch Bedenken, dass Sie nicht genügend Druck erhalten. Insbe­sondere wenn Sie den Generator so hoch oben anbringen: Da verlieren Sie ja wieder Wassersäule.Wenn Sie nicht aufpassen, wird sie sogar <0!

  4. Frank Urbansky

    Inter­essant finde ich das auch. Nur kurz zum Wirkungsgrad: Hier geht es um das Zusam­men­rechnen von Abtriebs- ud Auftriebsrkäften, die über 100 % betragen könnten, der Wirkungsgrad kann dies natürlich nicht sein. Dieser ist mit 90 % einen Stich­punkt zuvor beschrieben.

  5. Adrian Schlatter

    Die Idee klingt inter­essant. Die höhere Ener­gie­dichte im Vergleich zukon­ven­tio­nellen Pump­spei­chern kann ich nicht glauben: An die Höhen­dif­ferenz von ca. 1000 m kann dieses Konzept doch kaum herankommen.

    Und der Wirkungsgrad von >100% ist – mit Verlaub – Blödsinn. Das wäre ein Perpetuum Mobile. Im Patent steht davon aller­dings auch gar nichts drin.

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