Warum Forscher alte Bergwerke in riesige Stromspeicher verwandeln wollen
Deutschland hat tausende stillgelegte Bergwerke. Theoretisch ließen sie sich in unterirdische Pumpspeicher verwandeln. Doch ein prominentes Projekt ist bereits gescheitert.
Stillgelegte Bergwerke könnten als unterirdische Pumpspeicher ein zweites Leben bekommen. Doch bislang wurde die Idee nirgendwo realisiert.
Foto: picture alliance / Zoonar | Ilja Enger-Tsizikov
Pumpspeicherkraftwerke (PSK) sind die wichtigste Technologie für Stromspeicherung. Laut der International Hydropower Association (IHA) sind weltweit knapp 200 GW installiert, mehr als alle Batteriespeicher zusammen. Doch die Technik hat einen Haken: PSK brauchen Berge, genauer: zwei Seen auf unterschiedlichen Höhen. Für Deutschland ist das ein Problem, denn gespeichert werden muss überschüssiger Strom aus Erneuerbaren Energien oft dort, wo er erzeugt wird: im Norden, Westen und Osten der Republik. Und die sind überwiegend flach.
Hier setzen Forscher mit einer Idee an, die so naheliegend klingt, dass man sich fragt, warum sie nicht längst umgesetzt ist: Statt das Wasser auf einen Berg zu pumpen, könnte man es in die Tiefe fallen lassen – in die Schächte und Stollen stillgelegter Bergwerke. Deutschland hat davon reichlich. Jetzt haben US-Forscher am Oak Ridge National Laboratory neue Modellierungswerkzeuge vorgestellt, die erstmals standortgenau bewerten sollen, ob eine alte Mine als Stromspeicher taugt. In Deutschland wurde das Thema schon früh diskutiert, doch gefruchtet hat bislang kein Versuch. Warum?
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Wie ein Pumpspeicherkraftwerk funktioniert
Das Prinzip ist schnell erklärt: Wird mehr Solar- oder Windstrom erzeugt als gerade gebraucht wird – etwa an einem windigen Nachmittag –, pumpt man Wasser aus einem tiefer gelegenen Becken in ein höher gelegenes. Steigt der Bedarf später wieder, lässt man das Wasser durch Turbinen zurückfließen und erzeugt so Strom. Im Grunde eine riesige, wiederaufladbare Wasserbatterie.
In Deutschland stehen laut Bundesnetzagentur rund 30 solcher Anlagen mit einer Gesamtleistung von etwa 9,4 GW. Die größten – Goldisthal in Thüringen und Markersbach in Sachsen – werden von Vattenfall betrieben und leisten jeweils über 1 GW. Doch das letzte Pumpspeicherwerk, das in Deutschland neu gebaut wurde, war Goldisthal. Und das ging bereits 2003 ans Netz. Die dichte Besiedlung, Widerstände gegen neue Stauseen und die schwierige Wirtschaftlichkeit haben den Ausbau praktisch zum Erliegen gebracht.
Dabei wächst der Bedarf an Stromspeichern mit jedem neuen Windrad und jeder neuen Solaranlage. Batteriespeicher boomen zwar, doch erreichen sie noch lange nicht die Speicherkapazität von Pumpspeichern. Für die Stabilisierung des Netzes bleiben diese daher eine wichtige Alternative. Nur wo sollen sie entstehen?
Bergwerke statt Berge
Wo Berge fehlen, könnte der Untergrund helfen. Die Idee: Statt Wasser nach oben zu pumpen, lässt man es bei Strombedarf in die Tiefe eines Bergwerks fallen und pumpt es bei Überschuss wieder nach oben. Das Oberbecken liegt an der Oberfläche, das Unterbecken tief unter der Erde. Der Höhenunterschied – und damit die gespeicherte Energie – entsteht nicht durch einen Gipfel, sondern durch einen Schacht.
Deutschland wäre für diesen Ansatz prädestiniert. Tausende Bergwerke wurden im Laufe der Jahrhunderte stillgelegt, von den Erzgruben im Harz über die Steinkohlezechen des Ruhrgebiets bis zu den Schächten im Saarland. Es existieren Schächte von über 1.000 m Tiefe. Zum Vergleich: Goldisthal, Deutschlands größtes Pumpspeicherwerk, arbeitet mit einer Fallhöhe von rund 300 m.
Schon 2007 begannen Forscher am Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (EFZN) an der TU Clausthal daher, systematisch nach geeigneten Bergwerken zu suchen. An der Universität Duisburg-Essen formierte sich wenig später eine Forschergruppe um die Professoren André Niemann, Eugen Perau und Ulrich Schreiber, die das Konzept für das Ruhrgebiet durchrechnete. Zechen, die einst die Schwerindustrie befeuert hatten, könnten nun die Energiewende absichern.
Prosper-Haniel: Das gescheiterte PSK
Das prominenteste Projekt war das Bergwerk Prosper-Haniel in Bottrop. Es war die letzte aktive Steinkohlezeche Deutschlands, die im Dezember 2018 geschlossen wurde. Forscher der Universität Duisburg-Essen und der Ruhr-Universität Bochum untersuchten ab 2011 mit Betreiberin RAG, ob sich die vorhandene Infrastruktur für ein unterirdisches Pumpspeicherkraftwerk nutzen ließe.
Die RAG strebte ein weltweites Patent für Kraftwerke in stillgelegten Bergwerken an. Die Machbarkeitsstudie lieferte vielversprechende Ergebnisse. Demnach könnte das PSK 200 MW Leistung bringen und rund 600.000 m³ Wasser fassen, laut den Forschern genug für die Versorgung von 450.000 Haushalten über vier Stunden. Land und Bund förderten das Vorhaben mit insgesamt über 2 Mio. €.
Doch Ende 2018 wurde das Projekt beerdigt. Es fand sich kein Investor. Die Wirtschaftlichkeit war unter den damaligen Marktbedingungen nicht gegeben, die Realisierungszeit zu lang gegenüber anderen Technologien. Und dann tickte die Uhr: Die RAG war gesetzlich verpflichtet, die Schächte nach Ende des Bergbaus standsicher zu verfüllen. Seit Oktober 2021 steckt Beton in den Schächten 9 und 10. Zehn Jahre nach der Kooperationsvereinbarung war das Zeitfenster geschlossen.
Warum der Plan nicht aufging
Professor Eugen Perau von der Universität Duisburg-Essen, einer der drei leitenden Forscher des Prosper-Haniel-Projekts, sieht das Problem nicht in der Technik: „Wir sind am Ende des Projekts zu dem Schluss gekommen, dass wir es auf jeden Fall als technisch machbar ansehen“, betonte er auf Anfrage. „Man kann das bauen. Turbinen und sonstige Technik sind vorhanden; und der Strom, den man dadurch gewinnt, lässt sich nutzen.“
Das entscheidende Hindernis sei ein anderes gewesen. Es fand sich kein Betreiber, der bereit war, mehrere 100 Mio. € in ein Vorhaben mit unklarer Perspektive zu investieren. Aus der Energiebranche hieß es damals, ein Pumpspeicher sei wie eine Feuerwehr: Man müsse sie bezahlen, auch wenn man sie gerade nicht brauche. Kein Betreiber wollte dieses Risiko ohne Zusicherung übernehmen. Gleichzeitig plante die RAG bereits alternative Nutzungen für die Flächen. Die Schächte offenzuhalten hätte Geld gekostet, für eine Zukunft, die niemand garantieren konnte.
„Es ist vielleicht auch daran gescheitert, dass man nicht den Mut hatte zu sagen: Wir brauchen das später und daher machen wir das jetzt. Oder zu sagen: Das ist vielleicht auch ein Exportschlager“, so Perau. „Ich kriege heute noch jedes Jahr Zeitschriftenartikel zur Begutachtung, bei denen jemand so etwas in China, Frankreich oder irgendwo anders machen will – und wo unser Projekt zitiert wird.“ Sein Fazit: „Man hätte seinerzeit am Ball bleiben müssen. Jetzt kann man die Schächte nicht noch mal aufmachen, das wäre viel zu teuer.“
Was die Sache so schwierig macht
Wer unter Tage Wasser in großen Mengen bewegen will, stößt auf Probleme, die es oberirdisch nicht gibt.
- Das erste ist die Chemie: In Kohleminen oxidiert Pyrit zu Schwefelsäure, das Grubenwasser wird aggressiv und greift Turbinen, Rohre und Betonauskleidungen an. Das Wasser aus dem Bergwerk selbst ist oft mit Gesteinsstaub und Mineralien belastet. In Bottrop hatten die Forscher früh erkannt, dass nur ein geschlossenes System mit sauberem Wasser von außen funktionieren würde.
- Das zweite ist die Statik: Die schnelle Bewegung großer Wassermengen unter hohem Druck erzeugt Kräfte, denen alte Stollenquerschnitte und Schächte standhalten müssen. Nicht jeder Hohlraum ist dafür geeignet, denn viele sind teilweise verfüllt, instabil oder nicht mehr zugänglich.
- Und das dritte ist das Geld: Untersuchungen der TU Clausthal zeigen, dass ein unterirdisches Pumpspeicherwerk im Harz etwa doppelt so teuer wäre wie ein vergleichbares oberirdisches. Die aufwendige Erschließung, Sanierung alter Schächte und Installation von Maschinen in großer Tiefe treiben die Kosten.
Hinzu kommen regulatorische Hürden: Wasserrecht, Bergrecht und Umweltrecht greifen ineinander, klare Vorgaben für diese neuartige Nutzung fehlen. Und: Pumpspeicher insgesamt haben in Deutschland ein Wirtschaftlichkeitsproblem – ihre Stromabnahme wird als Endverbrauch gewertet und mit Netzentgelten belastet.
Neue Modelle aus den USA
Ein aktuelles Forschungsprojekt aus den USA will diese Hürden nun wieder angehen. Wissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee haben Anfang März hydrodynamische und chemische Modelle entwickelt, die eine standortspezifische Bewertung stillgelegter Kohleminen ermöglichen sollen.
Die Modelle simulieren, wie sich Wasser unter Hochdruck durch die konkreten Tunnelgeometrien einer Mine bewegt und wie es mit den dort vorhandenen Mineralien reagiert. Ziel ist es, Korrosionsrisiken und strukturelle Schwachstellen vorab am Rechner zu identifizieren, bevor teure Erkundungen vor Ort nötig werden.
„Unterirdische Pumpspeicher sind eine spannende Möglichkeit, aber wir müssen Herausforderungen wie chemische Erosion und strukturelle Stabilität überwinden“, erklärte ORNL-Forscher Thien Nguyen in einer Pressemitteilung. Die Modellierungswerkzeuge sollen Industriepartnern helfen, „diese Risiken einzuschätzen und fundierte Entscheidungen über Anlagendesign, Bau und Betrieb an konkreten Standorten zu treffen.“
Wieso die USA wieder Interesse haben
Das Land verfügt über tausende stillgelegte Kohleminen, und Pumpspeicher decken dort laut dem US-Energieministerium über 90 % der großtechnischen Stromspeicherung ab. Mehrere Standorte wurden bereits vorgeschlagen, darunter eine Kalksteinmine in Norton, Ohio, und eine ehemalige Eisenmine in New Jersey. Realisiert wurde bisher keiner.
Perau, der das Prosper-Haniel-Projekt von Anfang an begleitete, äußert sich zur Bedeutung solcher Modellierungswerkzeuge zurückhaltend. Aus seiner Erfahrung sei die Technik nie das eigentliche Problem gewesen: „Entscheidend ist der Investor – jemand, der das Ganze auch betreiben will.“
Bessere Chancen im Harz?
Auch im Harz gibt es einen neuen Versuch. Unter dem Namen „EWAZ-Transfer“ arbeiten fünf Hochschulen – darunter neben der federführenden TU Clausthal die TU Braunschweig und die Leibniz Universität Hannover – und fünf Wirtschaftspartner an einem Konzept, das bergbauliche Hohlräume mit bestehenden Talsperren des Westharzes verbinden soll. Das Projekt baut auf einer 2022 abgeschlossenen wissenschaftlichen Vorstudie auf und soll die Ergebnisse nun in die Umsetzung überführen.
Die Forscher setzen hier indes nicht auf ein reines Untertage-System, sondern auf eine Kombination: eine Talsperre wie die Okertalsperre als Oberbecken, verbunden mit ehemaligen Erzbergwerks-Hohlräumen als Unterbecken. Neben der Energiespeicherung soll das System auch dem Hochwasserschutz dienen. Laut TU Clausthal wurden über 100 mögliche Hohlräume identifiziert, rund ein Dutzend wird näher untersucht.
„Es werden zwei intensive Projektjahre, in denen wir nun konkrete Schritte in Richtung der Umsetzung von Kombi-Kraftwerken unternehmen werden“, so Professor Thomas Ulrich von der TU Clausthal. Das Projektvolumen liegt laut der Hochschule bei knapp 2,4 Mio. €, davon knapp eine Million aus EFRE-Mitteln. Den Rest tragen die Unternehmen, darunter Uniper.
Riesiges Potenzial, zähe Umsetzung
Weltweit sind laut dem World Hydropower Outlook 2025 der IHA rund 600 GW an Pumpspeicherprojekten in der Entwicklung. China allein hat demnach 2024 über 7,5 GW an neuen Pumpspeichern installiert und will bis 2030 die Marke von 120 GW überschreiten. In Europa umfasst die Pipeline rund 53 GW.
Doch ein unterirdisches Pumpspeicherkraftwerk gibt es bis heute nicht. Die technischen Herausforderungen sind groß, die Wirtschaftlichkeit ungelöst, die regulatorischen Rahmenbedingungen passen nicht. Am weitesten fortgeschritten ist ein Projekt in Finnland, wo die 1.400 m tiefe Pyhäsalmi-Mine zum unterirdischen Pumpspeicher mit 75 MW Leistung umgebaut werden soll. Eine finale Investitionsentscheidung steht aber auch dort noch aus.
Im Ruhrgebiet sei der Zug endgültig abgefahren, berichtet Perau: „Die Chance ist vorbei, die würde ich nicht mehr sehen.“ Die Schächte seien verfüllt und nicht wieder zu öffnen. Das Konzept sei aber tragfähig: „Grundsätzlich halte ich es für nicht ganz so abwegig. Man muss es nur wirklich wollen.“
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