Eine Gruppe von Forschern der Michigan Technological University (MTU) argumentiert, dass ein vollständig erneuerbares Energienetz erreicht werden könnte, wenn die USA Minen in Batterien mit Wasserkraft umwandeln würden. Solche Minen könnten den Weg für die „ehrgeizigsten“ Ziele für erneuerbare Energien in weiten Teilen des Landes ebnen.
Der Bedarf an mehr Energiespeicherung ist „absolut dringend“ geworden, da erneuerbare Energiequellen ausgebaut wurden, sagt Privatdozent Timothy Scarlett, Archäologe im MTU-Forschungsteam. Die Erzeugung von Wind- und Solarenergie übertrifft unsere Fähigkeit, sie zu nutzen oder zu speichern, und schafft Engpässe bei aufgestauter Energie, die zu Energieverschwendung und Stromausfällen führen können.
Scarlett erklärt, dass die Umwandlung von Minen in Batterien ein durch Wind und Sonne gespeistes Netz stabilisieren, überschüssigen Strom absorbieren und Engpässe in Zeiten ausgleichen würde, in denen entweder zu viel oder zu wenig Strom vorhanden ist.
Was sind die Möglichkeiten und Hindernisse für die Umnutzung stillgelegter Minen in unterirdische Pumpspeicherkraftwerke (PUSH)? Diese Frage wurde im Keweenaw Energy Transitions Lab (KETL) der MTU untersucht, dessen übergeordnetes Ziel darin besteht, Wege zu erforschen, zu untersuchen und zu entwickeln, um alte umweltbedingte und wirtschaftliche Verbindlichkeiten in produktive saubere Energieanlagen zum Nutzen nachhaltiger und wohlhabender Gemeinschaften umzuwandeln.
Die PUSH-Studie konzentriert sich auf eine stillgelegte Eisenerzmine in Negaunee, Michigan, aber sie hört dort nicht auf. Auf der Grundlage der gesammelten Daten erweitert das Team die Ergebnisse, um die Anwendbarkeit von PUSH auf nationaler Ebene zu prüfen.
Das KETL-Team wird durch ein Stipendium der Arthur P. Sloan Foundation finanziert und untersucht das Potenzial, eine aufgegebene Mine auf der oberen Halbinsel von Michigan (UP) in eine Energiespeicheranlage umzuwandeln. Michigans UP verfügt über Kupfer- und Eisenbergbaugebiete voller verlassener Minen, die ökologische und ökonomische Herausforderungen darstellen. Die Forscher fanden mithilfe einer Regierungsdatenbank 968 geeignete Minen, hauptsächlich im Westen und auf der oberen Halbinsel. Einige dieser Minen sind sehr groß, was ihnen ein enormes Energiepotenzial als Batterien für das Stromnetz bietet.
Die Gemeinden, die mit diesen historischen Minen leben, haben jedoch komplexe Beziehungen zu ihnen und schätzen ihre symbolische Rolle als Denkmäler, Gedenkstätten und touristische Ressourcen. Vor diesem Hintergrund ging es bei der KETL-Studie um weit mehr als Anwendungen erneuerbarer Energien.
Stattdessen stellten die Forscher die Frage: „Können PUSH-Anlagen so konzipiert werden, dass sie die Werte des Kulturerbes stärken und gleichzeitig das Energiesystem umgestalten?“ Der Bericht kommt zu dem Schluss, dass PUSH wirtschaftlich benachteiligten Gebieten dabei helfen kann, sich in blühende wirtschaftliche Entwicklungszentren zu verwandeln – wegen, nicht trotz, ihres Erbes.
„Pumpspeicher sind die beste Lösung, und unterirdische Pumpspeicher sind die eleganteste der besten Lösungen“, beschreibt Scarlett. (Notiz: Scarlett hat sich gemeldet CleanTechnica als Fortsetzung eines Artikels, den wir 2019 über die Anfangsphase ihres Projekts veröffentlicht haben.)
Das National Renewable Energy Laboratory hat gesagt, dass die USA 120 Gigawatt Speicher benötigen, um bis 2050 ein zu 80 % erneuerbares Netz zu haben; Das Land hatte 2020 etwa 23 Gigawatt.
Die Technologie hinter den hydrobetriebenen Batterien
PUSH ist eine Art Pumpspeicherkraftwerk (PSH)-Technologie mit geschlossenem Kreislauf, bei der sich das obere Reservoir entweder an oder unter der Erdoberfläche befindet, während das untere Reservoir und die Turbomaschinen vollständig unterirdisch gebaut sind.
Diese geschlossene PSH-Anwendung ist in der Lage, wesentliche Netzdienste bereitzustellen und gleichzeitig Umweltschäden zu mindern und zu sanieren, die durch frühere Bergbauaktivitäten verursacht wurden, und bietet nachhaltige wirtschaftliche Entwicklungsmöglichkeiten für Gemeinden nach dem Bergbau. Diese Attribute von PUSH können die Komplexität des Lizenzierungs- und Genehmigungsverfahrens verringern und die wirtschaftliche Durchführbarkeit von PUSH-Einrichtungen verbessern.
Die Fallstudie in Negaunee, Michigan, hat gezeigt, dass die Mine eine extrem lange Speicherdauer bieten könnte, die 3,5 Monate lang ununterbrochen Strom für 30.000 Menschen bietet – mit Gewinn – sobald sie gebaut ist.
Das Team sammelte Daten aus einer Vielzahl von Quellen: Öffentlichkeitsarbeit; historische Aufzeichnungen aus örtlichen Archiven, darunter Dokumente wie Karten der oberirdischen und unterirdischen Abbaustätten und andere Firmenunterlagen; und mündliche Überlieferungen über Bergbaubetriebe und das Gemeindeleben. Jeder erwies sich als maßgeblich bei der Analyse der Minenabmessungen, der strukturellen Integrität, der Boden- und Wasserverschmutzung, der Eigentumsrechte und der Planungsüberlegungen.
Eine PUSH-Einrichtung kann unter Verwendung ausgereifter technologischer Systeme – Materialien und Maschinen – entwickelt werden, die von konventionellem PSH verwendet werden. In einer, wie sie es nennen, konservativen Schätzung stellten die Forscher fest, dass die USA Kapazitäten für zwischen 137 und 285 Gigawatt Speicher in fast 1.000 Minen haben, die wahrscheinlich für PUSH geeignet sind.
Basierend auf ihren Analysen erstellte das Team mehrere Hoch- und Niedrigvolumen-Reservoir- und Head-Schätzungen, die sich in übersetzten 5 vollständig und teilweise unterirdische PUSH-Designs.
Daten bereitgestellt von der MTU
Unter Verwendung dieser Entwürfe berechnete das Team die Typenschild- und Energiespeicherkapazitäten für mehrere Szenarien unter 3 Modellen.
- Das erste Modell berechnete die maximal installierte Typenschildkapazität mit einer Entladezeit von 7 Stunden für teilweise und vollständig unterirdische PUSH-Anlagen unter Verwendung der Hoch- und Niedrigvolumenschätzungen der verfügbaren Ober- und Unterbecken. Das Hauptziel dieses Modells besteht darin, das Potenzial für ein System zu demonstrieren, das eine hohe Ausgangsleistung erfordert. Das Team glaubt nicht, dass dieses Modell realistische Optionen für den Standort der Fallstudie enthält, da es sehr unwahrscheinlich ist, dass sowohl die aktuellen Marktbedingungen als auch die Übertragungs- und Verteilungsinfrastruktur Einrichtungen mit diesen Nennkapazitäten aufnehmen werden.
- Das zweite Modell simuliert tägliche Energiespeicherszenarien, die auf den oben erwähnten Standorteigenschaften basieren. Dieses Modell stellt die realistischsten Gestaltungsmöglichkeiten dar, die vor Ort entwickelt werden können.
- Das dritte Modell erweitert das zweite Modell, um das Potenzial von PUSH als Lösung für die langfristige Energiespeicherung zu untersuchen. Die Szenarien des dritten Modells haben die größten Speicherkapazitäten für eine vollständig und teilweise unterirdische PUSH-Anlage. Obwohl dieses Modell dem ersten Modell ähnlich ist, scheint es praktischer zu sein, da es nicht durch die Beschränkungen des ersten Modells eingeschränkt ist und wahrscheinlich nicht den Bau zusätzlicher Schächte erfordert.
Der Umgang mit potenziell kontaminiertem Grubenwasser während der Entwässerungs- und Betriebsphase dürfte laut den Forschern eine Herausforderung darstellen.
Abschließende Gedanken
Durch ihre lernen“Verbesserung der Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes und der Gemeinschaft durch die Umnutzung stillgelegter Minen in unterirdische Pumpspeicheranlagen“ stellten die KETL-Forscher fest, dass Möglichkeiten innerhalb der Energiewende vorhanden sind und im Interesse der Öffentlichkeit durch Problemlösungsansätze wie Energiespeicherung, Minensanierung und ländliche Wirtschaftsentwicklung liegen. Zusammen können diese Elemente zu mehr Energiegerechtigkeit beitragen.
Durch die Analyse der technischen, wirtschaftlichen, rechtlichen, regulatorischen, Wasserqualitäts-, sozialen und gemeinschaftlichen Engagement-Dimensionen von PUSH hat das Team seine Arbeit als eine Gelegenheit gesehen, nachhaltige wirtschaftliche Ressourcen in Gemeinden zu bringen, die durch den Bergbau im Stich gelassen wurden mit Rekultivierung und Revitalisierung.
Projekte dieser Art laufen bereits in Europa. Vergangenes Jahr, Finnland investierte 26,3 Millionen Euro, um eine der tiefsten Minen des Kontinents zur Energiespeicherung umzubauen.
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