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3 | 2012

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Technik &Management

Technik &Management Wasser/Abwasser Schematischer Aufbau eines Unterflurpumpspeicherwerks. Pumpspeicherwerk –einemögliche Folgenutzung für Bergwerke? Theoretisch könnten die Hohlräume und Höhenunterschiede stillgelegter Bergwerke für die Installation von unterirdischen Pumpspeicherwerken genutzt werden. Bevor diese für die Netzstabilität vorteilhaften Energiespeicher jedoch gebaut werden können, sind noch viele Fragen zu klären. André Niemann und Ulrich Schreiber Die politisch gewollte Umstellung derEnergieerzeugungauf regenerativeQuellenmacht es schwierig, bei unregelmäßig anfallenden Strommengen die Netzstabilität zu gewährleisten. Die Netzstudie I der Deutschen Energie- Agentur (dena) aus demJahr 2005weist bis 2020 einen Speicherbedarf für knapp 14Gigawatt überschüssige Leistung aus. Die danach beschlossene Energiewende und der Beschluss zum massiv forcierten Ausbau der Erneuerbaren Energien werden diesen Bedarf weiter erhöhen. Dabei ist das Problem der Speicherung selbst jedochungelöst. Dringend gefordert sind Energiespeicher, die mit einem hohen Wirkungsgrad ausreichende Quantitäten unter wirtschaftlichen Bedingungen bereitstellenkönnen. Bewährt haben sich Pumpspeicherwerke inRegionen mit ausreichenden Höhenunterschieden.Sie zeichnensich durch langeLebensdauer und hohe Effizienz aus. Alle verwendeten Technikkomponenten sind langjährig etabliert und ausgereift. Den Vorteilen stehen ein hoher Flächenverbrauch und in Deutschland nur begrenzte Ausbaumöglichkeiten mit zum Teil erheblichen Akzeptanzproblemengegenüber. Anders liegen die Verhältnisse bei Pumpspeicherwerken, die die Hohlräume und Höhenunterschiede stillgelegter Bergwerke nutzen. Damit einher gehenjedocheine Reihe offener Fragen, wie zum Beispiel nach den erforderlichen technischen Lösungen, der dauerhaften Standsicherheit sowie den Maßnahmen zur Gewährleistung der Arbeits- und Betriebssicherheit solcher Anlagen. Auch die rechtlichen Rahmenbedingungen sindungeklärt. Energieausbeute aus bis zu 1200 mFallhöhe Mit demBau vonUnterflurpumpspeicherwerken (UPW) inden Steinkohlebergwerken des Ruhrgebiets kann eine wirtschaftliche Folgenutzung der Anlagen erreicht werden, indie über lange Zeit erhebliche Investitionen geflossen sind. Der Flächenverbrauch ist hierfür vergleichbar gering. Mit dem Auslaufen des Steinkohlebergbaus imJahr 2018 werden in den untertägigen Schachtanlagen Hohlräume von mehreren Millionen Kubikmetern zurückgelassen. Ein nicht unerheblicher Teil von ihnen lässt sich grundsätzlich für UPW dauerhaft einsetzen.Interessantist vorallemdie Fallhöhe, die je nach Standort mehr als 1200 mbeträgt.Daraus resultiert einerhebliches energetisches Potenzial, das bereits für mittlere Speichervolumina effektiv genutztwerdenkönnte. 38 UmweltMagazin März 2012

Geschlossenes System Offenes System Kombinationssystem Leistungsabschätzungen für verschiedene Systemkonfigurationen System- für konfigurationen Pumpspeich er- kraftwerke unter Tage Beispiel: Teilstreckennutzung Beispiel: Bergwerksweite NutzungN Beispiel: Bergwerksübergreifende Nutzung Unterer Speicher: Fallhöhe: Ausbaudurchfluss: Leistung: Gesamtleistung (2 500 h/a) Schachtanlage Augustee Viktoria, Marl 100000 m³ 1200m 2,3 m³/s 17 MW 42,5 GWh/a Bergwerkk Prosper-Han niel, Bottrop 480000 m³ m 800 m 11 m³/s 56 MW 140 GWh/ /a Nutzung der Gesamtwasserhaltung im Ruhrgebiet 3000000 m³ 800 m 70 m³/s 355 MW 890 GWh/a Grafik/Tabelle: Universität Duisburg-Essen Derartige Anlagen sind weltweit bislang nicht realisiert worden.Esist daher erforderlich, die technische Machbarkeit, die Wirtschaftlichkeit sowie den Beitrag,den derartige Anlagen zurEnergielandschaft der Zukunft beitragen können, zu ermitteln. Diesen Fragengehen aktuell die Universität Duisburg- Essenund die Ruhr-Universität Bochum in einer interdisziplinären Forschergruppe gemeinsam mit dem Bergbaubetreiber RAGAGnach. Das grundsätzliche technologische Konzeptsieht die Nutzung derStrecken und HohlräumeunterTage als Speicher vor. Die Schächte werden für die Aufnahmedes Druckschachtes, derVersorgungs- und Stromleitungen sowie für die Be- und Entlüftung eingesetzt. Das Oberbecken kann im näheren Umfeld der Schachtanlagen auf den übertägigen Bergwerksflächen angeordnet werden. Bestehende Hebeanlagen und neue Pumpturbinenladenden Speicher auf,indemsie in Zeitenvon Stromüberangebot das Wasser aus der Tiefe indie oberen Reservoirefördern. Offene und geschlossene Konfiguration möglich Grundsätzlich lassen sich verschiedene UPW-Ausbauvarianten unterscheiden. Beim geschlossenen System werden die bestehenden tunnelartigen Strecken ertüchtigt, ausgebaut und abgedichtet. In diesem Fall gibt es keinen Kontakt zum Gebirgswasser. Das Gebirgs- und dasBetriebswasserwerdenin getrennten Systemen gehoben. Durch Zusammenschalten mehrerer Standorte zu einemVerbundvergrößernsich Volumen und Flexibilität in der Bereitstellung vonStrom. Beim offenen System wird das geschlossene System auch auf die Hohlräume,die im Gebirge durchden Kohleabbau entstanden sind, erweitert. Hierbei handeltessichumklüftige Bereiche, die sich durch das Nachbrechen des Deckgebirges imBergwerk gebildet haben.Der Vorteilergibtsichaus der deutlichen Erhöhung desSpeichervolumens im unteren Speicher.Erverfügt mitden Strecken über einenschnell zu befüllenden Teil und mit dem aufgelockerten Gebirge über einen langsam durchströmten Part. Esist nur ein Pumpsystemerforderlich, dasdas Betriebswasser zusammen mit dem Gebirgswasser hebt. Indieser Variante ist eine dauerhafte Versorgung mit Betriebswasser aus dem wasserwirtschaftlichen Umfeld erforderlich, wassie erheblichkomplexer macht. Aufgrund deruntertägigenAusbauerfordernisse kommen derartige Anlagen erst durch die optimale Nutzung der vorhandenen Infrastruktur inden Bereich der wirtschaftlichen Realisierbarkeit. Je effektiverund sorgfältiger eingepasst die Anlage ist, destowahrscheinlicher istdie Wirtschaftlichkeit. Speichervolumina für reale Standorte abschätzbar Die Analyseder Grubenbilderermöglicht es, Standorte und Speichervolumina abzuschätzen. Ein Beispiel für die mögliche Nutzung bestehender Infrastruktur ist der Standort „Prosper-Haniel“ inBottrop. Ein vorhandener, drei Kilometer langer, befahrbarer Schrägschachterlaubtden Transportschwerer Maschinen bis auf etwa 800 munterhalb des Geländes. Hierzu benachbart sind zwei weitere Schachtanlagen, die für Technik und Service ausgebaut werdenkönnten. GrößereFlächendes Bergwerksgeländes sind für den Bau eines Oberbeckens geeignet, ausreichende Wassermengen für eine Erstbefüllung und den dauerhaft erforderlichen Verlustausgleich stehen im Umfeld zurVerfügung. Die Anbindung an das Stromnetz ist indiesem industriell geprägten Ballungsraum problemlos möglich. Ausder laufendenStandortanalyseresultieren viele denkbare Anlagenkonfigurationen, die je nach Ausbaudurchfluss und Konfigurationender Anlagenteile Leistungen im Bereich von 20 Megawatt (MW) für kleine und kompakte Anlagen bis hin zu 400 bis 600 MWfür Anlagen imVerbund ermöglichen. Die Möglichkeiten, Risiken und Restriktionen werden aktuell mit Nachdruck untersucht. Prof. Dr.-Ing. André Niemann, Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der Universität Duisburg-Essen, andré.niemann@uni-due.de, Prof. Dr. Ulrich Schreiber, Fachgebiet Geologie, Universität Duisburg-Essen, ulrich.schreiber@uni-due.de UmweltMagazin März 2012 39

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