海上储能

海上储能(StEnSEA)项目是一种新型抽水蓄能系统，旨在在海上储存大量电能。经过研发，于2016年11月在模型规模上进行了测试。它旨在与海上风电平台及其因电力生产波动引起的问题进行良好连接。它的工作原理是水在很大的压力下流入容器，从而驱动涡轮机。当有备用电力时，水会被抽出，以便在需要增加的时候发电。

2011年，物理学教授HorstSchmidt-Böcking博士（法兰克福歌德大学）和GerhardLuther博士（萨尔大学）提出了一种新的抽水蓄能系统的想法，该系统应放置在海床上。该系统将利用大水深的高水压将能量储存在空心体中。不久，在他们的想法于2011年4月1日在《法兰克福汇报》上发表后，弗劳恩霍夫能源经济和能源系统技术研究所和建筑公司HochtiefAG的联合体成立了。他们合作进行了xxx个初步草图，证明了抽水蓄能概念的可行性。随后，德国联邦经济事务和能源部支持了新概念的开发和测试。

海水蓄压电站的功能是基于通常的抽水蓄能电站。一个带有集成泵涡轮的空心混凝土球体将安装在海底。与众所周知的抽水蓄能电站相比，球体周围的海洋代表了上层水盆地。空心球代表下水盆地。StEnSea概念利用空心球体与周围海洋之间的高水压差，约为75bar（≈1bar/10米）。在风力涡轮机或光伏系统等相邻能源生产过剩的情况下，水泵涡轮机将能够克服压力将水从空腔泵入周围的海洋。一个空的空心球意味着一个充满电的存储系统。当需要电力时，来自周围海洋的水被引导通过涡轮进入空腔，从而产生电力。空心球体与周围海洋的压力差越大，放电时的能量产量就越高。在排放空心球时，内部会产生真空。为避免气蚀，泵涡轮机和所有其他电气元件都放置在中央安装的气缸中。气缸底部需要一个辅助进料泵来向气缸注水并产生内部压力。两种泵都需要高于净正吸头的输入压力，以避免在将水从内部容积泵入气缸或从气缸泵出球体时出现气蚀。由于附加泵的压差远低于泵式涡轮机，因此所需的输入压力也较低。两个泵的输入压力由它们上方的水柱给出。对于附加泵，这是球体中的水柱，对于泵涡轮机，这是圆柱体中的水柱。空心混凝土球的xxx容量取决于泵-涡轮机的总效率、安装深度和内部容积。储存的能量与海洋深处的环境压力成正比。空心球建造过程中考虑的问题是选择一种能承受高水压并且足够重以保持浮力低于重力的结构类型。这导致了内径为28.6米的球形结构和由普通防水混凝土制成的2.72米厚的墙。

为了证明真实条件下的可行性和获取测量数据，弗劳恩霍夫工程师开始实施一个试点项目。因此，HochtiefSolutionsAG以1:10的比例建造了所需的先导空心球，外径为3米，内部容积为8m3，由混凝土制成。2016年11月9日，它安装在博登湖100米深的地方，并进行了四个星期的测试。在测试阶段，工程师们能够成功地储存能量并以不同的操作模式运行系统。另一个已经研究过的重要问题是，是否需要连接地面的压力平衡线。在不使用补偿电缆的情况下，可以降低成本和费用。试点测试显示，这两种操作变体都有效并且可以运行。下一步，将审查一个可能在海上进行示范项目的试验地点。然后建造一个计划示范直径为30米的球体，并将其安装在海中合适的位置。可能的安装地点位于海岸附近，例如挪威海沟或一些西班牙海域。此外，必须找到来自行业的合作伙伴为该项目的一半提供资金，以便从BMWi获得进一步的公共资金。因为示范项目的总成本估计为低两位数百万欧元。

潜在安装地点的确定分三个连续步骤进行。首先，确定了描述潜在位置质量的几个参数的指定。除了作为主要因素的安装深度外，还考虑了诸如坡度、地貌、到可能的电网连接点的距离以及到服务和设置的基地、海洋储备和周围电力存储需求等变量考虑到。在接下来的步骤中，为使用该技术所需的硬参数分配了特定值。其中许多值是在先前的可行性分析中确定的，少数必须通过使用来自不同海上工业的可比应用程序进行评估。混凝土球的安装深度应在海平面以下600-800m，倾角小于或等于1°。此外，还要求在百公里范围内到达下一个并网点，并有一个可以进行维护和维修措施的基础。此外，安装基础不应超过500公里，并且不包括峡谷等地貌不适当的区域。最后，基于地理数据集和上述定义的限制，使用地理信息系统(GIS)进行了全球位置分析。为了说明潜在的存储能力，将由此产生的区域分配给受影响国家的专属经济区(EEZ)。这些以及相应的蓄电容量如下表所示。

StEnSea是一种模块化的高容量储能技术。它的盈利能力取决于每个设施的安装单位（混凝土空心）（导致规模效应）、能源市场上已实现的套利以及每年的运营时间。以及投资和运营成本。下图描绘了经济评估的相关经济参数。每年需要大约800到1000个完整的操作周期。对于存储场的运营和管理，个人支出基于每个存储场0.5-2名员工，具体取决于农场容量。每年70,000欧元的劳动力成本和员工用于计算。在经济评估中，价格套利设定为每千瓦时6欧克拉，这是由于平均购电价格为每千瓦时2欧克拉，平均售价为8欧克拉千瓦时。这种价格套利包括购买其他服务，例如提供正平衡或负平衡功率、频率控制或无功功率，所有这些在计算中都没有单独考虑。规划和审批成本包括场地评估（作为许可的前提条件）、电厂认证以及项目开发和管理的成本。根据每个农场的存储单元数量，计划和批准的单元特定成本在120个单元的1,070mio.€到5个单元的1,74mio.€不等。年金也直接取决于安装单位的数量。使用120个单位可以获得544k€的年金，而仅安装5个单位的情况下只能获得232k€的年金。

这种储能解决方案不仅是解决风能行业储能问题的一个机会，而且对生态无害。由于建筑的主要组成部分（主要是钢、空心混凝土和连接电缆），生态系统的风险很小。为避免海洋动物被吸入涡轮机，安装了细网状网格。此外，冲入中空的水的流速保持较低。

公共电视台ZDF的一段视频帖子称，空心混凝土球是“储存太阳能和风能的可能解决方案”。获得的数据有助于更好地了解项目。为了进行更大规模的进一步测试，同时也是弗劳恩霍夫IEE团队成员的克里斯蒂安·迪克考虑在海上建造一个大的混凝土空洞。ZDFnano电视台制作了一部关于康斯坦茨湖StEnSea实地考察的纪录片（德语：Bodensee）。克里斯蒂安·迪克（ChristianDick）被引用说“球完全按照它应该的方式工作”。最重要的发现是不需要与地面进行空气连接，从而显着减少了技术工作量。FraunhoferIEE的项目负责人MatthiasPuchta说：“通过抽水，我们创造了几乎完全的真空。展示这一点非常令人兴奋，因为以前没有人能够通过使用这项技术来做到这一点。我们证明它有效。”对于维护和可能的技术问题，该技术将位于气缸中，易于使用机器人潜艇进行回收和维护。毕竟，这项技术可能是“我们未来能源供应的拼图”。瑞士广播频道SRF也同意这一观点，因为他们将该项目报告为“潜在的开创性实验”。多亏了湖中的成功项目，在该项目中，能量被输入到测试电网并从中提取，团队期待着采取下一步行动：安装一个直径比试点项目大10倍（30米）的混凝土球）。由于德国的海岸线太浅，该国不再作为进一步项目的地点。作为回报，西班牙海岸线为长期项目提供了良好的条件。这个长期项目在现实条件下应该持续三到五年，并且应该为随后的商业化获取数据。这种储能解决方案不仅是解决风能行业储能问题的一个机会，而且对生态无害。DerSpiegel报道说，StEnSea的技术也可能对海上风电场感兴趣。随着越来越多的可再生能源被纳入系统，经济高效地储存剩余能源是电网和能源市场的关键任务之一。因此，该技术在重组能源系统中的作用可能至关重要。