Energie im Gestein: Wird der Untergrund zur Batterie der Energiewende?

Energie im Untergrund zu speichern: Das klingt nach Science-Fiction. In der geologischen Forschung ist es aber keine neue Idee. Bereits seit den siebziger Jahren erproben Forschende in Salzkavernen in Deutschland solche Verfahren. Die Technik eröffnet ein weites Feld für erneuerbare Energien und für deren notwendigen Speicherlösungen.

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„Eines der Probleme der Energiewende ist, dass es mehr Energie aus erneuerbaren Quellen gibt, die wir nicht speichern können“, erklärt Ricardo Pereira, Forscher am GeoBioTec der Faculdade de Ciências e Tecnologia der Universidade NOVA de Lisboa, der Euronews. „Wir können diesen Überschussstrom nutzen und ihn vorübergehend in Gesteinsschichten im Untergrund speichern, in Tiefen von 500, 1 000 oder 2 000 Metern“, sagt der portugiesische Wissenschaftler.

„Wenn wir die Erde, das Gestein, wie eine Art Batterie nutzen, können wir Energiemengen speichern, die kleine Städte versorgen. Das ist der große Vorteil dieser Technologie.“

Bei porösen Gesteinen speisen die Betreiber mit dem überschüssigen Strom Luftkompressoren. Der Strom stammt aus erneuerbaren Quellen wie Windrädern oder Solaranlagen. Die Kompressoren pressen reine Luft ohne Wasserstoff oder CO2 durch einen Bohrschacht in eine tief liegende Schicht aus porösem Gestein. Weil nur Luft eingespeichert wird, besteht praktisch kein Explosionsrisiko.

Die Luft füllt die Hohlräume zwischen den Gesteinskörnern, die normalerweise mit salzhaltigem, nicht trinkbarem Wasser gefüllt sind. Dieses Wasser weicht zurück, ohne Trinkwasserressourcen zu verunreinigen. Die Luft bleibt im Untergrund eingeschlossen, unter Druck, wie eine geladene Batterie, die sich nach Bedarf anzapfen lässt.

Wenn nötig, strömt die Druckluft durch den Schacht wieder nach oben. Sie entspannt sich und treibt an der Oberfläche Turbinen an, die Strom erzeugen – ähnlich wie in einem klassischen Kraftwerk, nur ohne Brennstoff zu verbrennen.

Ricardo Pereira zählt zu den portugiesischen Wissenschaftlern, die in einer Studie untersucht haben, wie viel Energie sich unter unterschiedlichen geologischen Bedingungen im Untergrund speichern lässt.

„Diese Studie bewertet, wie viel Energie sich unter bestimmten geologischen Bedingungen und in verschiedenen Tiefen tatsächlich speichern lässt, wenn man unterschiedliche physikalische und thermodynamische Variablen berücksichtigt“, sagt er Euronews. Auf dieser Basis „haben wir verschiedene Szenarien entwickelt“, die zeigen sollen, „welche maximale Energiemenge sich in unterschiedlichen Tiefen speichern lässt“.

Untergrundspeicher: Energie für eine Stadt

Zu den energiepolitischen Prioritäten der Europäischen Kommission gehört der Ausbau der Speicherkapazitäten, den Brüssel als „unverzichtbar“ einstuft. Derzeit verfügt Europa über rund 55 Gigawatt Speicherkapazität. Bis 2030 sollen 200 Gigawatt erreicht werden, um Engpässe im Netz zu entschärfen, das Risiko von Blackouts zu senken und die Abhängigkeit von importierten fossilen Brennstoffen zu verringern.

In dieser Lücke könnten Druckluftspeicher in porösen Gesteinen eine Rolle spielen. Anders als Lithium-Ionen-Batterien, die heute den Markt dominieren, zielt diese Technik auf Langzeitspeicherung und nutzt einen natürlichen Rohstoff, der großflächig vorhanden ist.

Die Untersuchung ist eine Kooperation von Forschenden der Universidade NOVA de Lisboa und des Instituto Dom Luiz der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Lissabon. Sie wurde in der Fachzeitschrift Geoenergy (Quelle auf Portugiesisch) veröffentlicht. Laut Studie ist ein einziges adiabatisch-isobares System unter den analysierten Szenarien am günstigsten. Es kann eine Energiedichte von bis zu 156 kWh m−3 erreichen und eine Speicherkapazität von bis zu einer TWh bei einer maximalen Betriebstiefe von 3 000 m bereitstellen.

„Natürlich ist das ein Maximalszenario, in dem alle Bedingungen optimal sind“, betont Ricardo Pereira. Die Werte seien dennoch „ein Hinweis auf die maximale Größenordnung und das Potenzial“ des Verfahrens.

„Zwischen einem geschätzten Minimum und einem theoretischen Maximum gibt es eine breite Spanne von Möglichkeiten. Diese Studie zeigt jedoch, dass ein einziger Speicher – wir sprechen hier von der Simulation eines einzelnen Falls unter den besten Bedingungen – mit dieser einen TWh schon sehr nah an den Verbrauch einiger mittelgroßer Städte in Portugal herankommt.“

„Black Start“: Wie sich Stromausfälle abmildern lassen

Die Technologie bietet nicht nur große Speicherkapazitäten. Sie erlaubt auch den sogenannten „Black Start“, also den Neustart eines Stromsystems ohne Unterstützung durch das restliche Netz.

„Druckluft steht fast sofort zur Verfügung und erlaubt es, Anlagen nahezu augenblicklich ein- oder auszuschalten“, erklärt der Forscher. So lässt sich das Stromnetz stabilisieren. Das wäre in Situationen wie dem iberischen Stromausfall besonders hilfreich. „Wenn wir so etwas im Jahr 2025 schon in Betrieb gehabt hätten, hätten sich wahrscheinlich einige dieser Probleme vermeiden lassen“, sagt Pereira.

„Natürlich war das Problem des Blackouts viel umfassender. Diese Technik wäre keine Zauberformel für eine vergleichbare Situation, aber sie würde helfen, die Leistung im Netz besser zu steuern.“

Die laufende Forschung in Portugal soll klären, in welchen Regionen und unter welchen geografischen Bedingungen sich solche Speicher realisieren lassen. Die aktuelle Studie liefert dafür bereits klare Anhaltspunkte.

„Ein wirklich innovativer Aspekt der Arbeit ist: Je tiefer wir einen Speicher in porösen Gesteinen anlegen, desto mehr Energie lässt sich wieder freisetzen“, so Pereira. Auf dieser Grundlage könne man „den Verbrauch bestimmter Orte an der Küste, vor allem stärker industrialisierter Städte, mit den möglichen Speichern vergleichen. So wird sichtbar, welchen Beitrag das zur Dekarbonisierung einzelner Regionen leisten und wie sehr es die Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen erhöhen könnte.“

Zu den Gebieten mit besonders großem Potenzial zählen Lissabon und Almada, beide stark bevölkerte und industrialisierte Städte.

Fehlende Regeln: Gesetzgebung als Hauptbremse

In Portugal existiert die Technologie bislang nur auf dem Papier. Nach Einschätzung Pereiras dauert es noch etwa fünf bis zehn Jahre bis zu einem möglichen Einsatz. Dazwischen liegen mehrere Phasen: geologische Studien, Bohrungen, ein Pilotprojekt und schließlich der reguläre Betrieb.

„Es braucht eine ganze Reihe von Untersuchungen. Zuerst müssen wir die Geologie des Untergrunds an einem Standort genau kennen. Jedes Projekt ist für sich eine technische Herausforderung. Schon die Vorstudien benötigen Zeit“, erklärt er.

Aus finanzieller Sicht stuft Pereira Druckluftspeicher als „sehr vorteilhafte“ Lösung ein – vor allem im Kostenvergleich mit grünem Wasserstoff, „der sehr teuer ist“.

Nach seinen Angaben gehört China zu den wichtigsten Ländern, die in solche Projekte investieren. Mehrere Anlagen befinden sich dort bereits im Betrieb oder in Planung. In Europa arbeitet auch Deutschland an entsprechenden Vorhaben, wenn auch bislang mit begrenzten Ergebnissen. „Diese Technologien brauchen Jahre für Planung, Engineering und Inbetriebnahme“, sagt Pereira.

In Portugal ist die größte Hürde nicht ökonomischer, sondern regulatorischer Natur.

„Soweit ich weiß, gibt es bislang keine spezifische Gesetzgebung, um solche Projekte in Portugal zu ermöglichen. Alles, was sich unter unseren Füßen befindet, gehört dem Staat, also uns allen. Es braucht daher eigene Regeln für diese Technologie, so wie es sie bereits für die Speicherung von CO2 gibt“, erklärt der Forscher.

„Selbst wenn ein mutiges Unternehmen Geld in Studien investieren, einen Pilotversuch durchführen und später in die Produktion gehen wollte: Ohne Rechtsgrundlage geht das nicht. Es gibt eine reale Barriere, die Firmen daran hindert, in Portugal überhaupt belastbare Studien zu starten.“

Portugal weiß außerdem noch zu wenig darüber, welchen Einfluss diese Technologie auf den nationalen Energieverbrauch hätte. „Wenn wir in einer bestimmten Region den nächtlichen Verbrauch von Erdgas um fünf, zehn oder 15 Prozent senken könnten: Welchen Effekt hätte das lokal oder sogar landesweit?“, fragt Pereira. Das Land verfüge über eine große geologische Fläche mit erheblichem Potenzial.

„Wenn wir uns die Geologie ansehen, dann betrachten wir in einem ersten Schritt einen Streifen von Lissabon bis Aveiro, die sogenannte Lusitanische Beckenstruktur. Dort gibt es zahlreiche Gesteinsschichten mit Potenzial als Speicher. Das ist eine riesige Fläche. Zugleich gehört sie zu den am stärksten industrialisierten Regionen des Landes mit einem hohen Anteil an Wind-, Solar- und Wasserkraft. Es steht also ausreichend Energie zur Verfügung, um solche Speicher zu speisen.“

Nach aktuellem Forschungsstand sieht Pereira die Methode auch aus Umweltsicht positiv. Die Technologie habe „echtes Potenzial“. Sie könne zu einer Lösung für das Stromnetz werden. „Wenn alle Voraussetzungen stimmen, könnten in vielleicht zehn Jahren Druckluftspeicher in Betrieb sein, das Netz stabilisieren und Energieprobleme auf bezahlbare Weise mit vernünftigen Kosten abfedern“, sagt er.