Chancen und Risiken untertägiger Pumpspeicherkonzepte in Anlagen des Bergbaus

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1 Pumpspeicherkonzepte Hier kann Ihr Text stehen in Anlagen des Bergbaus Quelle: Voith Hydro Chancen und Risiken untertägiger Pumpspeicherkonzepte in Anlagen des Bergbaus Quelle: RAG 43. IWASA Wasser als Energieträger IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:1

2 Gliederung Einführung, Vorarbeiten und Ausgangssituation Sachstand zu den neuen Standorten in bergbaulichen Anlagen Systemkonfigurationen für Pumpspeicherwerke unter Tage Potenzialermittlung, Systematisierung und Beispiele Wie nun mit den Potenzialen umgehen? Untersuchungsbedarf, Chancen und Risiken Zusammenfassung und weiteres Vorgehen und jetzt? 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:2

3 1. Pumpspeicherwerke zur Energiespeicherung Pumpspeicherwerke sind etablierte, sichere und effiziente Energiespeicher Speicherung der potenziellen Energie des Wassers im Oberbecken bislang: Ausgleich von Tagesschwankungen in Produktion und Abnahme von Strom (Kurzzeitspeicher) aber: Geschäftsmodell ist abgängig, Investitionsbedarf und risiken sind hoch, Umsetzung aufgrund von Akzeptanzproblemen in Deutschland nicht eindeutig 2. Von der Kohleförderung zum Energiebergbau Grundsätzlich: Fallhöhen und Speicherpotenziale für den Pumpspeicherbetrieb vorhanden Nutzung von Grubengas und Grubenwasser Wärme (Geothermie) Biomasse, Photovoltaik, Windkraft und zahlreiche weitere Konzepte werden betrachtet 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:3

4 Unterflur-Pumpspeicherwerke (UPSW) Nachnutzung der Steinkohlebergwerke im Ruhrgebiet zur Speicherung von Energie im Energiepark direkte Nähe zum Verbraucher zusätzliche Energiegewinnung durch Nutzung von Erdwärme und Grubengasen Lässt sich der Bau von Unterflur-Pumpspeicherwerken in Bergwerken technisch realisieren? Lassen sich Bau und Betrieb von Unterflur-Pumpspeicherwerken wirtschaftlich gestalten? 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:4

5 UPSW (UPHS)-Structure Die Idee ist nicht neu sie ist nur aktuell. Source: Tam, S.W. et al. (1979) 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:6

6 Vorarbeiten / Ausgangssituation Windenergiespeicherung durch Nachnutzung stillgelegter Bergwerke, ab 2007-heute Pilotanlage in Bad Grund bis 2019 Preliminary Design Study of Underground Pumped Hydro and Compressed Air Energy Storage in Hard Rock, EPA, 1976 Überlegungen zum Bau eines Pumpspeicherkraftwerkes in einem stillgelegtem Bergwerk in den Niederlanden Machbarkeitsstudie Suche nach geeigneter Goldmine in Südafrika für Evaluierung eines Pumpspeicherprojektes Quelle: EFZN Konzeptstudie Pumpspeicherwerk Walsum (unveröffentlicht, 2006) Studie Unterflur-Pumpspeicherwerke - Nutzung von Anlagen des Bergbaus zur Speicherung regenerativer Energien (UDE,RUB, 2012) 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:7

7 Riverbank Wiscasset Energy Center (RWEC) (Quelle: Das Unterflurpumpspeicherwerk hat eine Leistung von MW Das untere Speicherbecken befindet sich 670 m unterflur Das UPSW soll auf Gelände des stillgelegten Kernkraftwerks Maine Yankee in Wiscasset, Maine errichtet werden Fallhöhe ca. 600 m 6-h Betrieb 4 x 250 MW Turbinen Unterer Speicher: 4.7 Mio. m³ Projektkosten: 2 Mrd. $ US Fertigstellung: IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:8

8 Aktive Bergwerke der RAG in NRW (2012) Ibbenbüren Marl Kamp-Lintfort Bottrop Quelle: IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:9

9 Steinkohle-Bergwerke in NRW Bergwerk Auguste Victoria (Marl): Größte Teufe: m Streckennetz: 100 km (ca. 2 Mio. m³)* Bergwerk Prosper-Haniel (Bottrop): Größte Teufe: m Streckennetz: 125 km (ca. 2,5 Mio. m³)* Bergwerk West (Kamp-Lintfort): Größte Teufe: m Streckennetz: 100 km (ca. 2. Mio. m³)* Quelle: Bergwerk Auguste Victoria Quelle: Bergwerk_West Bergwerk West Bergwerk Anthrazit Ibbenbüren (Ibbenbüren): Größte Tiefe: m Streckennetz: 90 km (ca. 1,8 Mio. m³)* *) geschätztes Volumen auf verschiedenen Sohlen Quelle: Bergwerk Anthrazit - Ibbenbüren 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:10

10 Räumliche Ausdehnung Bergwerksanlagen Beispiel Prosper-Haniel, Sohle IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:11

11 Schachtanlagen als Infrastruktur Bsp.: Bergwerk Prosper-Haniel - Schacht 10 - Schachteinbauten Quelle: RAG Fazit: Schächte sind Kernkomponenten Druckschacht passgenau neu auffahren 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:12

12 Infrastruktur Bsp. Bergwerk Prosper-Haniel Aussetzen der Anschläge 7. Sohle Vortrieb Bohren: Laden: Ankern 3m: von Hand Schrapper, Greifer, Kübel von Hand A bteuf-g Abteufgreifer Ankerausbau Ankern: 5m mit umgebautem Schachtbohrgerät Ankerstandbühne (Sonderkonstruktion) Schrappgefäß S ch ra p pgefäß A nkerbohrla fe tte Bergekübel B e rg e kübel Ankerbohrlafette S p p Schrapperwinde Arbeitsbühne An Schienen verfahrbare Arbeitsbühne E rw e ite ru ngsegm ent S n a rbeitsbühne Streckenarbeitsbühne EHB Schiene E H B -S chiene 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:13

13 Vorhandene Infrastruktur: Beispiel Bergwerk Prosper-Haniel 8,0 m 12,2 m 11,1 m Aussetzen der Anschläge für die 7. Sohle (2011) Quelle: RAG 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:14

14 Bergwerk Prosper-Haniel Auffahrung südl. Füllort 7. Sohle 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:15

15 Bergwerk Prosper-Haniel Auffahren südl. Füllort und Infrastrukturstrecke C IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:16

16 Beispiel zur Einbindung vorhandener Infrastruktur - Förderberg - Prosper II Befahrbarer, voll ausgebauter Transportschacht (Querschnitt rd. 25 m²); befahrbar bis auf -783 m; weitere Schachtanlagen im direkten Umfeld 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:17

17 Wasserhaltungsschema eines Bergwerks 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:18

18 Quelle: RAG 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:19

19 Systematisierung: Geschlossenes / Offenes System / Kombinationssysteme Geschlossenes System: Kontrolliertes und ertüchtigtes System Kein/wenig direkter Kontakt zum Grubengebäude Wasserwirtschaftlich geschlossenes System (Verluste sind auszugleichen) Offenes System: Kombinationssysteme In weiten Teilen kontrolliertes und ertüchtigtes/ausgebautes System Kontrollierter Übergang in das Grubengebäude Nutzung/Erweiterung der bestehenden Grubenwasserhaltung Wasserwirtschaftlich auf dauerhafte Wasserzufuhr ausgelegtes System ggf. zeitlich. deutlich flexibles System 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:20

20 Konzeption: Bsp.1, Bergwerk Auguste-Victoria [Quelle: Wolfgang Schönweitz (schoenwolf-home.de)] 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:21

21 Standort Bergwerk Auguste Victoria, Marl Ist-Zustand - Kenndaten 5. Sohle Höhe: m Streckenlänge: m (Speicherstrecke) Querschnitt: 20 m² Volumen: m³ ( m³) 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:22

22 Beispiel 2: Bergwerksweite Nutzung Prosper Haniel Ist-Zustand Kenndaten: 6. Sohle Transportstreckenlänge: ca. 37 km aktivierbare Speicherstrecke: 29 km Ausbauquerschnitt: 18-25m² Volumen: m³ 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:23

23 Beispiel zur Einbindung vorhandener Infrastruktur - Förderberg - Prosper II Befahrbarer, voll ausgebauter Transportschacht (Querschnitt rd. 25 m²); befahrbar bis auf -783 m; weitere Schachtanlagen im direkten Umfeld 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:24

24 Beispiel zur Einbindung vorhandener Infrastruktur- IST-Situation zum Förderberg Untertage Ansicht Quelle: RAG 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:25

25 Beispiel zur Einbindung vorhandener Infrastrukturausgebautes System Speicherstrecke Speicherstrecke Verteilerbauwerk Untertage Ansicht Kraftkaverne Maschinenkaverne zum Förderberg Quelle: RAG, bearbeitet 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:26

26 Beispiel 3: Bergwerksübergreifende Nutzung Bsp.: Wasserhaltung Ruhrgebiet Quelle: RAG Annahmen: (Ertüchtigung; Nutzung der Hauptstrecken; Einbindung der zentralen Grubenwasserhaltung; Wasserwirtschaftliche Versorgung gesichert) unterer Speicher: z.b m³ Fallhöhe: 800 m 4 Maschinensätze Laufzeit: 12 h Wirkungsgrad: 0,65 Ausbaudurchfluss: 70 m³/s Nutzung mehrerer Speicherstrecken Leistung in MW: 355 MW 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:27

27 Geschlossenes System Geschlossenes System Kombinationssystem / offenes System Systemkonfigurationen für Pumpspeicherkraftwerke unter Tage Beispiel 1: Teilstreckennutzung Schachtanlage Auguste Viktoria, Marl Beispiel 2: Bergwerksweite Nutzung Bergwerk Prosper-Haniel, Bottrop Beispiel 3: Bergwerksübergreifende Nutzung, Nutzung der Gesamtwasserhaltung im Ruhrgebiet Unterer Speicher: m³ / m³ (z.b. 5.Sohle) m³ (z.b. 6.Sohle) m³ Fallhöhe: m 935 m 800 m Anzahl Maschinensätze: Laufzeit: 8 h 6 h 12 h Wirkungsgrad: 0,70 0,76 0,65 Ausbaudurchfluss: 4,2 m³/s 33 m³/s 70 m³/s Leistung: 30 MW 286 MW 355 MW 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:28

28 Gliederung Einführung, Vorarbeiten und Ausgangssituation Sachstand zu den neuen Standorten in bergbaulichen Anlagen Systemkonfigurationen für Pumpspeicherwerke unter Tage Potenzialermittlung, Systematisierung und Beispiele Wie nun mit den Potenzialen umgehen? Untersuchungsbedarf, Chancen und Risiken Zusammenfassung und weiteres Vorgehen und jetzt? 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:29

29 Untersuchungsbedarf Aktuell in Bearbeitung befindliche bautechnische Aspekte: Quelle: RAG, 2008/Thyssen Schachtbau GmbH, 2010 Definition von Standortkriterien in den Grubenbildern Entwicklung eines technischen Konzepts für untertägige Pumpspeicherkraftwerke Wasserwirtschaftliches Rahmenkonzept Untersuchung geotechnischer Aspekte Bemessung der Maschinen- und Elektrotechnik Anforderungen an die Betriebs- und Arbeitssicherheit Integration von untertägigen Pumpspeicherkraftwerken in die Netzinfrastruktur Untersuchung geologischer Aspekte und Bewertung der Übertragbarkeit 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:30

30 Untersuchungsbedarf Aktuell in Bearbeitung befindliche Aspekte: Wirtschaftliche Bewertung der Anlagenkonzepte Bewertung des bestehenden Rechtsrahmens und Aufzeigen des gesetzgeberischen Handlungsbedarfs Gesellschaftliche und politische Akzeptanz von untertägigen Pumpspeicherkraftwerken Ökobilanzielle Bewertung unterschiedlicher Szenarien Einfluss untertägiger Pumpspeicherkraftwerke auf aquatische Ökosysteme (offene/kombinierte Systeme) Einfluss der Anlagenkonzepte auf die Bergbaufolgekosten 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:31

31 Anforderungen an die Betriebs- und Arbeitssicherheit für Bau und Betrieb Betriebssicherheit ist dauerhaft zu gewährleisten Konzepte für die Anlagenrevision Dauerhafter Umgang mit Gebirgsmechanik Gewährleistung der Explosionsschutzanforderungen Auslegung der Bewetterung für alle Betriebszustände Entrauchungs- und Entfluchtmöglichkeiten, u. a. 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:32

32 Gliederung Einführung, Vorarbeiten und Ausgangssituation Sachstand zu den neuen Standorten in bergbaulichen Anlagen Systemkonfigurationen für Pumpspeicherwerke unter Tage Potenzialermittlung, Systematisierung und Beispiele Wie nun mit den Potenzialen umgehen? Untersuchungsbedarf, Chancen und Risiken Zusammenfassung und weiteres Vorgehen und jetzt? 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:33

33 Thema in den Medien 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:34

34 Entwicklung eines Realisierungskonzeptes für die Nutzung von Anlagen des Steinkohlebergbaus als unterirdische Pumpspeicherkraftwerke Projektlaufzeit: 36 Monate Förderung der 1.Phase (18 Monate) Förderbescheidübergabe durch das am Industriebeteiligung ist vorgesehen 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:35

35 Beteiligte Institutionen Universität Duisburg-Essen: Fachgebiet für Wasserbau und Wasserwirtschaft Fachgebiet für Geotechnik Fachgebiet für Geologie Fachgebiet für Elektrische Anlagen und Netze Fachgebiet angewandte Zoologie/Hydrobiologie ZWU - Zentrum für Wasser- und Umweltforschung Ruhr-Universität Bochum: Lehrstuhl Energiesysteme und Energiewirtschaft Institut für Berg- und Energierecht Rhein-Ruhr Institut für Sozialforschung und Politikberatung e.v. (RISP) RAG AG DMT GmbH & Co. KG Projekthomepage: IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:36

36 Prozent Chancen und Risiken untertägiger Akzeptanzanalyse Bevölkerungsbefragung 2012 (RISP) Gesellschaftliche und Politische Akzeptanz untertägiger Pumpspeicherkraftwerke Ausschnitt Regionalplan. Quelle: Bezirksregierung Arnsberg 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Es gibt verschiedene Beiträge zur ökologischen Gestaltung und zur Gestaltung der zukünftigen Energieversorgung. Welche der folgenden sind Ihnen bekannt? InnovationCity Ruhr (Ruhr 2020+) 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:37

37 Prozent Chancen und Risiken untertägiger Akzeptanzanalyse Bevölkerungsbefragung 2012 (RISP) Gesellschaftliche und Politische Akzeptanz untertägiger Pumpspeicherkraftwerke 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Die Konzepte sind nicht immer unumstritten. Ich möchte Sie bitten, die von Ihnen soeben als bekannt genannten Projekte zu bewerten sinnvoll 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:38

38 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 43. IWASA: Prof. Dr.-Ing. A. Niemann Folie:39