Wie man Kohlebergwerke in riesige, grüne Batterien verwandelt

In einem zukünftigen kohlenstoffarmen Stromnetz, das von intermittierender Wind- und Solarenergie dominiert wird, benötigen wir Technologien, um Energie zu speichern, wenn sie reichlich vorhanden ist, und sie wieder in das Netz einzuspeisen, wenn sie nicht vorhanden ist. Lithium-Ionen-Batterien und Pumpspeicherkraftwerke sind derzeit die Hauptlast dieser Energiespeicherung und dürften in Zukunft zusammen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen dominieren. Ein internationales Wissenschaftlerteam hat kürzlich eine weitere innovative und einfallsreiche Lösung vorgeschlagen, die die Umnutzung alter Minen beinhaltet: Underground Gravity Energy Storage (UGES). Sie skizzierten die Idee in der Zeitschrift Energies.

Bei UGES werden große Mengen Sand, die in Behältern gelagert sind, die an einem zentralen Kabel befestigt sind, in einen tiefen unterirdischen Schacht abgesenkt. Während der Sand allmählich absinkt, dreht das daran befestigte Kabel Rotoren, die verschiedene Generatoren antreiben und so Strom erzeugen. Der Prozess kann umgekehrt werden, um Energie zu speichern, wenn im Netz überschüssiger erneuerbarer Strom vorhanden ist. Der Sand wird bis zur Oberseite des Geräts angehoben und in Hügeln über dem Boden aufgeschüttet.

Was UGES von anderen Gravitationsenergiespeicherlösungen verschiedener Startups unterscheidet, ist der Standort. Die Forscher schlagen vor, UGES in zahlreichen verlassenen Minenschächten zu installieren.

„Es wird geschätzt, dass mindestens 50.000 davon in Australien existieren; über 550.000 wurden in den USA gefunden, darunter über 100.000, die ein erhebliches Umweltrisiko darstellen; und über 10.000 sind in Kanada bekannt“, schreiben die Autoren.

Sie schätzen das globale Energiespeicherpotenzial von UGES auf 7 bis 70 Terawattstunden (1 Terawatt = 1.000 Gigawatt). Zum Vergleich: Es entspricht der Energie, die in 87,5 bis 875 Millionen Batterien von Elektrofahrzeugen gespeichert ist. Ende 2021 waren weltweit nur 56 Gigawattstunden Energiespeicher online.

Die Leistungsabgabe von UGES – also die Menge, die es sofort ins Netz einspeisen kann – hängt in erster Linie von der Länge des unterirdischen Minenschachts und der Menge des verwendeten Sandes ab. Ein Projekt in einer alten Mine in nur 200 Metern Tiefe, bei dem 4 Millionen Tonnen Sand verwendet werden, könnte möglicherweise nur 10 Megawatt ins Netz einspeisen, genug, um vielleicht 5.000 bis 8.000 Haushalte mit Strom zu versorgen, während ein Projekt in einem 1000 Meter tiefen Schacht 40 Millionen Tonnen Sand verbraucht Tonnen Sand könnten bis zu 200 Megawatt erzeugen.

Ein tieferes Bergwerk würde nicht nur mehr Energie produzieren und speichern, sondern wäre auch kostengünstiger. Die Kosten für die Energiespeicherung schwanken bei UGES zwischen 1 und 10 US-Dollar pro Kilowattstunde, rechnen die Autoren, geradezu günstig im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien, die derzeit etwa 150 US-Dollar/kWh kosten. Die Batteriepreise sinken jedoch weiter, da sich die Chemie verbessert.

Die größten Nachteile von UGES sind sein beträchtlicher Sandverbrauch – ein scheinbar allgegenwärtiger Rohstoff, der später in diesem Jahrhundert tatsächlich knapp werden könnte – und seine bescheidene Leistungskapazität – also die Menge an Strom, die es gleichzeitig ins Netz einspeisen kann. Abhängig von der Menge des verwendeten Sandes und der Tiefe kann es auch Tage, Wochen oder sogar Monate dauern, bis eine UGES-Anlage vollständig „wiederaufgeladen“ ist, d. h. den Sand vom Boden des Schachts nach oben bewegt.

Auf der anderen Seite ist die Möglichkeit, Energie kostengünstig über Wochen, Monate oder sogar Jahre – oder vielleicht sogar auf unbestimmte Zeit – zu speichern, ein großes Plus. Sand verdunstet nicht wie Wasser aus einem Pumpspeicherkraftwerk und geht nicht verloren wie Energie, die sich langsam aus Batterien entlädt. Ein weiterer fantastischer Vorteil? UGES kann Kohlegemeinden wiederbeleben, da weltweit weiterhin Bergwerke geschlossen werden.

„Die Welt verändert ihr Energiesystem und halbiert die Kohleförderung für energiebezogene Zwecke“, schrieben die Forscher. „UGES kann den Menschen, die in den Minen und in der Gemeinde arbeiten, eine alternative Einnahmequelle bieten.“

Da Planer und politische Entscheidungsträger ein kohlenstofffreies Stromnetz aufbauen wollen, benötigen sie eine vielfältige Mischung aus Stromerzeugungs- und Energiespeicherlösungen, um die Stabilität zu maximieren und das Risiko von Stromausfällen zu minimieren. UGES könnte diese Zukunft durchaus berücksichtigen.