Untertägige Pumpspeicherwerke

Mit dem Auslaufen des Steinkohlenbergbaus in 2018 hinterlässt der Bergbau eine umfangreiche Infrastruktur. Schachttiefen von bis zu 1.200 Meter, zahlreiche Ausbauten in der Tiefe und eine großräumige Wasserhaltung eröffnen ggf. Perspektiven für eine Folgenutzung als untertägiges Pumpspeicherwerk. Dieses Verbundvorhaben widmet sich ergebnisoffen der Ermittlung dabei zu berücksichtigender Aspekte.

Konventionelle Pumpspeicherwerke benötigen ein oberes Speicherbecken auf einem Berg und ein unteres Speicherbecken im Tal. Die Höhendifferenz der beiden Becken wird ausgenutzt um Energie bei Überangebot zu speichern und im Bedarfsfall wieder abzugeben. Standorte für solche Anlagen sind durch die topographischen Randbedingungen begrenzt und durch den oftmals hohen Flächenverbrauch zudem umstritten.

Die Idee eines untertägigen Pumpspeicherwerkes (UPSW) besteht darin das untere Speicherbecken unter die Erde, in die vorhandenen Anlagen des Steinkohlebergbaus, zu verlegen und das obere Becken an der Erdoberfläche zu installieren. Dadurch könnten Fallhöhen bis zu 1.200 Meter aktiviert werden, die ein erhebliches energetisches Potential aufweisen. Der Zeitpunkt für eine Prüfung der energetischen Möglichkeiten dieser Anlagen ist günstig, da der Steinkohlebergbau politisch gewollt 2018 ausläuft. Bis dahin sind die bergbaulichen Anlagen offen bevor der dauerhaft einwirkende Gebirgsdruck diese auf temporäre Nutzung angelegten Anlagen wieder verschließt.

Ziel des Verbundvorhabens ist die Beurteilung der technischen Machbarkeit sowie weiterer maßgeblicher umweltrelevanter, wirtschaftlicher sowie rechtlicher und sozialwissenschaftlicher Einflussfaktoren.

Für die Bearbeitung der vielfältigen Fragestellungen des Verbundvorhabens hat sich ein Konsortium von elf Partnern aus fünf Einrichtungen gebildet. Beteiligt sind die Ruhrgebietsuniversitäten aus Duisburg-Essen und Bochum, der Bergbaubetreiber RAG AG, der Bergbauspezialist DMT sowie in Fragen der Akzeptanz bzw. der Politikberatung das Rhein-Ruhr-Institut für Sozialforschung und Politikberatung e.V. Gefördert wird das Vorhaben im Rahmen des Ziel2 Förderprogramms von der EU und dem Land NRW

 Das Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der Universität Duisburg übernimmt dabei die Projektleitung sowie die Bearbeitung weiterer Arbeitspakete. Ein wesentlicher Bestandteil dabei ist die Bearbeitung numerischer und physikalischer Modelle. Die dreidimensionale numerische Modellierung des Saugrohres wird im Folgenden erläutert:

Das Saugrohr ist eine wichtige Komponente einer hydraulisch wirkenden Turbine. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, die kinetische Energie des Wassers in positiven Saugdruck umzuwandeln, um die Effektivität der Turbine zu erhöhen. Die Modellierung befasst sich mit einer dreidimensionalen Strömungssimulation eines Saugrohres einer Francis-Turbine mit großer Fallhöhe für ein Unterflur-Pumpspeicherwerk. Durchgeführt wird die Simulation mit dem quelloffenen Softwarepaket OpenFOAM. Die Geometrie des Saugrohres wurde parametrisiert und die Krümmung sowie der Diffuser so konzipiert, um lokale hydraulische Verluste zu reduzieren. Der häufige Wechsel zwischen Pump- und Turbinenbetrieb ist sehr relevant für das optimale Design des Saugrohres und wirkt sich somit auf die korrespondierende Geometrie und deren Effektivität aus.

Schema des Prototyps mit Überleitungsstrecke und Speichersystem

Entwicklung von wasserbaulichen Versuchen

Im Rahmen einer hybriden Modellierung werden für das Labor zunächst zwei Versuche entwickelt. Es wird das Fließverhalten des Speicherwassers in den Rohrsystemen der Übergabe von Turbinen zum Speicher untersucht.

Der erste Versuch stellt ein Übergabebauwerk des Pumpturbinendurchflusses an den Ringspeicher dar. Hierbei wird das optimale Design des Bauwerks gesucht.

Das zweite Modell stellt die unterirdische Speicherstrecke dar. Einerseits soll hier ein reiner Ringspeicher auf optimale Lage geprüft werden. Darüber hinaus ist die Effizienz eines sog. gefächerten Speichersystems zu analysieren.Ziel der Analyse ist in beiden Fällen, Lage, Neigungen und Entlüftung zu klären. Diese Modelle werden aufgrund der enormen Prototypgröße deutlich kleiner skaliert. Eine geeignete Ähnlichkeit für die Kombination aus Rohrströmung und freier Oberfläche ist noch zu wählen.

Eigens für die Versuche wird ein großer, neuer Wassertank (ca. 60m³) in der Laborhalle mit zwei Pumpen (ca. 200 bzw. 400 l/s) aufgestellt.

Beide Modelle werden unabhängig von einander erstellt und getestet werden. Ergebnisse hier werden für Mitte des Jahres 2014 erwartet.