Können stillgelegte Bergwerke zu grünen Stromerzeugern werden?

Roman Sidortsov (links) und Timothy Scarlett beraten sich über einer historische Karte eines Minengeländes.

CO2-freie Energie auf Abruf: Unterirdische Bergwerke könnten leicht in Energiespeicher umgewandelt werden, so ein neuer Bericht. Ein Gastartikel von Sarah Derouin, AUG's Eos Magazine.

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Übersetzung Sarah-Indra Jungblut, 12.10.22

Von den 1800er Jahren bis Mitte des 20. Jahrhunderts war die Upper Peninsula in Michigan ein Segen für den Bergbau, Kupfer und Eisen wurden tonnenweise abgebaut. Allein im Jahr 1916 wurden 121 Millionen Kilogramm Kupfer aus den Minen in Michigan gefördert.

Noch immer gibt es mehr als 2.000 Schächte aus 800 Minen, die sich über acht Countys erstrecken, aber heute ist der Bergbau in der Region fast zum Erliegen gekommen. Diese Minen haben nicht nur ein historisches Erbe hinterlassen, sondern auch eine Reihe von Umweltproblemen: Viele der Minen sind Industriebrachen mit Problemen bei der Wasserqualität.

Die stillgelegten Minen könnten jedoch wiederbelebt werden – als Energiespeicher. In einem neuen Bericht, der vom Keweenaw Energy Transition Lab an der Michigan Technological University (MTU) veröffentlicht wurde, untersuchten die Forschenden die Möglichkeiten und Hindernisse für die Umwidmung eines stillgelegten Bergwerks in eine unterirdische Pumpspeicherkraftanlage (PSW), eine Variante der herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerke.

Anhand einer Fallstudie stellten die Forschenden fest, dass ein PSW-System eine rentable und langlebige Energiespeicher- und -erzeugungsanlage sein könnte. Zudem fanden sie heraus, dass die Errichtung von PWS-Anlagen in stillgelegten Bergwerken generell positive Auswirkungen auf Umwelt, Wirtschaft und Gesellschaft hat. Und PWS sei nicht nur für die Bergwerke in Michigan geeignet – das Team fand fast 1.000 PWS-geeignete Standorte in 15 Bundesstaaten.

Ein Blick auf die Energiespeicherung

Eine PWS-Anlage ist im Wesentlichen ein herkömmliches Pumpspeicherkraftwerk, das in den Untergrund verlegt wird. Dazu wird ein Wasserreservoir an oder nahe der Oberfläche angelegt, das Wasser fällt in ein tiefer gelegenes Reservoir, und eine Turbine erzeugt Strom. Danach wird das Wasser zurück in das obere Reservoir gepumpt, und der Zyklus beginnt von vorn.

Das obere Reservoir eines unterirdischen Pumpspeicherkraftwerks kann an der Oberfläche oder unterirdisch installiert werden.

Die Idee, Pumpspeicherkraftwerke unter Tage zu verlegen, ist nicht neu. Aber die MTU-Professoren und Mitverfasser des Berichts Roman Sidortsov, ein Forscher auf dem Gebiet der Energiepolitik, und Timothy Scarlett, ein Industriearchäologe, wollten den Einsatz von PWS in einem bestehenden Bergwerk untersuchen.

Dazu haben Sidortsov, Scarlett und ihr Team einen interdisziplinären Ansatz verfolgt und den Bau einer PWS-Anlage von Anfang bis Ende untersucht. Berücksichtigt wurden dabei technische, wirtschaftliche, rechtliche und regulatorische Aspekte sowie Fragen der Wasserqualität, des sozialen Umfelds und des gesellschaftlichen Engagements.

Als Fallstudie wurde die Eisenmine Mather B in Negaunee, Michigan, ausgewählt. Der Standort, die Geologie und die Minenkonfiguration schienen eine gute Wahl für den Test zu sein.“Wir haben uns für Hartgestein-Minen [für PWS] entschieden“, sagte Scarlett. „Die Geologie von Kohlebergwerken eignet sich nicht besonders gut für große unterirdische Freiflächen, die mit Wasser gefüllt und entwässert werden. Sie sind nicht sehr stabil.“

Sidortsov erklärte, dass man bei der Wahl der wirtschaftlichen und technischen Optionen auf Nummer sicher gegangen sei: „Alles, was wir schätzen mussten, basiert auf den bereits vorhandenen Technologie und Strukturen – es sind praktisch keine neuen Arbeiten im Sinne eines Umbaus der Mine oder zusätzlicher Sprengungen nötig.“

Auch bei den Einnahmeprognosen war das Team vorsichtig. So wurden beispielsweise nur die Einnahmen aus dem Kauf und Verkauf von Strom auf dem Markt geschätzt, aber es wurde darauf hingewiesen, dass es noch andere Dienstleistungen gibt, mit denen man Geld verdienen könnte. Dazu gehört die Möglichkeit, das Energienetz nach einem Stromausfall wieder in Betrieb zu nehmen. Wenn das Stromnetz unterversorgt ist oder es zu erheblichen Stromausfällen kommt, kann PWS einspringen. „Man dreht den Wasserhahn auf und die Lichter gehen wieder an“, so Sidortsov.

Die PWS-Technologie könnte auch dazu beitragen, Netzschwankungen auszugleichen und Energie während einer Naturkatastrophe bereitzustellen – wichtige Funktionen, die nicht direkt monetarisiert wurden. „Diese anderen Einnahmequellen werden den PWS-Entwicklern die Sache versüßen, je nachdem, wie die Politik den Markt für Energiespeicherung und Netzdienstleistungen in Zukunft gestalten wird“, so Scarlett.

Scott DeNeale, ein Ingenieur für Wasserressourcen beim Oak Ridge National Laboratory ist sicher, dass die Studie eine Analyse des theoretischen Energiepotenzials für eine ausgewählte Anzahl von Untertagebergwerken liefert. Allerdings: „Angesichts des nationalen Umfangs der Analyse und der begrenzten Datenlage werden die technischen Beschränkungen für die Entwicklung nicht vollständig berücksichtigt.“

Die Beschränkung der PWS-Technologie auf Metallminen lässt auch das Potenzial für die Energiespeicherung an anderen Minenstandorten außer Acht, so DeNeale. „Eine Analyse der Minendaten der Mine Safety and Health Administration zeigt zum Beispiel, dass von den über 17.000 unterirdischen Minen, die untersucht wurden, etwa 84 Prozent Kohleminen sind“.

Doch trotz dieser Einschränkungen bietet die Studie einen wertvollen Rahmen für die Bewertung der Entwicklung von unterirdischen Pumpspeicherkraftwerken in Minengebieten. „Die Studie erkennt auch an, dass Datenbeschränkungen eine wichtige Einschränkung für diese Art der Analyse des Ressourcenpotenzials darstellen“, so DeNeale.

Der Push für saubere Energie

Ursprüngliches Ziel der Fallstudie war es, herauszufinden, ob der Bau eines PWS-Systems technisch und finanziell machbar ist. Aber auch die Nebeneffekte der Installation eines PWS-Systems in einem Bergwerk sind für die Gemeinde und die Umwelt wichtig.

„Diese Maßnahmen, über die wir mit PWS sprechen, können uns helfen, Ungerechtigkeiten der Vergangenheit zu beseitigen“, sagte Scarlett. Er wies darauf hin, dass ehemalige Bergbaugemeinden nach der Schließung des Bergbaus wirtschaftlich, ökologisch und demografisch gefährdet sind. Wenn die Minen einem neuen Zweck zugeführt werden, kann dies zur Wiederbelebung dieser Gemeinden beitragen.

„Der Einsatz von Pumpspeicherkraftwerken auf dem Gelände von Bergwerken stellt eine einzigartige Möglichkeit dar, bereits zerstörtes Land zu nutzen, das sich oft nicht für andere Formen der Landnutzung eignet, und bietet positive Möglichkeiten für die Entwicklung von Gemeinden nach dem Bergbau, einschließlich der Beschäftigung im Energiesektor“, so DeNeale.

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Bei der Installation müssen jedoch nicht nur Umweltfragen berücksichtigt werden. „Man hat es hier mit einer Art Frankenstein zu tun, denn es ist nicht nur eine Sache, sondern viele“, stellt Sidortsov fest.

Das Besondere an PWS ist, dass man sich sein Abenteuer selbst aussuchen kann, so Scarlett. „Jede dieser [Anlagen] kann anders sein: Wenn Sie ein riesiger Industriebetrieb mit einem großen Fabrikgelände wären oder das Verteidigungsministerium auf einem großen Militärstützpunkt, und Sie wollten ein sicheres Energiespeichersystem, dann ist dies die Art von Sache, die Sie in großem Maßstab bauen könnten.

Die Forscher stellten fest, dass PWS das Potenzial hat, ein wichtiger Akteur bei der Erzeugung sauberer und unabhängiger Energie zu werden. „Man muss keine neuen Löcher in den Boden graben, man muss sich nicht an fragwürdige Orte begeben oder in einen Handelskrieg verwickeln, um den Preis kritischer Elemente für seine Batterien zu beeinflussen“, so Sidortsov. „Wenn Sie Ihre Energiesicherheitspolitik mit Ihrer Dekarbonisierungspolitik, Ihrer wirtschaftlichen Entwicklungspolitik [und] Ihrer Umweltpolitik in Einklang bringen, ist PWS eine großartige Lösung.“

Dieser Artikel von AGU’s Eos Magazine wird hier im Rahmen der globalen journalistischen Zusammenarbeit Covering Climate Now veröffentlicht.

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