Manchmal fehlen einem Wasserbauingenieur wie André Niemann von der Universität Duisburg-Essen schon ein wenig die Berge. Dort kann man nämlich Speicherseen aufstauen und sie durch mächtige Rohrleitungen miteinander verbinden. Wird gerade viel Elektrizität gebraucht, weil zum Beispiel dunkle Wolken über den Himmel ziehen und jeder das Licht angeknipst, schießt das Wasser vom höher gelegenen See in den unteren und treibt dabei eine Turbine an, die den zusätzlich benötigten Strom liefert.

Produzieren später Windkraftwerke oder Solarzellen mehr Elektrizität als gerade gebraucht wird, treibt der überflüssige Strom Pumpen an, die das Wasser für die nächste Wolke wieder in das obere Becken drücken.

Gerade wenn Angebot und Nachfrage nach Elektrizität auseinanderklaffen, sind solche Pumpspeicherwerke für die zuverlässige Versorgung mit Strom sehr wichtig. Sie haben aber zwei gravierende Nachteile: In den Bergen wehren sich oft Bürger und Naturschützer gegen neue Speicherseen. Und außerhalb der Gebirge fehlen einfach die Höhenlagen für den oberen Speichersee.

Speichersee unter die Erde verlegen

Es sein denn, die Wasserbauingenieure verlegen den unteren Speichersee in ein Tiefgeschoss unter dem Erdboden. Dann kann der obere Speicher als Becken an der Erdoberfläche bleiben und das Wasser trotzdem von oben nach unten oder umgekehrt fließen. Ein solches Untertage-Pumpspeicherwerk funktioniert natürlich nicht nur im Flachland, sondern auch in den Bergen. Dort braucht man dann statt zweier Speicherseen nur noch einen an der Oberfläche. Das halbiert den Landschaftsverbrauch.

Großräumige Speicherkapazität
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Die Schächte aufgelassener Bergwerke könnten zu Pumpspeicherwerken umfunktioniert werden. Eine viel versprechende Technik, für die allerdings einige technische Hürden genommen werden müssten.

"Natürlich können auch beide Speicher unter der Erde liegen, an der Oberfläche sieht man dann nur noch das Betriebsgebäude, Belüftungsanlagen und ein Umspannwerk", erklärt Friederike Kaiser vom Energie-Forschungszentrum Niedersachsen in Goslar. Diese Variante lässt zwar den Landschafts- und Naturverbrauch fast verschwinden, treibt aber die Kosten gewaltig in die Höhe.

Und das in einer Zeit, in der solche Pumpspeicherwerke ohnehin in turbulente Wasser geraten sind. Noch vor zehn Jahren lieferten Atom- und Kohlekraftwerke rund um die Uhr gleichmäßig Strom, während der Verbrauch während der normalen Arbeitszeiten tagsüber viel höher als nachts war. Also verkauften die Pumpspeicherwerke tagsüber Strom zu relativ hohen Preisen und glichen so die Spitzenlastzeiten aus. "Heute liefern dagegen Fotovoltaik-Anlagen tagsüber oft relativ viel Elektrizität und drücken so die Preise genau in der Zeit, in der Pumpspeicher bisher ihr Geld verdienten", erklärt Kaiser. Unter solchen Voraussetzungen rentieren sich die teuren Anlagen unter Tage natürlich noch viel weniger.

Unterirdische Pumpspeicher sind billiger im Revier

Es klingt wie ein Treppenwitz der Weltgeschichte, dass die kostspielige Untertagetechnologie ausgerechnet vom Steinkohlebergbau profitieren könnte, der in Deutschland 2018 eingestellt wird, weil die Kohle zu teuer ist. Die Zechen im Ruhrgebiet und im Saarland haben ihre Schächte teils weit über 1000 Meter in die Tiefe getrieben, genau das könnten Betreiber von Pumpspeicherwerken gut gebrauchen.

Denn die unterirdischen Speicherschächte "sind sie eine besonders teure Komponente", erklärt der Ingenieur für Geotechnik Eugen Perau von der Universität Duisburg-Essen (UDE), dem Steinkohlebergbau dagegen kommen die alten Schächte teuer zu stehen, weil sie aufwändig verfüllt werden müssen. Diese Kosten kann er sich sparen, wenn er die Schächte den Wasserbauern übergibt, die damit wiederum die hohen Neubaukosten sparen.

Alles sieht nach einer Win-win-Situation aus – zumindest wenn sich auch die restlichen Anlagen für ein Pumpspeicherwerk unter Tage gut umsetzen lassen. Genau das untersuchen daher der Wasserbauingenieur André Niemann, der Geotechniker Eugen Perau, der Netzspezialist Istvan Erlich und der Geologe Ulrich Schreiber von der Universität Duisburg-Essen gemeinsam mit zehn Partnern vom Bergbaudienstleister DMT GmbH bis zur Ruhr-Universität Bochum und vor allem natürlich dem Bergbaubetreiber RAG.

Hundert Meter lange Maschinen-Kathedrale

Das Herz einer solchen Pumpspeicheranlage ist das Maschinenhaus am unteren Speicher. Unter Tage plant der UDE-Wasserbauer André Niemann dafür eine Kaverne, die bis zu 100 Meter lang, 20 bis 30 Meter breit und 30 bis 50 Meter hoch ist. Von einem Speichersee an der Oberfläche münden Druckrohre in diese Höhle, die zum Beispiel in 600 Meter Tiefe entstehen könnte. Mit einem unvorstellbaren Druck von 60 Bar, also dem 60-Fachen des Luftdrucks auf dem Meer, treibt das Wasser dann riesige Turbinen an. Diese bewegen Generatoren, die so elektrischen Strom liefern.

Den Bau dieser Kaverne beschreibt UDE-Ingenieur Eugen Perau: "Einen so großen Hohlraum kann man nicht auf einen Schlag herstellen, weil der Druck des darüber liegenden Gebirges ihn wieder zusammendrücken würde, bevor man ihn stabilisieren kann." Bis zu zwei Meter dick müssten mitunter die Betonschalen sein, die dem Gestein Halt geben. Daher bauen die Ingenieure erst einmal kleinere Hohlräume, die dem Gebirgsdruck standhalten. Diese kleiden sie mit Beton aus, stützen sie ab und beginnen danach an ihrem Rand einen weiteren Bereich des Gebirges ähnlich auszuhöhlen. Auf diese Weise wächst der zunächst kleine Hohlraum Stück für Stück weiter, bis am Ende die riesige Kaverne mit ihrer zwei Meter dicken Betonschale fertig ist. "Sie ähnelt dann am Ende ein wenig einer Kathedrale unter der Erde."

Tunnel statt Speicherbecken

Als Nächstes braucht man ein unteres Speicherbecken. Würde man dafür die ausgebeuteten Kohleflöze nehmen, gäbe es erhebliche Schwierigkeiten. "Dort ist das Gestein zu unruhig, mit der Zeit fallen die ausgeleerten Flöze in sich zusammen", sagt André Niemann. Von den Kohleschichten aber führen viel besser ausgebaute Transportstrecken zu den Schächten. Diese deutlich stabileren Strecken eignen sich schon eher als Wasserspeicher. "Sie müssten dann mit Beton ertüchtigt werden.".

Zusätzlich zu diesen Strecken prüfen die Ingenieure auch den Neubau von Speichern im Berg. Und die dürften ziemlich groß werden. Zwar können die Wasserbauer wegen des großen Höhenunterschieds viel Energie in relativ kleinen Wassermengen speichern. Aber eine Milliarde Liter Speichervolumen könnten es schon werden. Eine so große Kaverne lässt sich unter Tage praktisch nicht oder allenfalls extrem teuer realisieren. Daher überlegt Perau, das Wasser in einer Art U-Bahn-Tunnel zu speichern, der sich unter mehreren Städten des Ruhrgebiets entlangziehen könnte. Ein solcher überdimensionaler Schlauch lässt sich unter Tage viel besser stabilisieren als gigantische Höhlen. Den Beweis liefern die Transportstrecken der Kohlezechen im Ruhrgebiet. Dieses Streckennetz ist allein im Bergwerk Prosper-Haniel mehr als 120 Kilometer lang.

Der Tunnelbau ist gut erprobt

Obendrein ist der Tunnelbau gut erprobt. Nicht nur im Ruhrgebiet, sondern auch für den Bau von U-Bahnen, Eisenbahn- und Straßentunneln kommen seit vielen Jahren Maschinen zum Einsatz, die Röhren mit einem Durchmesser bis zu 15 Metern in den Berg bohren. Damit der Tunnel auch hält, kleiden diese gigantischen Apparate von der Länge eines Eisenbahnzugs die Wände gleich nach dem Bohren mit tonnenschweren Betonsteinen aus.

Bis die Maschinen loslegen, muss aber noch einiges geklärt werden. Wo liegt zum Beispiel der relativ feste Sandstein, in den die Ingenieure die Kavernen für die Maschinenhalle und den Wassertunnel bauen können? In welcher Tiefe sollen die Speicheranlagen überhaupt entstehen? Welche der vorhandenen Schächte der Steinkohlebergwerke sollten am besten genutzt werden? Bis zum Ende des Jahres 2014 wollen die Forscher solche Fragen grundsätzlich klären. Schließlich läuft der Steinkohlebergbau 2018 aus, danach werden die letzten Schächte verfüllt. Spätestens dann sollte man wissen, welche von ihnen für die Speichertechnologie gebraucht werden.

Ein Schacht der Zeche Prosper-Haniel in Bottrop sticht den Ingenieuren besonders ins Auge. Dieser wurde nämlich nicht senkrecht, sondern mit einer Neigung von etwa 20 Grad schräg in den Berg getrieben. "Dort können also Straßenfahrzeuge in die Tiefe fahren", erklärt André Niemann. Das wäre ein Riesenvorteil, wenn man die Bauteile einer 100 Meter langen Tunnelbohrmaschine in den Berg bringen möchte.

Welches Wasser füllt den Pumpspeicher?

Eine Frage jedenfalls ist zumindest grundsätzlich schon einmal geklärt: Welches Wasser wird den Pumpspeicher eines Tages füllen? Aus den Gesteinsklüften sickert in der Tiefe ja laufend Wasser in die Strecken und Schächte, das für teures Geld abgepumpt werden muss. Theoretisch könnte man dieses Wasser für einen Pumpspeicher verwenden, in der Praxis funktioniert diese Idee allerdings nicht. Eugen Perau schüttelt den Kopf: "Dieses Wasser enthält ja Gesteinsstaub, der die Maschinen abschleift." Salze aus dem Gestein würden obendrein die Turbine korrodieren, Ausfälle wären vorprogrammiert. Um das zu verhindern, soll ein geschlossenes Systems entstehen, das durch massiven Beton vom eindringenden Wasser getrennt wird.

In diesen Speicher wollen die Ingenieure dann sauberes Wasser aus den Schifffahrtskanälen an der Oberfläche leiten. Auch da kann man die vorhandene Brauchwasserversorgung der Bergwerke nutzen. Nach dieser ersten Füllung muss dann nur noch das Wasser ersetzt werden, das aus dem wenigen Hektar großen Speichersee an der Oberfläche verdunstet oder durch winzige Lecks abhandenkommt. Und dann kann das Pumpspeicherwerk unter Tage überschüssige Elektrizität speichern und diese Energie in Spitzenzeiten rasch wieder ins Stromnetz einspeisen.

Wie der Strom nach oben kommt

Vorher müssen aber noch ein paar andere Probleme gelöst werden. Zum Beispiel kann die in der Tiefe entstehende Elektrizität kaum durch normale Stromkabel an die Oberfläche geleitet werden. Diese würden nämlich unter ihrem eigenen Gewicht reißen, wenn sie senkrecht in den Schacht führen. "Stattdessen könnten gasisolierte Rohrleiter den Strom effektiv noch oben transportieren", vermutet Friederike Kaiser.

Diese als "GIL" abgekürzten Systeme bestehen aus zwei ineinander liegenden, konzentrischen Rohren, die durch ein Gasgemisch aus Schwefelhexafluorid und Stickstoff elektrisch voneinander isoliert werden. Im inneren Rohr können hohe Ströme bis etwa 4500 Ampere bei einer Hochspannung bis zu 500 000 Volt fließen. Zumindest 600 Meter Höhenunterschied sollte ein solcher GIL mit dieser effektiven Stromleitung überbrücken.

Auch andere Gegenden kommen in Frage

Außerdem kommen für unterirdische Pumpspeicherwerke nicht nur die Steinkohlebergbaugebiete in Frage. Mitarbeiter des Energie-Forschungszentrum Niedersachsen haben zum Beispiel den Erzbergbau im Harz untersucht und für pumpspeichertauglich befunden.

Diese Anlagen haben im Vergleich zu den Zechen im Ruhrgebiet einen Riesenvorteil: "Das Gestein dieser Lagestätten ist viel fester als die Sedimente um die Kohleflöze", erklärt Friederike Kaiser. Während im Ruhrgebiet die Flöze und die Transportstrecken ohne zusätzliche Stützen über kurz oder lang in sich zusammenbrechen, bleiben die Anlagen im Harz über Jahrhunderte erhalten.

Dort müssten die Stollen und Tunnel also viel weniger ausgebaut werden, was die Betreiber daher billiger käme. Obendrein ist es bestimmt keine schlechte Idee, solche unterirdischen Speicherwerke nicht nur am Rhein, sondern auch in anderen Teilen der Republik anzulegen. Da man über der Erde wenig von ihnen sieht, sollten die Einsprüche sich in Grenzen halten.

Gebraucht werden ohnehin einige solcher Anlagen, wenn Fotovoltaik und Windkraft weiter ausgebaut werden. Vor allem aber könnte ein Teil der einst für viel Geld gebauten Bergwerke ein nützliches zweites Leben bekommen.