Die Idee klingt fantastisch: Man hebe einen künstlichen Berg durch Wasserdruck an und nutze beim Absenken die Kraft des Wassers, um einen großen Teil der zuvor aufgewendeten Energie wiederzugewinnen – eine Art riesiger Batterie auf Wasserbasis, die man mit Hilfe von Solarzellen und Windkraft auflädt. So futuristisch diese Technik klingt, sie könnte tatsächlich schon bald Realität werden, wenn es nach dem Willen von Eduard Heindl von der Hochschule Furtwangen und seinen Kollegen geht. "In nächsten drei Jahren ließe sich bereits ein erstes Demonstrationsbeispiel konstruieren und ein kleiner Prototyp entwickeln."

Grundprinzip des hydraulischen Energiespeichers
Bildzoom Grundprinzip des hydraulischen Energiespeichers
So in etwa funktioniert der hydraulische Energiespeicher: Über ein Rohrsystem und das so genannte Wasserschloss – es dient dem Druckausgleich bei starken Änderungen der Leistung oder beim Umschalten von Pump- in Turbinenbetrieb und umgekehrt – wird das Wasser unter den Hubkolben geleitet.
Ganz generell beruht ihr System auf einem jahrzehntealten Prinzip, das schon in einigen Anlagen verwirklicht ist: dem Pumpspeicherkraftwerk. Zum Beispiel am Schluchsee im Schwarzwald steht eine dieser Anlagen, die als Regelungsmechanismus im Stromnetz dienen. Zu Zeiten, in denen sehr viel Strom erzeugt, aber wenig nachgefragt wird, pumpen sie Wasser in hoch gelegene Staubecken: Sie wandeln elektrische in potenzielle Energie um. Erreicht der Verbrauch zu anderen Zeiten Belastungsspitzen, wird das Wasser über ein Rohrsystem und Generatoren wieder abgelassen und der Strom ins Netz eingespeist. Sie produzieren keinen Überschuss an Strom, sondern verbrauchen ihn netto sogar selbst zum Teil – die Pumpspeicherkraftwerke können also nur mit Wirkungsverlusten betrieben werden. Dennoch spielen sie eine wichtige Rolle, denn sie können überschüssige Energie speichern und zu Zeiten hoher Nachfrage wieder ins Netz einspeisen.

Puffer im Stromnetz

Das Verfahren hat jedoch einige Nachteile: Es kann nur wenige Gigawattstunden Leistung speichern; außerdem stehen nur wenige geeignete Flächen in Deutschland zur Verfügung. Und diese müssen dann zusätzlich überflutet werden – ein gravierender Eingriff ins Landschaftsbild. All dies soll Heindls Idee eines hydraulischen Lageenergiespeichers überwinden und den alternativen Energiequellen Sonne und Wind zum endgültigen Durchbruch verhelfen: Sie produzieren bislang oft Stromhöchstmengen, wenn der Absatz nicht gewährleistet ist, und umgekehrt.

"In Deutschland gibt es drei Hauptregionen, in denen unsere Technologie momentan in Frage käme, weil dort Quarz als Speichergestein zu Tage tritt: der Schwarzwald, rund um Dresden, wo große Tagebaue oft im Granit-Grundgestein enden, und der Harz", erläutert der Furtwangener Technologieprofessor, der unter anderem eng mit Geologen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zusammenarbeitet. Hier ließe sich ein entsprechend großer Granitzylinder aus dem Gestein sägen, der sich hydraulisch hebt und senkt: "Das läuft natürlich nicht wie bei Laubsägearbeiten, indem man einmal rundherum fräst", weist er allzu blühende Fantasien zurück.

Zuerst werde ein Tunnel einen Kilometer tief in den Untergrund gebohrt und um den späteren Zylinder geführt: Er dient dann später auch der Wasserzufuhr. Anschließend bohren die Ingenieure von der Oberfläche her alle 20 Meter ein Loch zu diesem Tunnel. Durch diese Löcher leiten sie die Sägeseile in den Untergrund und führen sie in der benachbarten Bohrung wieder nach oben. Danach können sie dann 20 Meter breite Scheiben aus dem Gestein schneiden. Was sich aufwändig anhört, verursache in der Realität jedoch kaum Probleme, meint Heindl: "Insgesamt müssen wir 'nur' drei Quadratkilometer Gestein entnehmen, was auch bedeutet, dass bei der relativ geringen Dicke der Scheiben das Gesamtvolumen relativ klein ausfällt. Und die Technik an sich ist seit Langem etabliert." Die Löcher werden später mit Dichtungen versehen, damit das Wasser nicht gleich wieder nach oben spritzt.

Bewährte Sägetechnik

Mit der gleichen Seilsägemethode trennen die Techniker anschließend auch den Boden des Zylinders ab; noch vorhandene Verbindungsstege im Gestein reißen ab, wenn sich der Felsblock durch das zulaufende Wasser hebt. "Ein Überdruck von 20 bis 50 Bar reicht schon aus, um den Zylinder zu heben. Unsere Pumpen erreichen bis zu 200 Bar. Gleichzeitig besitzen sie extrem hohe Wirkungsgrade, so dass wir am Ende 80 Prozent der zugeführten Energie auch wieder nutzen und in Strom umwandeln können", denkt der Forscher. Bis zu 500 Meter hoch soll sich so ein Block dann heben lassen.

Aussägen des Hubkolbens
Bildzoom Aussägen des Hubkolbens
Mit Hilfe von Sägeseilen wird der Granitzylinder aus dem umgebenden Deckgebirge gesägt und freigestellt – eine bewährte Technik.
Um zu verhindern, dass bei einem plötzlichen Druckabfall das Wasser aus der Tiefe sintflutartig herausschießt, greifen verschiedene Sicherheitssysteme, dämpft Eduard Heindl Sorgen: "Wir haben verschiedene Schieber und Ventile, die einen unkontrollierten Wasseraustritt verhindern sollen. Und selbst bei einem kompletten Versagen der Technik würde nur einige 100 Kubikmeter pro Sekunde herausströmen – das entspricht einem kräftigen Gebirgsbach." Der Zylinder selbst würde ohnehin immer nur bis zur Hälfte seiner Gesamthöhe ausgefahren.

Bei maximaler Auslastung kann ein derartiger hydraulischer Lageenergiespeicher dann etwa 13 Gigawattstunden an Leistung speichern, wenn der Zylinderdurchmesser rund 150 Meter beträgt und der mobile Berg voll ausgefahren wird – das entspricht der Kapazität des Schluchseekraftwerks. Erweitert man den Radius auf 500 Meter, wären sogar mehr als 1600 Gigawattstunden im Bereich des Möglichen: So viel wird in Deutschland täglich brutto an Strom produziert.

Zwei Speicher für ganz Deutschland

Schon zwei Speicherkraftwerke dieses Typus genügten nach den Berechnungen Heindls, um die Bundesrepublik unabhängig von fossilen Energieträgern zu machen und gleichzeitig problemfrei mit Sonnen- und Windenergie zu versorgen. Eines sollte im Harz stehen, um die Windkraft von der Küste zu speichern, das andere im Schwarzwald, in dessen Umfeld Solarstrom in größeren Mengen erzeugbar ist. Damit würde auch ein Teil der Fernleitungen überflüssig, die momentan noch fehlen, aber zukünftig den im Übermaß produzierten Strom durch Windkraft an der Küste zu den Ballungszentren im Süden leiten sollen.

Die Gesamtkosten für einen derart großen Speicher lägen den Kalkulationen nach bei rund 400 Millionen Euro beziehungsweise 24 Cent pro Kilowattstunde – deutlich weniger als die Investitionskosten bei herkömmlichen Technologien: Sie betragen 20 Euro pro Kilowattstunde. Verglichen mit den normalen Pumpspeicherkraftwerken leidet auch die Natur weniger, da nichts überflutet werden muss und die Vegetation auf dem Zylinder erhalten bleibt. Stammte das Wasser für die Hubarbeit zum Beispiel aus dem Bodensee, würde sich der Seespiegel bei maximaler Auslastung etwa einen Meter senken, was sich im Rahmen natürlicher Pegelschwankungen bewegt.

Das menschliche Auge müsste sich allerdings daran gewöhnen, dass sich immer wieder ein Berg hebt und senkt. Bei seinen Vorträgen schlägt Heindl allerdings meist Begeisterung statt Skepsis entgegen: "Wir haben schon Anfragen bekommen, ob man denn ein Grundstück oben auf dem Zylinder für ein Hotel erwerben könnte. Und selbst wenn wir nur 50 Meter hoch ausfahren würden, kämen wir auf ein Mehrfaches der Speicherkapazität des Schluchsees. Diese Höhen würden das Landschaftsbild wohl kaum stören."