Die verborgene Kraft der Erde nutzen: Ein globaler Überblick über die unterirdische Stromerzeugung

Die Suche nach nachhaltigen und zuverlässigen Energiequellen ist ein globales Gebot. Während Solar-, Wind- und andere erneuerbare Energien an Bedeutung gewinnen, stellt die unterirdische Stromerzeugung einen überzeugenden alternativen und komplementären Ansatz dar. Dieses innovative Feld nutzt die natürlichen Ressourcen und geologischen Formationen der Erde zur Erzeugung und Speicherung von Energie und bietet einzigartige Vorteile in Bezug auf Stabilität, Flächennutzung und Umweltauswirkungen.

Was ist unterirdische Stromerzeugung?

Die unterirdische Stromerzeugung umfasst eine Reihe von Technologien, die unterirdische Ressourcen oder Räume zur Energieerzeugung und -speicherung nutzen. Zu den Hauptkategorien gehören:

• Geothermie: Gewinnung von Wärme aus dem Erdinneren zur Stromerzeugung oder zur direkten Wärmeversorgung.
• Untertage-Pumpspeicherkraftwerke (UPSW): Speicherung von Energie durch das Pumpen von Wasser in ein unterirdisches Reservoir und dessen Freisetzung zur Stromerzeugung bei Bedarf.
• Unterirdische Druckluftspeicherkraftwerke (CAES): Komprimierung von Luft und deren unterirdische Speicherung zur späteren Freisetzung, um Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen.
• Unterirdische Wasserstoffspeicherung (UHS): Speicherung von Wasserstoff in unterirdischen Kavernen zur späteren Nutzung für die Stromerzeugung oder andere Zwecke.

Geothermie: Die innere Wärme der Erde anzapfen

Geothermie ist eine ausgereifte und weit verbreitete Form der unterirdischen Stromerzeugung. Sie nutzt die innere Wärme der Erde, die sich ständig erneuert, was sie zu einer erneuerbaren und nachhaltigen Ressource macht.

Arten geothermischer Ressourcen

• Hydrothermale Ressourcen: Diese Ressourcen umfassen natürlich vorkommende unterirdische Reservoirs mit heißem Wasser oder Dampf. Sie werden unterteilt in:
• Hochtemperatur-Hydrothermie: Wird zur Stromerzeugung genutzt und findet sich typischerweise in vulkanischen Regionen.
• Niedertemperatur-Hydrothermie: Wird für direkte Heizanwendungen wie Fernwärme, Gewächshäuser und Aquakultur verwendet.
• Erweiterte Geothermische Systeme (EGS): EGS, auch als "Engineered Geothermal Systems" oder Hot-Dry-Rock-Geothermie (HDR) bekannt, beinhalten die Schaffung künstlicher Risse in heißem, trockenem Gestein tief unter der Erde, um Wasser zirkulieren zu lassen und Wärme zu entziehen. Dies erweitert das geografische Potenzial der Geothermie.
• Geothermische Wärmepumpen: Nutzen die konstante Temperatur des oberflächennahen Erdreichs zum Heizen und Kühlen von Gebäuden. Sie gelten typischerweise nicht als Stromerzeugung, tragen aber erheblich zur Energieeffizienz bei.

Globale Geothermieproduktion: Beispiele und Trends

Geothermie wird in zahlreichen Ländern auf der ganzen Welt genutzt. Hier sind einige bemerkenswerte Beispiele:

• Vereinigte Staaten: Der weltweit größte Produzent von geothermischem Strom, mit erheblichen Kapazitäten in Kalifornien, Nevada und Utah. Das Geysir-Geothermiefeld in Kalifornien ist ein Paradebeispiel für eine hochthermale hydrothermale Ressource.
• Indonesien: Verfügt aufgrund seiner Lage am Pazifischen Feuerring über erhebliche geothermische Ressourcen. Das Land entwickelt aktiv neue Geothermiekraftwerke, um seinen wachsenden Energiebedarf zu decken.
• Philippinen: Ein weiteres Land mit reichlich geothermischem Potenzial und zahlreichen in Betrieb befindlichen Geothermiekraftwerken.
• Island: Ein Pionier in der Nutzung von Geothermie, die für die Stromerzeugung, Fernwärme und verschiedene industrielle Anwendungen eingesetzt wird. Geothermie deckt einen erheblichen Teil des isländischen Energiebedarfs.
• Kenia: Ein führender Geothermieproduzent in Afrika, mit bedeutenden Entwicklungen im Olkaria-Geothermiefeld.
• Neuseeland: Nutzt Geothermie sowohl zur Stromerzeugung als auch für direkte Anwendungen.
• Türkei: Baut ihre geothermischen Kapazitäten rasch aus, mit zahlreichen neuen Kraftwerken in der Entwicklung.

Vorteile der Geothermie

• Erneuerbar und nachhaltig: Die innere Wärme der Erde ist eine praktisch unerschöpfliche Ressource.
• Grundlaststrom: Geothermiekraftwerke können kontinuierlich betrieben werden und liefern eine zuverlässige Grundlastversorgung, im Gegensatz zu intermittierenden erneuerbaren Energien wie Sonne und Wind.
• Geringer Flächenbedarf: Geothermiekraftwerke benötigen in der Regel weniger Land als andere Formen der Energieerzeugung.
• Geringe Emissionen: Geothermie erzeugt im Vergleich zu fossilen Brennstoffen deutlich weniger Treibhausgasemissionen.
• Direkte Nutzungsmöglichkeiten: Geothermische Energie kann direkt zum Heizen, Kühlen und für industrielle Prozesse genutzt werden.

Herausforderungen der Geothermie

• Geografische Einschränkungen: Hochtemperatur-Hydrothermalressourcen sind auf bestimmte Regionen konzentriert, obwohl EGS-Technologien das geografische Potenzial erweitern.
• Hohe Anfangsinvestitionen: Der Bau von Geothermiekraftwerken kann kapitalintensiv sein.
• Nachhaltigkeit der Ressourcen: Eine übermäßige Entnahme von geothermischen Fluiden kann zur Erschöpfung des Reservoirs führen, wenn sie nicht ordnungsgemäß gemanagt wird.
• Induzierte Seismizität: EGS-Betriebe können potenziell kleinere Erdbeben auslösen, was sorgfältige Überwachungs- und Minderungsmaßnahmen erfordert.
• Umweltbedenken: Geothermische Fluide können gelöste Mineralien und Gase enthalten, die eine ordnungsgemäße Entsorgung erfordern.

Untertage-Pumpspeicherkraftwerke (UPSW): Eine nachhaltige Energiespeicherlösung

Die Energiespeicherung ist entscheidend für die Integration intermittierender erneuerbarer Energiequellen in das Netz und die Gewährleistung der Netzstabilität. Untertage-Pumpspeicherkraftwerke (UPSW) bieten eine vielversprechende Lösung für die großtechnische Energiespeicherung.

Wie UPSW funktionieren

UPSW bestehen aus zwei Reservoirs auf unterschiedlichen Höhen. In Zeiten geringer Energienachfrage oder überschüssiger Produktion erneuerbarer Energien wird Wasser vom unteren zum oberen Reservoir gepumpt, wodurch potenzielle Energie gespeichert wird. Bei hoher Energienachfrage wird Wasser vom oberen zum unteren Reservoir abgelassen und fließt durch Turbinen, um Strom zu erzeugen.

Bei UPSW-Systemen befindet sich mindestens eines dieser Reservoirs unter der Erde, entweder in einer natürlich vorkommenden Kaverne oder einem künstlich geschaffenen Hohlraum. Dies bietet mehrere Vorteile:

• Reduzierter Flächenverbrauch: Unterirdische Reservoirs minimieren den oberirdischen Platzbedarf der Speicheranlage.
• Umweltvorteile: UPSW können die Umweltauswirkungen im Vergleich zu konventionellen Oberflächen-Pumpspeicherkraftwerken, die oft das Aufstauen von Flüssen und die Überflutung von Tälern erfordern, reduzieren.
• Ästhetische Vorteile: Unterirdische Reservoirs sind optisch unauffällig.
• Potenzial zur Integration in bestehende Infrastruktur: UPSW können in bestehende unterirdische Bergwerke oder Tunnel integriert werden, was die Baukosten senkt.

Globale UPSW-Projekte und Potenzial

Obwohl UPSW im Vergleich zu konventionellen Pumpspeicherkraftwerken eine relativ junge Technologie ist, befinden sich weltweit mehrere Projekte in der Entwicklung oder Prüfung:

• Deutschland: Mehrere Studien haben das Potenzial untersucht, stillgelegte Bergwerke in UPSW-Anlagen umzuwandeln.
• Schweiz: Besitzt ideale geologische Bedingungen für die Entwicklung von UPSW.
• Australien: Erforscht UPSW als Mittel zur Unterstützung seines wachsenden Sektors für erneuerbare Energien.
• Vereinigte Staaten: Untersuchen UPSW-Möglichkeiten in verschiedenen Bundesstaaten.
• China: Investiert aktiv in Pumpspeicherkraftwerke, einschließlich unterirdischer Optionen.

Vorteile von UPSW

• Großtechnische Energiespeicherung: UPSW können erhebliche Energiespeicherkapazitäten bereitstellen, die von Hunderten von Megawatt bis zu mehreren Gigawatt reichen.
• Lange Lebensdauer: UPSW-Anlagen können mehrere Jahrzehnte betrieben werden und bieten eine langfristige Energiespeicherlösung.
• Netzstabilität: UPSW können zur Stabilisierung des Netzes beitragen, indem sie schnell auf Schwankungen im Energieangebot und -bedarf reagieren.
• Ergänzung zu Erneuerbaren: UPSW können überschüssige erneuerbare Energie, die während Spitzenproduktionszeiten erzeugt wird, speichern und bei Bedarf wieder abgeben.
• Reduzierte Umweltauswirkungen (im Vergleich zu Oberflächen-PSKW): Weniger Störung der Landoberfläche und Zerstörung von Lebensräumen.

Herausforderungen von UPSW

• Geologische Anforderungen: UPSW erfordern geeignete geologische Formationen für den Bau von unterirdischen Reservoirs.
• Hohe Kapitalkosten: Der Bau von UPSW kann kapitalintensiv sein.
• Umwelterwägungen: Die potenziellen Umweltauswirkungen des Untertagebaus und des Wasserverbrauchs müssen sorgfältig berücksichtigt werden.
• Wasserverfügbarkeit: UPSW benötigen eine zuverlässige Wasserquelle.

Andere Technologien der unterirdischen Stromerzeugung

Über Geothermie und UPSW hinaus entstehen weitere Technologien der unterirdischen Stromerzeugung:

Unterirdische Druckluftspeicherkraftwerke (CAES)

CAES beinhaltet die Komprimierung von Luft und deren Speicherung in unterirdischen Kavernen, wie Salzstöcken oder Aquiferen. Wenn Strom benötigt wird, wird die komprimierte Luft freigesetzt, erhitzt und zum Antrieb von Turbinen verwendet, um Strom zu erzeugen. Traditionelle CAES sind auf Erdgas zur Erhitzung der Luft angewiesen. Fortschrittliche adiabatische CAES (AA-CAES) speichern die bei der Kompression erzeugte Wärme und verwenden sie bei der Expansion wieder, was die Effizienz verbessert und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert.

Unterirdische Wasserstoffspeicherung (UHS)

Wasserstoff wird als sauberer Energieträger erforscht. Die unterirdische Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen, erschöpften Öl- und Gaslagerstätten oder Aquiferen wird als Schlüsselkomponente einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft angesehen. Der gespeicherte Wasserstoff kann dann in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung oder für andere Anwendungen genutzt werden. Zu den Herausforderungen gehören Wasserstofflecks und die Aufrechterhaltung der Reinheit des gespeicherten Wasserstoffs.

Unterirdische Kraftwerke (Kavernenkraftwerke)

In einigen Fällen werden konventionelle Kraftwerke unter der Erde gebaut, typischerweise in Kavernen. Dies kann Vorteile in Bezug auf Flächennutzung, Umweltauswirkungen und Sicherheit bieten. Diese Kraftwerke können eine Vielzahl von Brennstoffen nutzen, einschließlich fossiler Brennstoffe, Kernenergie oder sogar Biomasse.

Die Zukunft der unterirdischen Stromerzeugung

Technologien zur unterirdischen Stromerzeugung haben das Potenzial, eine bedeutende Rolle bei der globalen Energiewende zu spielen. Da die Welt bestrebt ist, ihre Energiesysteme zu dekarbonisieren und die Energiesicherheit zu erhöhen, bieten diese Technologien mehrere überzeugende Vorteile:

• Erhöhte Netzstabilität: Technologien zur unterirdischen Stromerzeugung, insbesondere Geothermie und UPSW, können Grundlaststrom und Energiespeicherung bereitstellen und so zur Stabilisierung des Netzes und zur Integration intermittierender erneuerbarer Energiequellen beitragen.
• Reduzierter Flächenverbrauch: Unterirdische Anlagen minimieren den oberirdischen Platzbedarf der Energieinfrastruktur und geben Land für andere Nutzungen frei.
• Verbesserte Energiesicherheit: Unterirdische Ressourcen können eine zuverlässige und im Inland verfügbare Energiequelle darstellen und die Abhängigkeit von importierten Brennstoffen verringern.
• Geringere Umweltauswirkungen: Technologien zur unterirdischen Stromerzeugung können Treibhausgasemissionen und andere Umweltauswirkungen im Vergleich zu fossilen Brennstoffen reduzieren.
• Innovation und technologischer Fortschritt: Laufende Forschung und Entwicklung senken die Kosten und verbessern die Effizienz von Technologien zur unterirdischen Stromerzeugung.

Fazit

Die unterirdische Stromerzeugung ist kein futuristisches Konzept mehr. Sie ist ein realisierbarer und zunehmend wichtiger Bestandteil der globalen Energielandschaft. Mit der Reifung der Technologien und dem Sinken der Kosten ist die unterirdische Stromerzeugung auf dem besten Weg, eine entscheidende Rolle bei der Schaffung einer nachhaltigen und widerstandsfähigen Energiezukunft zu spielen. Die Nutzung dieser innovativen Ansätze zur Energieerzeugung und -speicherung wird entscheidend sein, um den wachsenden Energiebedarf der Welt zu decken und gleichzeitig die Umweltauswirkungen zu minimieren und die Energiesicherheit zu gewährleisten. Das Potenzial, die verborgene Kraft der Erde zu nutzen, ist riesig, und ihre vollständige Realisierung verspricht eine sauberere, zuverlässigere und nachhaltigere Energiezukunft für alle.