3. Konstruktionsmerkmale des Pumpspeicherwerks

Das untertägige Pumpspeicherwerk besteht aus einem oberen Speicherringsystem, mit mehreren Speicherringen, deren Durchmesser mehrere Hundert oder mehrere Tausend Meter betragen können. Des Weiteren besteht das Pumpspeicherwerk aus einem Sammler durch dem das Wasser, bei geöffneten Fallrohren, aus den oberen Speicherringen, durch das Maschinenhaus, zum Verteiler und von dort über mehrere Fallrohre zu dem unteren Speicherringsystem, mit mehreren Speicherringen, strömt. Die Speicherringe im unteren Speicherringsystem sind im Durchmesser und im Volumen so groß wie die Speicherringe im oberen Speicherringsystem. Über das Pumpenhaus wird aus den unteren Speicherringen das Wasser zu den oberen Speicherringen gepumpt.

Beim Aufschließen des Bergwerks kann ein temporäres Oberbecken zur Speicherung für das anfallende Grubenwasser gebaut werden. Nach der Fertigstellung der oberen Speicherringe werden diese mit Wasser gefüllt und anschließend wird das Oberbecken zurückgebaut.

4. Einsatzgebiet des Pumpspeicherwerks

Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicherwerk, das unabhängig vom Standort Energie speichern kann. Das bedeutet das der Bau von Pumpspeicherwerken, abhängig von der Geologie des Untergrundes, im Flachland oder im Gebirge, ohne die dauerhaften oberirdischen Ober- und Unterspeicherbecken errichtet werden kann. Der Bau eines Pumpspeicherwerks, mit einem Oberbecken sowie mit einem Unterbecken, bedeutet meistens einen nicht unerheblichen Eingriff in die Natur und in die Landschaft. Daher werden bei der Bewertung möglicher Standorte zahlreiche Kriterien des Umwelt- und Naturschutzes berücksichtigt, um die potenziell für Pumpspeicherwerke geeigneten Standorte im Land zu finden und die eine möglichst geringe Konfliktintensität mit den Anwohnern aufweisen. Unabhängig von der Landschaftsform ist die zentrale Voraussetzung für den Bau eines Pumpspeicherwerks eine möglichst große Höhendifferenz zwischen dem oberen Speichersystem und dem Maschinenhaus. Der Speicherbedarf ist dabei abhängig von der Leistung des Pumpspeicherwerks und ergibt sich aus dem Querschnitt der Speicherringe, dem Durchmesser der Speicherringe sowie der Höhendifferenz zwischen dem oberen Speichersystem und dem Maschinenhaus.

5. Vermarktungswert

Pumpspeicherwerke bieten eine Möglichkeit, den nachts oder zu Absatz schwachen Tageszeiten ins Netz eingespeisten Strom, der zu vergleichsweise günstigen Preisen verfügbar ist, zeitlich versetzt, in deutlich teurer absetzbaren Strom für Bedarfsspitzen umzuwandeln. Der Verkaufspreis bei diesem Geschäft kann ein vielfaches des Einkaufspreises betragen, was den Betrieb von Pumpspeicherwerken wirtschaftlich sinnvoll macht.

Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energie im Zuge der Energiewende hat sich das Betriebsmuster von Pumpspeicherkraftwerken deutlich gewandelt. Insbesondere im Sommer, wenn die Fotovoltaik tagsüber große Mengen elektrischer Energie ins Netz speist, wird die Mittagsspitze und häufig auch große Teile der Mittellast von Fotovoltaikanlagen gedeckt, sodass sich die Betriebszeiten von Pumpspeicherwerken stärker in die Morgen- und Abendstunden verschieben. Gleichzeitig führt der Ausbau von Wind- und Solarenergie langfristig zu einem zunehmenden Speicherbedarf, um die volatile Erzeugung ausgleichen zu können.

Zudem wird durch den Ausbau der Elektromobilität die Infrastruktur zum Speichern von elektrischer Energie stark zunehmen. Außerdem ist das Verhalten der Verbraucher beim Laden der Elektroautos noch nicht vorhersehbar und man weiß nicht, zu welcher Tageszeit die Lastspitzen auftreten. Daher wird in Zukunft mit einer steigenden Bedeutung von Speicherkraftwerken, darunter auch Pumpspeicherkraftwerken gerechnet.

Das Pumpspeicherwerk ist bei einem vollen Ausbau mit mehreren Speichersystemen und mit den Speicherringen im Betrieb sehr flexibel. Bei einem Ausfall eines Speicherringes, z. B.bei einer Revision, können die anderen Speicherringe weiter arbeiten und somit einen Umsatz erwirtschaften.

Bei einem Ausbau der Speicherringe mit einem inneren Querschnitt von sieben Meter, einem Radius der Speicherringe von fünf Kilometer und einer Fallhöhe von 530 Meter, z. B bei einer Anzahl von zwei oberen Speicherringe, wird eine Speicherleistung von annähernd 1,5 GWh erreicht. Durch eine große Anzahl von Speicherringen kann das Pumpspeicherwerk in der Speicherkapazität stark erweitert werden.

Untertage gibt es keine Begrenzung für den Ausbau des Pumpspeicherwerks.

6. Vermarktung

Das untertägige Pumpspeicherwerk ist auch in Ländern einsetzbar mit einem, auch in Zukunft, hohen Einsatz von Grundlastwerken. Hierbei dient es zur besseren Auslastung von Kernkraftwerken, Braun- und Steinkohlekraftwerken.

Des Weiteren kann das Pumpspeicherwerk in einer oberirdischen Variante an einem biegesteifen Rahmen befestigt werden. Dabei wird das Pumpspeicherwerk in Großbetrieben mit hohem Stromverbrauch eingesetzt, z. B. in der Chemieindustrie, in der Autoindustrie und in der Hüttenindustrie.

Ein weiterer vorstellbarer Einsatz wäre der Aufbau in den Landschaften, wie z. B. in den Wüstengebieten in denen Rohstoffe abgebaut werden, in denen eine hohe Anzahl von Sonnenkollektoren tagsüber den Stromverbrauch abdecken und mit dem Stromüberschuss das Pumpspeicherwerk betreiben, um nachts die Stromversorgung zu sichern.

7. Kostenanalyse

Pumpspeicherwerke dieser Art, deren Speichersysteme untertägig angeordnet sind, wurden bisher im industriellen Maßstab noch nicht realisiert, sodass für diesen Anwendungsfall auf keine Erfahrungswerte zurückgegriffen werden kann. Für den Standort des Bergwerks Prosper – Haniel wurde eine Machbarkeitsstudie in Auftrag gegeben, ob ein Pumpspeicherwerk an dem Standort wirtschaftlich betrieben werden kann. Im Gegensatz zu dem eingereichten Patent besitzt das Pumpspeicherwerk in Bottrop ein oberirdisches Speicherbecken und einen untertägigen Speicherring.

Parameter des Pumpspeicherwerks Prosper-Haniel

lt. Machbarkeitsstudie*

Auszug aus der Zeitschrift: Mining Report Glückauf 154 (2018) Nr. 3*

Speicherkapazität elektrisch: 750 MWh

Entladedauer: 3,75 Std.

Speicherkapazität Wasser: 575.000 m³

Fallhöhe: ca. 530 m

Länge Ringspeicher: 15,5 km

Innendurchmesser Ringspeicher: 7 m

Investitionskosten: 650 Mio. Euro, 3 Maschinensätze a 67 MW,

davon sind die Tunnelbaukosten: ca. 359 Mio. Euro

Betriebskosten: ca. 7 Mio. Euro/a.

Die Realisierung des untertägigen Pumpspeicherwerks ist technisch anspruchsvoll, dafür wird wegen der geringeren oberirdischen Flächeninanspruchnahme eine größere gesellschaftliche Akzeptanz erwartet. Zudem wird die bergmännische Technik in Europa weiterentwickelt.

Autoren*

Prof. Dr.-Ing. André Niemann und Jan Peter Balmes M. Eng.,

Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft,

Prof. Dr. rer. nat. Ulrich Schreiber,

Fachgebiet Geologie, Universität Duisburg-Essen

Prof. Dr.-Ing. Hermann-Josef Wagner,

Lehrstuhl Energiesysteme und Energiewirtschaft (LEE), Ruhr-Universität Bochum

Dipl.-Ing. Tobias Friedrich, DMT GmbH & Co. KG, Essen