Umgebaute Ölfelder: Eine neue Grenze in der grünen Energiespeicherung

Die globale durchschnittliche Oberflächentemperatur liegt bereits etwa 1,2 °C über dem vorindustriellen Niveau und verursacht extreme Wetterereignisse, die für Menschen, Tiere und die Infrastruktur ein Risiko darstellen.

Der Energiesektor ist einer der Haupttreiber von Umweltverschmutzung und globaler Erwärmung, wobei die Verbrennung fossiler Brennstoffe die primäre Quelle von Treibhausgasen (THG)-Emissionen und Luftschadstoffe darstellt. Dies hat zur Bewegung der Energiewende geführt, die einen Wechsel von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Sonne bedeutet.

Der Übergang zu erneuerbaren Energien beschleunigt sich stark mit dem Ziel, bis 2050 ein CO₂‑neutrales Energiesystem zu schaffen.

Der Aufstieg erneuerbarer Energien – jedoch mit einem Haken

Die Kapazität erneuerbarer Energie verzeichnete 2024 einen massiven Anstieg und erreichte 4.448 Gigawatt (GW), laut der International Renewable Energy Agency (IRENA).

Der Zuwachs von 585 GW im letzten Jahr entspricht tatsächlich einem Anteil von 92,5 % an der gesamten Kapazitätserweiterung und einer Rekordrate (15,1 %) des jährlichen Wachstums.

„Das kontinuierliche Wachstum der erneuerbaren Energien, das wir jedes Jahr beobachten, ist ein Beweis dafür, dass erneuerbare Energien wirtschaftlich rentabel und leicht einsetzbar sind. Jedes Jahr brechen sie ihre eigenen Expansionsrekorde, aber wir stehen auch vor denselben Herausforderungen großer regionaler Unterschiede und der tickenden Uhr, da die Frist 2030 unmittelbar bevorsteht.“ 

– Direktor‑General der IRENA Francesco La Camera

Unter den erneuerbaren Energiearten verzeichnete die Solarenergie mit 32,2 % die höchste Kapazitätserweiterung und erreichte 1.865 GW. Dabei stieg die Solar‑Photovoltaik im letzten Jahr um 451,9 GW, wobei China allein 278 GW zum Gesamtausbau beitrug, gefolgt von Indien mit 24,5 GW.

Solarenergie wurde von der Windenergie gefolgt, die um 11,1 % wuchs, obwohl die Expansion leicht zurückging und eine Kapazität von 1.133 GW erreichte. Dieser Ausbau wurde von China und den USA dominiert.

Die Wasserkraftkapazität, ohne Pumpspeicherkraftwerke, stieg auf 1.283 GW, erneut angetrieben von China. Die Bioenergie nahm ebenfalls um 4,6 GW an Kapazität zu, wobei sowohl China als auch Frankreich jeweils 1,3 GW hinzufügten. Neuseeland führte den Ausbau der Geothermie an, die insgesamt um 0,4 GW zunahm.

Obwohl erneuerbare Energiequellen einen vielversprechenden Weg für die Energiewende bieten, sind grüne Energie wie Wind und Sonne von Natur aus intermittierend. Dies erfordert bessere Methoden, um Energie für die spätere Nutzung zu speichern.

Als Lösung haben Forscher der Penn State vorgeschlagen, erschöpfte Öl- und Gasbohrungen für geothermisch unterstützte Druckluftenergiespeicherung (GA-CAES) umzurüsten, was die Effizienz von Energiespeichersystemen potenziell um 9,5 % steigern kann.

„Das Problem ist, dass wir manchmal, wenn wir Energie benötigen, weder Sonnenschein noch Wind haben. Das ist ein großes Hindernis für die weitere Expansion der meisten verfügbaren erneuerbaren Energien. Deshalb ist es sehr wichtig, über Speicherkapazitäten zu verfügen, die das Netz unterstützen.“

Großskalige und langfristige Energiespeicherlösung

Energiespeicherung ist der Schlüssel zu einem stabilen, zuverlässigen und nachhaltigen Energiesystem. Durch das Erfassen der erzeugten Energie zur späteren Nutzung ermöglicht sie die Integration intermittierender erneuerbarer Quellen, verbessert die Netzstabilität und maximiert die Nutzung von Wind- und Solarenergie. Sie reduziert zudem die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und damit die Treibhausgasemissionen.

Das ist noch nicht alles. Energiespeicherung fördert die Energie‑Resilienz bei extremen Wetterereignissen und unterstützt die Elektrifizierung des Verkehrssektors. Sie ist zudem entscheidend, um den Energiezugang in abgelegenen Gebieten zu erweitern und wirtschaftliche Chancen zu schaffen.

Daher ist Energiespeicherung entscheidend für die Erreichung einer nachhaltigen und sauberen Energiezukunft. Heute gibt es verschiedene Möglichkeiten, Energie zu speichern, wobei die Druckluftenergiespeicherung (CAES) eine davon ist.

CAES, wie der Name schon sagt, ist eine Technologie, die Luft komprimiert und speichert. So funktioniert es: Wenn die Stromnachfrage niedrig ist, wird überschüssige Energie genutzt, um Luft zu komprimieren, die dann in Tanks oder unterirdisch gespeichert wird. Bei hoher Stromnachfrage wird die komprimierte Luft freigesetzt, um eine Turbine anzutreiben und Strom zu erzeugen.

Die Technologie wird seit mehr als einem halben Jahrhundert ernsthaft untersucht und ist kommerziell verfügbar, dank ihrer Fähigkeit, große Energiemengen über lange Zeiträume zu speichern.

Neben der Bereitstellung von großskaligen und langfristigen Speichern können CAES‑Systeme leicht skaliert werden, um unterschiedliche Speicherbedürfnisse zu erfüllen. Außerdem nutzt es saubere und leicht verfügbare Luft, was es zu einer grünen Energiespeichertechnologie macht. Infolgedessen zieht CAES zunehmendes Interesse von Investoren, Versorgungsunternehmen und Regierungen auf sich.

Natürlich gibt es Nachteile in Form von geringeren Rundlaufwirkungsgraden, langsamerer Reaktionszeit und hohen Investitionskosten. Daher konzentriert sich die Forschung in diesem Bereich darauf, die Effizienz und Kosteneffektivität von CAES‑Systemen zu verbessern.

Die neueste Forschung, unterstützt vom US-Energieministerium, konzentriert sich darauf, die wirtschaftliche Effizienz von CAES zu steigern.

Ein neuer Ansatz für grüne Energiespeicherung

Großskalige Energiespeichermethoden wie CAES ziehen viel Aufmerksamkeit auf sich, um das Gleichgewicht zwischen Energieangebot und -nachfrage besser zu steuern.

In den letzten Jahrzehnten haben sich CAES‑Technologien deutlich weiterentwickelt und mehrere CAES‑Anlagen wurden gebaut. Beispielsweise das Bethel Energy Center (324 MW) und die Mclntosh‑CAES‑Anlage (110 MW) in den USA.

Die meisten bestehenden CAES‑Anlagen sind jedoch diabatisch, stellt die neue Studie fest, veröffentlicht im Journal of Energy Storage.

Das bedeutet, dass sie bei der Kompression Wärme verlieren und keine Wiederverwendungsmöglichkeit haben. Darüber hinaus führt die Nutzung fossiler Brennstoffe zur Luftexpansion zu zusätzlichen THG-Emissionen und reduziert die Systemeffizienz.

Während A-CAES (adiabatische Druckluftenergiespeicherung) dieses Problem löst, indem die bei der Kompression erzeugte Wärme gespeichert und vor der Expansion wiederverwendet wird, gibt es nur eine begrenzte Anzahl solcher Pilotanlagen aufgrund der höheren Anfangsinvestitionen und des Bedarfs an Hochdruckbehältern mit großem Volumen für hocheffiziente Luftspeicherung.

Daher untersuchte die Forschung die Machbarkeit, verlassene Öl- und Gasbohrungen (AOGWs) in die CAES‑Entwicklung zu integrieren, wobei konzeptuelle, mathematische und numerische Modelle zum Einsatz kamen.

Laut der Environmental Protection Agency (EPA) gibt es schätzungsweise 3,9 Millionen solcher erschöpften Bohrungen, was eine enorme Chance bietet.

Die zunehmende Zahl verlassener Bohrungen fehlt in der Regel an angemessener Wartung und Überwachung und birgt ein hohes Risiko für Treibhausgasaustritte, Grundwasserverschmutzung und Bodenkontamination.

Um dieses Problem anzugehen, hat die US‑Regierung mehrere Maßnahmen ergriffen, darunter 560 Millionen $ für 24 Bundesstaaten zur Verstopfung, Versiegelung und Wiederaufbereitung dieser Bohrungen. Das Infrastructure Investment and Jobs Act (IIJA) stellte zudem 4,75 Milliarden $ für die Sanierung und Überwachung dieser Bohrungen landesweit bereit.

Trotz dieser Bemühungen bleiben diese AOGWs jedoch eine große Herausforderung für die Regierung. Die Wiederverwendung dieser verlassenen Bohrungen als Vermögenswerte für erneuerbare Energien und ihre Integration in die Energiewende stellt eine solide Lösung dieses Problems dar.

Schließlich bieten diese unterirdischen Räume mehrere einzigartige Vorteile, wie Stabilität und natürliche Isolierung, die sie ideal für verschiedene Energiespeichertechnologien machen. Ihre Umnutzung revitalisiert verlassene Standorte, reduziert den CO₂‑Fußabdruck der Energieerzeugung und kann sogar in andere Energiesysteme integriert werden.

Die Forschung schlägt vor, diese verlassenen Bohrungen als kostengünstige CAES‑Behälter zu nutzen, indem ihre Struktur versiegelt und umgewandelt wird. Außerdem wird vorgeschlagen, die geothermische Wärme aus dem Untergrund zu nutzen, um die gespeicherte Luft weiter zu erwärmen und ihren Druck zu erhöhen.

Die Forschung wurde im Rahmen des Repurposing Center for Energy Transition (ReCET) der Penn State durchgeführt, das darauf abzielt, bestehende fossile Energieinfrastruktur für Anwendungen der Energiewende umzurüsten, insbesondere in traditionellen Energieregionen.

Eine Win‑Win‑Lösung für alle Interessengruppen

Da die Anfangskosten die kommerzielle Entwicklung von CAES‑Anlagen einschränken, schlugen die Wissenschaftler ein geothermisch unterstütztes Druckluftenergiespeichersystem vor, das verlassene Öl- und Gasbohrungen nutzt und die Effizienz um 9,5 % steigern kann.

Das bedeutet, dass ein größerer Teil der darin gespeicherten Energie zurückgewonnen und in Strom umgewandelt werden kann.

„Diese Effizienzsteigerung kann ein Wendepunkt sein, um die Wirtschaftlichkeit von Druckluftenergiespeicherprojekten zu rechtfertigen. Darüber hinaus könnten wir die Vorlaufkosten erheblich vermeiden, indem wir bestehende Öl- und Gasbohrungen nutzen, die nicht mehr in Produktion sind. Das könnte eine Win‑Win‑Situation sein.“

– Taleghani

Die Wiederverwendung dieser Bohrungen, die ihre wirtschaftliche Rentabilität für die Öl- oder Gasproduktion verloren haben, würde Betreibern den Zugang zu geothermischer Wärme in heißen Gesteinsformationen unter der Erde ermöglichen. Dies würde die hohen Anfangskosten für das Bohren neuer Bohrungen eliminieren, potenziell ihre Gewinne steigern und die Technologie attraktiver machen.

Laut der Forschung verbessert die Umnutzung der bestehenden Anlagen die Wirtschaftlichkeit, und die Nutzung der geothermischen Energie aus dem umgebenden Reservoir erhöht die Systemeffizienz weiter.

Ein weiterer Vorteil der Nutzung dieser erwärmten Bohrungen ist, dass sie potenziell mehr Energie speichern könnten, da mit steigender Temperatur der Druck der komprimierten Luft zunimmt. Das Team nutzte numerische Modellierungssimulationen und stellte fest, dass das Platzieren von CAES‑Systemen in diesen verlassenen Bohrungen die Lufttemperatur in den Systemen erheblich erhöht. Laut Taleghani:

„Ohne die geothermische Einrichtung zu nutzen, könnten Sie nicht genügend ermutigende Zahlen erhalten.“

Außerdem, „das Bohren neuer Bohrungen rechtfertigt möglicherweise nicht die Wirtschaftlichkeit dieser Speicherart. Aber durch die Kombination dieser beiden Faktoren und durch wiederholte Modellierung und Simulation stellten wir fest, dass dies eine sehr gute Lösung sein könnte“, fügte Taleghani hinzu.

Neben der Unterstützung von CAES, eine Schlüsselrolle in der sauberen Energiewende zu spielen, indem das Problem der intermittierenden Natur erneuerbarer Quellen adressiert wird, kann die Wiederverwendung verlassener Öl- und Gasbohrungen auch dazu beitragen, die Umweltauswirkungen erschöpfter Bohrungen zu mindern.

Die Umnutzung kann zudem neue Beschäftigungsmöglichkeiten in Regionen mit einer reichen Energieindustrie‑Tradition schaffen. Pennsylvania ist ein gutes Beispiel mit geschätzten 300.000 solchen verlassenen Bohrungen.

Beschädigungen dieser Bohrungen oder unsachgemäßes Verstopfen kann Methan in die Atmosphäre und ins Grundwasser lecken. Daher ist der Umnutzungsvorschlag der Forscher „im Grunde genommen, zwei Fliegen mit einer Klappe zu schlagen.“

„Zuerst versiegeln wir diese Bohrungen. Das stoppt mögliche Lecks. Und wenn wir diese Bohrungen für die Energiespeicherung umnutzen, nutzen wir weiterhin die vorhandene Infrastruktur in diesen Gemeinden. Das kann potenziell die Beschäftigung in der Region erhalten und den Gemeinden ermöglichen, Teil der Energiezukunft zu sein.“

– Taleghani

Was die praktische Anwendung dieses Ansatzes angeht, der eine kostengünstige und nachhaltige Methode zur Speicherung erneuerbarer Energie durch Nutzung bestehender Infrastruktur bieten könnte, könnte die Umsetzung in den nächsten 5 bis 7 Jahren beginnen, vorausgesetzt weitere Forschung und regulatorische Genehmigungen.

Innovatives Unternehmen

NextEra Energy, Inc.

Ein führendes Unternehmen für saubere Energie, NextEra Energy (NEE ), hat seinen Hauptsitz in Florida und investiert in die Erzeugung erneuerbarer Energie sowie fortschrittliche Energiespeicherlösungen, einschließlich CAES‑Technologien.

NextEra Energy besitzt die Florida Power & Light Company (FPL), den größten Stromversorger Amerikas. FPL liefert sauberen, erschwinglichen und zuverlässigen Strom für etwa 12 Millionen Menschen in Florida. Letzten Monat reichte FPL einen vierjährigen Antrag bei der Florida Public Service Commission (PSC) ein, um neue Tarife festzulegen, sobald die aktuelle Grundtarifvereinbarung in diesem Jahr endet.

Laut dem Vorschlag würden die üblichen 1.000‑kWh‑Rechnungen von Privathaushalten von 2026 bis 2029 etwa 20 % niedriger sein als vor zwei Jahrzehnten, inflationsbereinigt. Gleichzeitig würden die Rechnungen von kleinen und mittelständischen Unternehmen jährlich um durchschnittlich 1 % bis 5 % steigen.

Das Clean‑Energy‑Geschäft von Next Energy — NextEra Energy Resources — ist der größte Erzeuger erneuerbarer Energie aus Sonne und Wind sowie Batteriespeicher. Das Unternehmen erzeugt zudem sauberen Strom aus seinen kommerziellen Kernkraftwerken. Insgesamt gibt es sieben solcher Einheiten, verteilt über New Hampshire, Wisconsin und Florida.

Zu den Unternehmenskennzahlen: Next Energy, mit einer Marktkapitalisierung von 143,4 Milliarden $, meldete einen GAAP‑Nettogewinn von 1,203 Milliarden $, 0,58 $ pro Aktie für das vierte Quartal 2024 und 0,53 $ pro Aktie auf bereinigter Basis.

Für das Gesamtjahr 2024 betrug der GAAP‑Nettogewinn 6,946 Milliarden $, bzw. 3,37 $ pro Aktie, und der bereinigte Gewinn lag bei 7,063 Milliarden $, bzw. 3,43 $ pro Aktie, was einem Anstieg von mehr als 8 % gegenüber dem Vorjahr entspricht.

„NextEra Energy hatte 2024 ein hervorragendes Ausführungsjahr“, sagte CEO John Ketchum und bemerkte, dass das Unternehmen mehr Strom erzeugt und mehr in Energieinfrastruktur investiert habe als jedes andere Unternehmen in den USA.

Im Jahr 2024 brachte das Unternehmen etwa 8,7 Gigawatt neuer erneuerbarer und Speicherprojekte in Betrieb. CEO Ketchum erklärte:

„Mit Erfahrung in jedem Teil der Energiewertschöpfungskette ist NextEra Energy gut positioniert, um die sich bietenden Chancen zu nutzen und die steigende Stromnachfrage, die derzeit in den USA herrscht, zu bedienen.“

Zum Zeitpunkt dieses Schreibens werden NEE-Aktien bei 69,73 $ gehandelt, ein Rückgang von 2,73 % im Jahresverlauf. Die von dem Unternehmen gezahlte Dividendenrendite ist mit 3,25 % recht attraktiv.

Anfang dieses Jahres kündigte das Unternehmen seine Pläne an, die Erzeugung von Erdgas und Kernenergie auszubauen, um die steigende Stromnachfrage zu decken. Der KI‑Boom war der Haupttreiber für den signifikanten Anstieg des US‑Stromverbrauchs, zusätzlich zur zunehmenden Elektrifizierung der Wirtschaft. Dies hat eine Nachfrage nach neuen Gaskraftwerken geschaffen und das Interesse an Kernenergie neu belebt.

Um diese Nachfrage zu decken, hat NextEra Energy eine Partnerschaft mit dem Unternehmen GE Vernova (GEV ) (Marktkapitalisierung 87,65 Milliarden $, NYSE: GEV) geschlossen. Laut GE Vernova bevorzugen Rechenzentren Gas gegenüber Wind und Sonne, wobei die Aufträge für Gasturbinen im letzten Jahr mehr als verdoppelt wurden und 20 Gigawatt erreichten, und im laufenden Jahr voraussichtlich noch stärker sein werden, da sie rund um die Uhr Strom benötigen.

Mit Hilfe des Gasturbinenherstellers wird das Unternehmen den Strombedarf von Rechenzentren decken.

„Die Idee wäre, große Lastkunden anzusprechen und dies auf integrierte Weise zu tun, bei der wir gasbetriebene Erzeugung mit erneuerbaren Energien und Batteriespeichern kombinieren können.“

– Ketchum sagte Ende Januar

NexEra hat zudem den Neustart seines in Iowa gelegenen Kernkraftwerks, des Duane Arnold Energy Center, das 2019 stillgelegt wurde, eingeleitet. Dafür hat es einen Antrag bei der US Nuclear Regulatory Commission für eine Lizenzänderung gestellt und plant, das Werk bis Ende 2028 wieder in Betrieb zu nehmen.

Im letzten Sommer finanzierte die NextEra Energy Foundation zudem das 1‑Millionen‑$‑AI‑gestützte Zentrum der College of Engineering and Computer Science der Florida Atlantic University. Das Projekt verfügt über großflächige Bildschirme, die das intelligente Netz von FPL für schwere Wetterereignisse nachbilden.

Im April teilte Ketchum ebenfalls das Potenzial mit, dass der Markt für erneuerbare Energien und Energiespeicherung in den nächsten sieben Jahren im Vergleich zu den vorangegangenen sieben Jahren verdreifacht werden könnte, angetrieben durch die steigende Nachfrage beim Bau von Rechenzentren.

Entwickler von Rechenzentren wollen kostengünstige Energie, einen Beitrag zur Dekarbonisierung und den richtigen Standort für eine schnelle Markteinführung. Darüber hinaus elektrifizieren sich die Chipfertigung sowie die Öl‑ und Gasindustrie, was zu einer „signifikanten Stromnachfrage“ führt.

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Fazit

Der Weg zu Netto‑Null‑Emissionen beinhaltet erneuerbare Energien als kritischen Baustein, der helfen kann, fossile Brennstoffe zu reduzieren, indem er saubere Energiequellen bereitstellt. Die saubere und grüne Energierrevolution benötigt jedoch vielversprechende großskalige Energiespeicherlösungen.

Während die Druckluftenergiespeicherung (CAES) die Lösung bietet, hat sie eigene Probleme in Bezug auf niedrige Effizienz und hohe Kosten. Die neueste Forschung bietet jedoch einen innovativen Ansatz, um die Anfangsinvestitionen deutlich zu senken und die Effizienz zu steigern.

Die Umnutzung verlassener Öl- und Gasbohrungen für Energiespeicheranwendungen und die Integration geothermischer Energie in das System erhöhen die Effizienz weiter und reduzieren gleichzeitig die Umweltauswirkungen.

Diese neuartige Anordnung stellt einen bedeutenden Fortschritt in nachhaltigen Energiesystemen dar und bietet einen Weg zu saubereren und profitableren CAES‑Systemen sowie zu einer widerstandsfähigeren und umweltfreundlicheren Energiezukunft!

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