Forschen & Entwickeln, Goslar

Seit 800 Jahren: Pioniere für erneuerbare Energien im Harz

Diese Photovoltaik-Testanlage steht auf dem Energiecampus in Goslar – Foto: Jörg Scheibe

Vor 800 Jahren begannen Zisterzienser-Mönche aus Walkenried mit dem Bergbau im Harz. Dafür nutzten sie die Kraft des Wassers, das sie in Gräben und Teichen sammelten und dann in die Berge leiteten. Sie schufen so die Basis für das einmalige System der Oberharzer Wasserwirtschaft, das 500 Jahre später zur Blüte des Harzer Bergbaus führte. Die Mönche waren frühe Pioniere bei der Nutzung erneuerbarer Energien.

Die Pionere von heute sitzen im Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (EFZN) in Goslar – einem gemeinsamen Forschungszentrum von fünf niedersächsischen Universitäten. An den Standorten Goslar und Clausthal werden vor allem Speichertechnologien für erneuerbare Energieträger erforscht.

Energiewende nur mit neuen Speichertechnologien

Strom aus Wind und Sonne wird nicht immer dann produziert, wenn der Bedarf am größten ist. Es gibt häufig Lücken zwischen Angebot und Nachfrage. Sie könnten durch Speicher geschlossen werden. „Die Energiewende wird nur gelingen, wenn wir bei den Speichertechnologien deutliche Fortschritte machen“, erklärt mir Professor Hans-Peter Beck im Gespräch. Er ist Vorsitzender des EFZN, das auf einem ehemaligen Kasernengelände am Rande von Goslar sitzt.

Es ist Teil eines Energiecampus, zu dem noch andere Forschungsinstitute der TU Clausthal und der Fraunhofer-Gesellschaft sowie einige Start-up-Unternehmen gehören – eine, wie ich finde, geballte Forschungskompetenz in Sachen erneuerbare Energien.

Oberharzer Wasserwirtschaft: Die Hirschler-Pfauenteich-Kaskade bei Clausthal – Foto: Stiftung Welterbe im Harz, Fotograf Hans-Jörg Hörseljau

Oberharzer Wasserwirtschaft: ein Meisterwerk

Doch zurück zur Wasserwirtschaft. Die Oberharzer Landschaft zwischen Torfhaus und Clausthal-Zellerfeld mit ihren vielen  Wassergräben, Dämmen und Teichen ist mir sehr vertraut. Ich bin schon viele Male auf Grabenwegen gewandert, etwa am Rehberger Graben oder Schalker Graben, habe im Kiefhölzer Teich bei Clausthal oder im Oderteich gebadet, habe im Winter Skitouren am einsamen Clausthaler Flutgraben gemacht. Doch erst ziemlich spät ist mir die historische Bedeutung dieses einzigartigen Systems der Wasserwirtschaft klar geworden.

In seiner Blütezeit gab es 143 Teiche, 500 Kilometer Gräben und 31 Kilometer unterirdische Wasserläufe – alles mit dem Ziel gebaut, Wasser zu sammeln, umzuleiten, zu speichern und bei Bedarf in die Bergwerke fließen zu lassen. Dort trieb es große Wasserräder an, mit deren Energie Erze gefördert und Grubenwasser noch oben gepumpt wurde. „Es war in der vorindustriellen Zeit eines der weltweit größten Energiesysteme, ein Meisterwerk früher Bergbau- und Ingenieurskunst“, urteilte eine Unesco-Kommission und ernannte die Oberharzer Wasserwirtschaft vor sieben Jahren zum Weltkulturerbe.

Wasserrad im Bergwerk Rammelsberg – Foto: Weltkulturerbe Erzbergwerk Rammelsberg Goslar GmbH

Talsperren gibt es im Harz seit 85 Jahren. Sie liefern nicht nur gutes Trinkwasser an mehrere norddeutsche Städte, sondern das Wasser wird auch zur Stromerzeugung genutzt. Allein die Harzwasserwerke betreiben – was viele Menschen in der Region nicht wissen – Kraftwerke an fünf der sechs Talsperren im Westharz. Außerdem gibt es im Harzvorland noch einige sogenannte Laufwasserwerke. Bei denen wird das durchfließende Trinkwasser in den Leitungen nach Norden zum Antrieb von Turbinen und damit zur Stromerzeug genutzt.

Pumpspeicherwerke in alten Bergwerken

Mit Wasser als Stromspeicher beschäftigen sich Forscher des EFZN in Goslar. Da geht es um Pumpspeicherwerke. Die gibt es seit 100 Jahren in Deutschland – eines davon nahe der Talsperre Wendefurth im Ostharz. Das Prinzip: Bei Stromüberschüssen im Netz wird Strom verbraucht, in dem Wasser aus einem tiefgelegenen Speichersee in einen höheren See gepumpt wird. Bei Engpässen im Netz fällt das Wasser abwärts und erzeugt über eine Turbine dann Strom. Wasserkraft dient also zum „Speichern“ von Strom.

Die Goslarer Forscher haben in einer Studie untersucht, ob so ein Pumpsystem nicht auch in stillgelegten Bergwerken genutzt werden könnte, und kamen zu positiven Ergebnissen. Dabei würde Sickerwasser, das sich in zwei mehrere hundert Meter übereinander liegenden Gangsystemen gesammelt hat, jeweils hoch und runter bewegt. Auf meine Frage, warum es denn noch kein Pilotprojekt in einem der vielen alten Bergwerke im Harz gebe, meint Professor Hans-Peter Beck: „Das ist noch zu teuer, vor allem weil es noch gesetzliche Beschränkungen gibt.“ Aber es gebe Interesse im Ausland. Beck: „Wir haben einen Kooperationsvertrag mit Südafrika. Dort gibt es die tiefsten Bergwerke der Welt und einige Projektpläne.“ Auch mit Partnern in China werde verhandelt.

Der Anteil erneuerbarer Energien am deutschen Stromverbrauch beträgt nach Becks Angaben derzeit 32 Prozent. Beck: „Wenn er weiter steigt, und das wollen wir ja alle,  dann brauchen wir spätestens 2030 großtechnische Speicher, um Angebotsschwankungen auszugleichen und die Netze zu stabilisieren.“ Forscher in Clausthal und Goslar haben dafür einige Ideen und Projekte, erzählt mir Beck und nennt ein Beispiel: die Nutzung unterirdischer Kavernen als „Stromspeicher“.  Dabei würde Wasserstoff, der mithilfe von Strom in einer Elektrolyse aus Wasser gewonnen wird, in das poröse Gestein einer Kaverne gepresst und mit Kohlendioxid gemischt. Der so entstandene Kohlenwasserstoff könnte bei Bedarf nach oben gepumpt und in Strom zurückverwandelt werden.

In zehn Minuten einen Elektrobus laden

Am Energie-Forschungszentrum ist vor zwei Jahren ein Batterie- und Sensoriktestzentrum eröffnet worden, das, so Beck, „bisher einmalig in Deutschland ist“. Hier werden einzelne Batterien oder auch komplette Batteriesysteme unter extremen Hitze- und Kältebedingungen darauf geprüft, wie sicher sie als Stromspeicher sind. Beim schnellen Laden beispielsweise können Batterien zu heiß werden, es besteht Feuer- und Explosionsgefahr.

Im Testzentrum werden auch neue Batterie- und Schnellladeysteme erforscht. Beck nennt ein aktuelles Projekt: eine sichere Schnellladetechnik für Hochleistungsbatterien in Elektrobussen und Elektro-Lkw. „Unser Ziel ist es, einen Elektrobus in zehn Minuten zu laden, dessen Batterie eine Reichweite von 500 Kilometern hat“, erklärt er. Die Ladestation mit einer Leistung von 1,2 Megawatt könnte bereits im nächsten Jahr als Pilotanlage im Testzentrum stehen. Es wird aber keine klassische Ladesäule sein. Die Ladeeinheit wird in einer Plattform auf dem Boden installiert. Der Bus fährt darüber, per Knopfdruck wird das schwere Kabel mit Stecker automatisch zur Ladeinheit des Busses geführt. Zur Ladestation gehört auch ein Pufferspeicher, der aus einem großen Batteriesystem mit einer Leistung von 825 kwh besteht. Beck: „So könnten wir fünf Busse gleichzeitig in acht bis zehn Minuten voll aufladen.“

Wie sicher sind die Batterien der Zukunft?

Und wie sicher werden die Hochleistungsbatterien der Zukunft sein? Am Testzentrum ist ein mehrstufiges Sicherheitskonzept entwickelt worden. Zunächst wird über ein Managementsystem die Ladung jeder einzelnen Zelle einer Batterie so gesteuert, dass keine zu große Spannung und damit Hitzegefahr entsteht. Beck: „Außerdem gibt es ein Frühwarnsystem. Es wird permanent mit Glasfaserleitern an Zellen Druck und Temperatur gemessen.“ Wenn dennoch etwas passiert oder kritisch ist, wird es sofort abgeschaltet.

Grundsätzlich betont Beck stets: „Elektromobilität und Elektroautos machen mit Blick auf Klimaschutz und Nachhaltigkeit nur Sinn, wenn der Strom dafür aus erneuerbaren Energien kommt. Sonst können wir das lassen.“

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