Bei der Umstellung von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen stehen wir vor einem Problem. Denn für Zeiten, in denen die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht, braucht es bessere Möglichkeiten der Energiespeicherung. Eine neue Studie von Forschern der Penn State University zeigt, dass die Nutzung der natürlichen geothermischen Wärme in erschöpften Öl- und Gasquellen die Effizienz einer vorgeschlagenen Energiespeicherlösung verbessern kann: Die Druckluftspeicherung (Compressed Air Energy Storage, CAES).
Stillgelegte Bohrlöcher als Speicher für erneuerbare Energie
In CAES-Anlagen wird Luft bei geringem Energiebedarf komprimiert, unterirdisch gespeichert und bei hohem Bedarf zur Stromerzeugung wieder angesaugt. Doch die Anlaufkosten begrenzen derzeit die kommerzielle Entwicklung dieser Projekte, so die Wissenschaftler.
Die Forscher schlugen ein neues geothermisch unterstütztes Druckluftspeichersystem vor, das erschöpfte Öl- und Gasquellen nutzt, von denen es nach Schätzungen der Umweltschutzbehörde in den USA etwa 3,9 Millionen gibt, und stellten fest, dass es die Effizienz im Vergleich zu bestehenden Technologien um 9,5 Prozent verbessern kann. Das bedeutet, dass ein größerer Prozentsatz der im System gespeicherten Energie zurückgewonnen und in Elektrizität umgewandelt werden kann, was die Gewinne der Betreiber erhöhen könnte.
„Diese Effizienzsteigerung kann die Wirtschaftlichkeit von Druckluftspeicherprojekten erheblich verbessern“, sagt Arash Dahi Taleghani, Professor für Erdöl- und Erdgastechnik an der Penn State University und korrespondierender Autor der Studie. „Außerdem könnten wir erhebliche Vorlaufkosten vermeiden, indem wir bestehende Öl- und Gasquellen nutzen, die nicht mehr gefördert werden. Das könnte eine Win-Win-Situation sein.“
Druckluft statt Deponie
Die Wiederverwendung erschöpfter Öl- und Gasbohrlöcher würde es den Betreibern ermöglichen, geothermische Wärme in heißen Gesteinsformationen unter der Erde zu nutzen, wodurch die Vorlaufkosten für das Bohren neuer Löcher entfallen und die Technologie für die Industrie attraktiver werden könnte, so die Wissenschaftler. Da der Druck von Gasen wie Druckluft mit steigender Temperatur zunimmt, könnten beheizte Bohrlöcher potenziell mehr Energie speichern, so Taleghani. Wenn Strom benötigt wird, wird die erhitzte Druckluft freigesetzt und treibt eine Turbine zur Stromerzeugung an.
„Ohne die Vorteile der geothermischen Anlage zu nutzen, könnte man nicht genug ermutigende Zahlen erhalten“, sagte Taleghani und erklärte, dass das Team numerische Modellierungssimulationen verwendete, um herauszufinden, dass die Platzierung von CAES-Systemen in stillgelegten Öl- und Gasbohrungen die Lufttemperatur in den Systemen deutlich erhöht. „Hinzu kommt, dass das Bohren neuer Bohrlöcher die Wirtschaftlichkeit dieser Art der Speicherung möglicherweise nicht rechtfertigt. Aber durch die Kombination dieser beiden Faktoren und durch das Hin- und Hergehen bei der Modellierung und Simulation haben wir herausgefunden, dass dies eine sehr gute Lösung sein könnte.“
Energiespeichersysteme wie CAES sind den Forschern zufolge besonders wichtig für den Übergang zu sauberer Energie, da sie dazu beitragen, die Schwankungen der erneuerbaren Energiequellen auszugleichen. Indem sie überschüssige erneuerbare Energie speichern und bei Bedarf wieder freisetzen, tragen Energiespeicher zur Stabilität und Zuverlässigkeit des Netzes bei.
Energiespeicherung mit Doppelnutzen
„Das Problem ist, dass manchmal, wenn wir Energie brauchen, die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht“, sagt Taleghani. „Das ist ein großes Hindernis für den weiteren Ausbau der meisten erneuerbaren Energien, die uns zur Verfügung stehen. Deshalb ist es sehr wichtig, eine gewisse Speicherkapazität zu haben, um das Netz zu unterstützen.“
Die Wiederverwendung erschöpfter Öl- und Gasquellen kann auch dazu beitragen, die potenziellen Umweltauswirkungen stillgelegter Quellen zu verringern und möglicherweise neue Beschäftigungsmöglichkeiten in Regionen mit einer langen Tradition in der Energieindustrie zu schaffen, so die Forscher. Allein in Pennsylvania gibt es nach Schätzungen der Aufsichtsbehörden Hunderttausende verwaister und stillgelegter Bohrlöcher. Wenn diese unsachgemäß verschlossen oder beschädigt werden, kann Methan in die Atmosphäre und ins Grundwasser entweichen.
„Wenn wir bestehende Bohrlöcher nutzen, schlagen wir im Grunde zwei Fliegen mit einer Klappe“, sagt Taleghani. „Erstens versiegeln wir die Brunnen. Das stoppt mögliche Lecks. Und wenn wir diese Brunnen für die Energiespeicherung umrüsten, nutzen wir weiterhin die bestehende Infrastruktur in diesen Gemeinden. So bleiben Arbeitsplätze in der Region erhalten und die Gemeinden können an der Energiezukunft teilhaben.
Die Forschung wurde im Rahmen des Repurposing Center for Energy Transition (ReCET) an der Penn State Universität durchgeführt. Ziel des Zentrums ist es, fossile Energieinfrastruktur für die Energiewende wiederzuverwenden, insbesondere in Gemeinden mit alten Energiequellen.
