Assessing the potential of underground pumped hydro storage (UPHS) in abandoned mines in Europe and globally

Abstract

Renewable energy’s share of the world’s energy sector is continuously increasing, with no signs of stopping. The power system’s short-term flexibility needs are consequently increasing significantly, with the increase in solar energy being the single biggest factor. The most common and mature technology for large-scale grid balancing applications is pumped hydro storage, but the best sites for it are perceived to already be in use, or not publicly accepted, for example, for environmental reasons.

In this thesis, underground pumped hydropower is being evaluated as the solution, for the topographical- and environmental problems that conventional pumped hydro storage faces. There are thousands of mines in the world, with several hundred-meter height differences, that could be utilized for this application, economically and environmentally. Different characteristics and parameters of the mines are being evaluated, to understand the factors that make these mines feasible. Also, the theoretical potential of capacity is being evaluated.

There aren’t any operational pumped hydro storage sites, that use underground caverns as the lover reservoir, but open pit mines are currently used as the upper one. Weber et al. 2024 study found 904 sites with 30 TWh of potential, in open pit mines, that are paired with dry gullies. No such studies are done on underground caverns because data on all of the abandoned mines in the world doesn’t exist, but estimations are in the millions. Some databases exist, but they are often incomplete and regional. For these reasons, the potential for underground pumped hydro storage is most likely impossible to calculate, without collective efforts to map the characteristics and the number of these mines, to make estimations, on the matter.

Uusiutuvan energian osuus maailman energiasektorista kasvaa jatkuvasti, eikä merkkejä hidastumisesta ole näkyvissä. Sähköjärjestelmien lyhyen aikavälin jouston tarve kasvaa merkittävästi, johon aurinkoenergian lisääntyminen on merkittävin tekijä. Yleisin ja kypsin suuren mittaluokan säätövoimateknologia on pumppuvesivoima, mutta parhaiksi koetut paikat ovat jo käytössä tai eivät ole julkisesti hyväksyttyjä, esimerkiksi ympäristösyistä.

Tässä kandidaatintyössä arvioidaan maanalaisen pumppuvesivoiman käyttöä ratkaisuna perinteisen pumppuvesivoiman kohtaamiin topografisiin- ja ympäristöongelmiin. Maailmassa on tuhansia kaivoksia, joissa on satojen metrien korkeuseroja. Niitä voitaisiin hyödyntää sekä taloudellisesti, että ympäristöystävällisesti. Erilaisten kaivosten ominaisuuksia ja parametrejä arvioidaan ymmärtääksemme tekijöitä, jotka tekevät niistä toteuttamiskelpoisia. Myös teoreettista kapasiteetin potentiaalia arvioidaan.

Maanalaisia pumppuvesivoimaloita, jotka käyttävät kaivoksia ala-altaana, ei ole vielä käytössä, mutta avolouhoskaivoksia käytetään yläaltaina. Weber et al. 2024 tutkimuksessa löydettiin 904 potentiaalista avolouhosta, jotka voitasiin yhdistää vedettömiin rotkoihin muodostaen 30 TWh:n potentiaalin. Maanalaisista luolastoista ei ole tehty vastaavia tutkimuksia, koska tietoja kaikista maailman hylätyistä kaivoksista ei ole olemassa, mutta arviot liikkuvat miljoonissa. Joitakin tietokantoja on olemassa, mutta ne ovat usein puutteellisia ja alueellisia. Näiden syiden vuoksi maanalaisen pumppuvoimalan potentiaalin laskeminen on todennäköisesti mahdotonta ilman yhteistyötä kaivosten ominaisuuksien ja määrän kartoittamiseksi, jotta arvioita voitaisi muodostaa.