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25. Februar 2017 00:00 Uhr

Energie statt Kohle

Pumpspeicherkraftwerke in alten Kohlezechen: geht das?

In Duisburg wird erforscht, wie sich Pumpspeicherkraftwerke in stillgelegten Kohlezechen bauen lassen. Die wichtigsten technischen Fragen haben die Forscher inzwischen geklärt.

  1. André Niemann Foto: Frank Preuss

  2. Im Modell ein unterirdisches Pumpspeicherwerk Foto: Grafik: BZ-RE/Quelle: Universität Duisburg-Essen

Was Erzeugung und Speicherung von elektrischer Energie angeht, sind Bergländer wie die Schweiz, Österreich oder Norwegen klar im Vorteil. Denn sie können einen großen Teil ihres Elektrizitätsbedarfs über die nachhaltige Wasserkraft decken. Solche Kraftwerke haben in höheren Regionen meist einen Speichersee, aus dem bei Bedarf das Wasser durch mächtige Rohrleitungen in die Tiefe schießt und dort über eine Turbine und einen Generator elektrischen Strom produziert.

Verbleibt anschließend im Tal das Wasser in einem weiteren Stausee, fließt also nicht über Flüsse oder Bäche ab, kann daraus zusammen mit dem oberen See ein großer Speicher für elektrischen Strom entstehen. Erzeugen zum Beispiel Windkraftwerke mehr Elektrizität, als gerade im Netz gebraucht wird, treibt der überschüssige Strom Pumpen an, die über die vorhandenen Rohrleitungen das Wasser wieder in das obere Becken zurückdrücken. Solche Energiespeicherung geschieht heute schon am Schluchsee im Schwarzwald und soll in Zukunft über dem Hochrhein in Atdorf geschehen, kommen die Investoren dort mit ihren Plänen zum Zug.

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Wird in Spitzenzeiten viel Elektrizität gebraucht, fließt im Pumpspeicherkraftwerk das Wasser wieder nach unten und liefert dort den zusätzlich benötigten Strom. Gerade wenn Angebot und Nachfrage nach Elektrizität auseinanderklaffen, sind solche Energiereserven für die zuverlässige Versorgung mit Strom sehr wichtig.

Untertage löst sich manches Problem

Allerdings haben sie zwei gravierende Nachteile: In den Bergen wehren sich Bürger und Naturschützer, wie das Beispiel Atdorf, aber auch die Konzessionserneuerung für den Schluchsee zeigt, oft gegen derartige Speicherseen. Denn sie fluten Landschaft und Natur, und deren Wasserreservoir wird nach den Regeln der Stromwortschaft und nicht nach denen der anderen Anlieger oder Touristen genutzt. Außerhalb der Gebirge fehlen einfach die beträchtlichen Höhenunterschiede auf kurze Distanz, die für den nötigen Wasserdruck sorgen.

Solche Probleme löst ein Wasserbau-Ingenieur wie André Niemann vom Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft an der Universität Duisburg-Essen mitten im Ruhrgebiet zumindest in der Theorie recht einfach: "Den unteren Speichersee mitsamt Pumpen, Turbinen und Generatoren können wir ja auch tief unter die Erde verlegen", erklärt der Wissenschaftler. An der Oberfläche sieht man dann nur noch das obere Becken und ein Betriebsgebäude, was nach seiner Ansicht die Akzeptanz eines derartigen Projekts in der Bevölkerung deutlich steigern sollte. Das Ganze hat dennoch einen entscheidenden Nachteil: Untertage-Speicherkraftwerke sind, verglichen mit den oberirdischen Seen, teuer, wollte man eigens zu diesem Zweck in die Tiefe gehen.

Aber auch dazu liefert André Niemann eine faszinierende Möglichkeit, den Preis zu drücken – indem man unter Tage vorhandene Schächte und Stollen der Montanindustrie übernimmt.

Im Jahr 2018 schließt in Deutschland die letzte Steinkohlezeche. Um an die zum Teil weit mehr als 1000 Meter unter der Oberfläche liegenden Flöze heranzukommen, haben die Zechen im Ruhrgebiet und im Saarland mit enormen Kosten tiefe Schächte bis in diese Tiefen gegraben. Solche Anlagen können für ein Pumpspeicherwerk unter Tage weiter genutzt werden, weil es für Bau und Betrieb ähnliche Schächte benötigt. Gleichzeitig könnten Unternehmen des Steinkohlebergbaus viel Geld sparen, weil sie ihre Schächte nach dem Schließen einer Zeche nicht mehr wie bisher aufwändig verfüllen oder überwachsen müssten.

Kann man womöglich weitere Teile der Kohlezechen für die Pumpspeicher-Kraftwerke unter Tage weiter nutzen? Wie sollten die Anlagen unter Tage überhaupt aussehen, wie baut man sie am besten? Genau diese Fragen haben André Niemann und zehn Partner von der Universität Duisburg-Essen, der Ruhruniversität Bochum, vom Bergbaudienstleister DMT und vor allem natürlich vom Betreiber des Bergbaus im Ruhrgebiet, der RAG (ehemals Ruhrkohle AG) in einem von der Europäischen Union und dem Land Nordrhein-Westfalen geförderten Projekt unter die Lupe genommen.

Das Herz einer solchen Pumpspeicheranlage ist das Maschinenhaus am unteren Speicher. Unter Tage plant André Niemann dafür eine Kaverne, die bis zu hundert Meter lang, 20 bis 30 Meter breit und 30 bis 50 Meter hoch ist. Von einem Speichersee an der Oberfläche münden Druckrohre in diesen Riesenstollen, der in 600 Meter Tiefe geplant ist. Mit einem unvorstellbaren Druck von 60 bar, also dem sechzigfachen des Luftdrucks auf dem Meer, treibt das Wasser dann die mächtigen Turbinen an. Diese geben die Energie an Generatoren weiter, die den Strom erzeugen.

Eine so große Kaverne lässt sich nicht auf einen Schlag errichten, weil der Druck des darüber liegenden Gebirges sie zusammenquetschen würde, ehe sie mit einer bis zu zwei Meter dicken Betonschale an den Wänden stabilisiert wäre. Daher bauen die Ingenieure erst einmal kleinere Hohlräume, die dem Gebirgsdruck standhalten. Diese kleiden die Arbeiter mit Beton aus, stützen sie ab und beginnen danach an ihrem Rand einen weiteren Bereich des Gebirges auszuhöhlen. Auf diese Weise erweitern sie den Hohlraum Stück für Stück, bis am Ende die riesige Kaverne mit ihrer zwei Meter dicken Betonschale fertig ist, die ein wenig einer Kathedrale unter der Erde ähnelt.

Für das untere Speicherbecken kommen die ausgebeuteten Kohleflöze selbst nicht in Frage. "Dort ist das Gestein zu unruhig, mit der Zeit fallen die ausgeleerten Flöze in sich zusammen", erklärt André Niemann. Stattdessen planen die Ingenieure neue Speicher. Und die dürften ziemlich groß werden. Zwar ist der Druck bei einem Höhenunterschied von 600 Metern sehr hoch und die Wasserbauer können viel Energie in relativ kleinen Wassermengen speichern.

Dennoch geht es um 600 Millionen Liter und damit die Füllung von vier Millionen Badewannen Speichervolumen, die André Niemann für Pumpspeicherkraftwerk mit einer Leistung von 250 Megawatt einplant. Nicht viel, wenn man bedenkt, dass der Schluchsee, zum Vergleich, eine fast 2000 Mal größere Speichermenge bietet.

Die Baukosten für diese Kaverne unter Tage sind aber extrem hoch, deshalb haben Niemann und seine Kollegen diesen Plan fallen lassen. Stattdessen planen die Ingenieure nun einen zwölf Kilometer langen unterirdischen Ring mit einem Durchmesser von acht Metern, den sie viel besser als eine gigantische Höhle stabilisieren können. Dafür gibt es bereits einschlägige Erfahrungen – die langen Transportstrecken der Kohlezechen im Ruhrgebiet, die allein im Bergwerk Prosper-Haniel in Bottrop – die letzte noch aktive Zeche im Ruhrgebiet – mehr als 120 Kilometer lang sind.

Errichtet werden diese Röhren mit den gleichen Maschinen, die seit langem Tunnel für U-Bahnen, Eisenbahnen oder Straßen bohren. Schon beim Bau kleiden diese gigantischen Apparate von der Länge eines Eisenbahnzuges die Wände nach dem Bohren mit tonnenschweren Betonsteinen aus, die "Tübbing" genannt werden – eine Technik, mit der auch die Schwanauer Firma Herrenknecht weltweit Erfolg hat.

Die wichtigsten technischen Fragen haben die Duisburger Forscher inzwischen geklärt. So schlagen sie vor, das Bergwerk Prosper-Haniel für das erste 250- Megawatt-Pumpspeicherkraftwerk zu nutzen. Nicht nur, weil im Jahr 2018 die Bergleute dort zur letzten Schicht in Deutschland einfahren werden. Sondern auch weil Prosper-Haniel einen schrägen Schacht hat, in dem größere Geräte wie in einem steilen Straßentunnel in die Tiefe gefahren werden können.

Die Ingenieure haben die Weichen für Pumpspeicher-Kraftwerke unter Tage also gestellt. Ihr Vorteil: Sie sitzen mitten in Industrierevieren, also nah am Abnehmer ihrer Energie. Sollten sie sich bewähren, können solche unterirdischen Speicher für elektrischen Strom in geeignetem Gestein natürlich auch ohne Bergbau-Folgenutzung komplett neu gebaut werden.

Autor: Roland Knauer