Pumpspeicherkraftwerk

Staumauer des Kraftwerks Ottenstein mit dem Krafthaus, in welchem zwei Pumpen mit je 9 MW Leistung und vier Turbinen mit je 12 MW Leistung untergebracht sind
Das Oberbecken des Pumpspeicherkraftwerks Wehr, das Hornbergbecken im Südschwarzwald, in geleertem Zustand, Mai 2008

Ein Pumpspeicherkraftwerk (auch Pumpspeicherwerk (PSW) oder, insbesondere in der Schweiz, Umwälzwerk[1] genannt) ist eine besondere Form eines Speicherkraftwerkes und dient der Speicherung von elektrischer Energie durch Hinaufpumpen von Wasser. Dieses Wasser lässt man später wieder bergab fließen und erzeugt dabei mittels Turbinen und Generatoren wieder elektrischen Strom. Die elektrische Energie wird also durch Umwandlung in potentielle Energie von Wasser gespeichert und nach Umwandlung dieser potentiellen Energie in elektrische Energie wieder ins Netz gespeist. Aufgrund des begrenzten Wirkungsgrads wird die aufgenommene Energie nur zum Teil wiedergewonnen. Dennoch sind Pumpspeicherkraftwerke notwendige und unverzichtbare Energiespeicher:

In Ländern mit hohem Anteil von Wasserkraft aus Speicherkraftwerken (zum Beispiel: Norwegen) werden Pumpspeicherkraftwerke kaum benötigt, da bei Stromüberschuss die Speicherwasserkraftwerke problemlos ihre Erzeugung drosseln oder ganz abschalten können, was bei Dampfkraftwerken, Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen und den meisten anderen Kraftwerkstypen nur mit größeren Energieverlusten bzw. höheren Kosten möglich ist.

Kleine Pumpspeicherwerke können dazu beitragen, dezentral Energie zu speichern und flexible Stromproduktion zu generieren. Dies ermöglicht eine dezentrale Integration der erneuerbaren Energien[2].

Funktionsweise

Energieumwandlung

Querschnittszeichnung eines Pumpspeicherkraftwerks am Beispiel des geplanten Pumpspeicherkraftwerks Atdorf
Detaillierte Querschnittszeichnung am Beispiel des Raccoon-Mountain-Pumpspeicherwerks

Kennzeichen eines Pumpspeicherkraftwerks ist der reversible Anlagenbetrieb. Eine Turbine, ein Generator und eine Pumpe sind auf einer Welle montiert und bilden eine Einheit, die zwei Betriebsarten hat: bei Strombedarf arbeitet der Motorgenerator als Generator und liefert, von der Turbine angetrieben, elektrischen Strom. Das Wasser fließt dabei vom Ober- ins Unterbecken und liefert die Antriebsleistung. Bei Überschuss an elektrischer Leistung im Stromnetz arbeitet der Motorgenerator als Elektromotor und treibt die Pumpe an, welche das Wasser wieder in das Oberbecken pumpt. Beim Schließen der Absperrorgane in den Druckleitungen, z. B. beim Umschaltvorgang vom Generator- in den Pumpbetrieb kommt es zu Druckstößen. Um diese auszugleichen, gibt es möglichst nahe an der Turbine oder Pumpe ein Wasserschloss, welches diese Schwankungen ausgleicht und so Schäden an Anlagenteilen verhindert.

Neben dieser klassischen Bauweise werden heute auch Pumpturbinenkraftwerke gebaut, die anstelle der Turbine und der Pumpe mit sogenannten Pumpturbinen ausgerüstet sind. Bei der Pumpturbine handelt es sich um eine Strömungsmaschine, die in beiden Richtungen durchströmt werden kann und je nach Drehrichtung als Pumpe oder Turbine arbeitet.

Speicherung

Die Größe der Speicherkapazität in Megawattstunden ist grundsätzlich abhängig von der speicherbaren Wassermenge und dem nutzbaren Höhenunterschied zwischen dem Oberbecken und der Turbine. Bei reinen Pumpspeicherwerken ist die Speicherkapazität meist so ausgelegt, dass die Generatoren zumindest 4 bis 8 Stunden unter Volllast Strom produzieren können.

Die größten Pumpspeicherkraftwerke haben Stauseen mit hunderten Millionen Kubikmetern und können damit einen Ausgleich zwischen den Jahreszeiten herstellen, z. B. im Sommer pumpen und im Winter erzeugen. Es gibt zudem Überlegungen, ganze Wasserstraßen als Pumpspeicher zu nutzen. Dabei soll mittels überschüssigem Strom Wasser aus dem Kanal entgegen der Fließrichtung eine Staustufe hinaufgepumpt werden.[3] Angewendet auf die deutschen Binnenwasserstraßen seien auf diese Weise Pumpspeicherleistungen von 400 Megawatt denkbar.[4]

Oberirdisch

Bei einigen Speicherbecken wurde das Füllvolumen eines natürlichen Sees mittels Staumauer oder Staudamm vergrößert (zum Beispiel beim Schluchsee). Einige Speicherbecken sind natürliche Seen ohne solche Vergrößerungen; einige wenige Speicherbecken wurden ausschließlich von Menschenhand angelegt (zum Beispiel Hornbergbecken, Eggbergbecken, Geesthacht).[5]

Es gibt Oberbecken, die ausschließlich mittels Wasserzufuhr durch Pumpen gefüllt werden, sowie solche, die (auch) durch natürlichen Zufluss gespeist werden.

Unterirdisch

In den 1980er Jahren beauftragte die niederländische Regierung die TU Delft mit der Erforschung unterirdischer Wasserspeicher in der Region Limburg.[6] 2009 wurden Überlegungen bekannt, Speichervolumen in ehemaligen Bergwerken anzulegen.[7] Untertägige Pumpspeicher bieten die Vorteile von übertägigen Pumpspeichern, wie z.B. Regelenergie für die in der Einspeisung schwankenden Energiequellen Windenergie und Solarenergie bereitstellen zu können, wobei die üblichen Nachteile, wie Landschaftsverbrauch und Höhendifferenz in Abhängigkeit von der Geologie entfallen.[8][9][10][11][12][13] Gelegentlich ist von 'Unterflur-Pumpspeicherkraftwerk' die Rede.[14] Derartige Anlagen könnten auch in ehemaligen Bergwerken im Ruhrgebiet sowie anderen Bergbauregionen entstehen, wobei jedoch für Kohle- im Gegensatz zu Erzlagerstätten gänzlich andere Rahmenbedingungen gelten, z.B. im Bereich der Gesteinsstabilität und -dichtheit.[15] [16]

Unterseeisch

Seit 2011 wird an der Entwicklung unterseeischer Pumpspeicherkraftwerke gearbeitet. Vom Prinzip her werden Betonhohlkugeln in großer Tiefe auf den Meeresboden herabgelassen. Bei Stromüberschüssen, beispielsweise aus Offshore-Windparks, werden die Kugeln leergepumpt, so dass Luft das Wasser in den Hohlkugeln verdrängt. Wird die Energie benötigt, werden die Kugeln mit Meereswasser geflutet und Turbinen angetrieben. Hierbei macht man sich den hohen Druck in der Tiefe zu nutze.[17][18][19][20]

Entwicklungsgeschichte

In kleinem Maßstab wurden moderne Pumpspeicherkraftwerke erstmals in den 1920ern realisiert. Einer der deutschen Ingenieure, die die Technik für großdimensionierte Pumpspeicherkraftwerke als weltweite Pionierleistung entwickelt haben, war Arthur Koepchen. Nach ihm wurde das 1930 in Betrieb genommene PSW Koepchenwerk der RWE AG in Herdecke an der Ruhr benannt. Seither wurden viele weitere Pumpspeicherwerke gebaut, siehe auch Liste von Pumpspeicherkraftwerken.

Allerdings wurde das grundlegende Prinzip der Speicherung von Wasser als Lageenergie bereits in der Spätphase des solar-agrarischen Zeitalters – kurz vor Beginn der Industrialisierung – genutzt. Windmühlen, die in der Produktion volatiler waren als Wassermühlen, pumpten Wasser in ein höhergelegenes Reservoir, aus dem wiederum Wassermühlen kontinuierlich gespeist wurden; ein Vorgang, der v.a. in der Textilindustrie genutzt wurde, wo es besonders auf eine fein dosierbare, regelmäßige Bewegung der mechanisch angetriebenen Webstühle ankam.[21] Damit konnte die Arbeitsfähigkeit der in dieser Zeit besonders wertvollen und deshalb stark genutzten Wasserkraft durch Windkraft erhöht werden.

Energiewirtschaftliche Bedeutung

Tagesgang eines Pumpspeicherkraftwerkes. Grün bedeutet Leistungsaufnahme aus dem Netz durch Pumpen; Rot Leistungsabgabe ins Netz durch die Turbine.

Die Fähigkeit der Pumpspeicherkraftwerke, sowohl Energie aufzunehmen als auch abzugeben, wird zur Regelung des Stromnetzes genutzt. Die Erzeugungsleistung steht wie bei Speicherwasserkraftwerken bei Bedarf innerhalb von Minuten zur Verfügung und kann in einem weiten Bereich flexibel geregelt werden. Auch der Pumpbetrieb kann flexibel auf unterschiedlich hohe Leistungsüberschüsse im Netz angepasst werden, wenn zwei voneinander getrennte Steig- und Fallrohre vorhanden sind (Schluchseewerk), oder das Prinzip des hydraulischen Kurzschlusses angewandt wird (Kopswerk II).[22]

Dank ihrer sogenannten Schwarzstartfähigkeit können Pumpspeicherkraftwerke bei totalen Stromausfällen zum Anfahren anderer Kraftwerke eingesetzt werden.

In seinem Sondergutachten „100 % erneuerbare Stromversorgung bis 2050: klimaverträglich, sicher, bezahlbar“ von Mai 2010 geht der von der Bundesregierung eingesetzte Sachverständigenrat für Umweltfragen davon aus, dass die Kapazitäten der Speicherkraftwerke insbesondere in Norwegen (allein nahezu 85 TWh Wasserbeckenkapazität der dortigen zu Pumpspeichern ausbaufähigen Speicherwasserkraftwerke) und Schweden bei weitem ausreichen, um Schwankungen der zukünftig eingespeisten erneuerbaren Energien auszugleichen.[23] Dieses setzt aber einen erheblichen Ausbau der Nord-Süd-Netzanbindung voraus.[24] Die derzeitigen Kapazitäten in Deutschland (neuere Schätzungen im Zusammenhang mit Wind- bzw. Solargas sprechen von ca. 0,6 TWh) sind hierfür zu gering. Allerdings hat die Technologie der Druckluftspeicherkraftwerke in Deutschland ein geschätztes Potenzial von 3,5 TWh (Differenz zwischen minimalem und maximalem Speicherfüllstand), was die Erschließung der norwegischen Reserven unter Umständen ersetzen bzw. hinauszögern kann.[23] Aufgrund des niedrigeren Wirkungsgrades von Druckluftspeicherkraftwerken käme es jedoch zu größeren Energieverlusten als mit Pumpspeicherkraftwerken. Diese Problemstellung wird seit der Nuklearkatastrophe von Fukushima verstärkt diskutiert, da bedingt durch die Energiewende der Anteil ökologisch produzierten Stroms in Deutschland ansteigen wird.

Ökonomie

Bei niedrigem allgemeinen Energiebedarf und folglich niedrigen Strompreisen fungiert der Generator als stromverbrauchender Motor und pumpt Wasser in das Oberbecken. Mit diesem Wasser wird in Spitzenzeiten des Stromverbrauchs Strom produziert, der notwendig ist, um die Stromversorgung nicht kollabieren zu lassen und entsprechend teuer verkauft wird. Wenige Minuten nach der Anforderung von der Verteilerzentrale kann so ein Speicherkraftwerk stundenlang volle Leistung abgeben. Wie man der Vergleichstabelle zu Energiespeichern entnehmen kann, kann kein anderes, technisch ausgereiftes Speicherverfahren auch nur annähernd mit den Leistungsdaten eines Pumpspeicherkraftwerks konkurrieren.

Laufwasserkraftwerke und thermische Kraftwerke wie Kernkraftwerke oder Kohlekraftwerke liefern möglichst konstante Leistung (Grundlast) und können nur innerhalb von Stunden oder Tagen hoch- und heruntergefahren werden. Dadurch und bei Teillastbetrieb sind sie nicht besonders effizient. Gleichzeitig gibt es im Tages- und Wochenverlauf einen stark schwankenden Stromverbrauch (Spitzenlast). Daher ist der Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken wirtschaftlich sinnvoll. Sie bieten eine Möglichkeit, den z. B. nachts oder zu absatzschwachen Tageszeiten ins Netz eingespeisten Strom, der zu vergleichsweise günstigen Preisen verfügbar ist, zeitlich versetzt in deutlich teurer absetzbaren Strom für Bedarfsspitzen umzuwandeln. Der Verkaufspreis bei diesem Geschäft kann ein Vielfaches des Einkaufspreises betragen. Es war von Anfang an klar, dass dieses System technisch funktioniert, aber der ökonomische Nutzen wurde erst durch die Inbetriebnahme des Koepchenwerkes nachgewiesen.

Die Existenz von Pumpspeicherkraftwerken sichert auch einen Teil der wirtschaftlichen Risiken thermischer Grundlast-Kraftwerke ab, die so auch nachts praktisch nicht benötigten Strom ins Netz einspeisen können.

Auch durch den weiteren Anstieg der sehr unregelmäßigen Stromproduktion aus Wind- und Sonnenenergie wird mit einer steigenden Bedeutung von Pumpspeicherkraftwerken gerechnet. Problematisch ist, dass zwischen den optimalen Gebieten der Windkraftwerke an der Küste und den Standorten möglicher Pumpspeicherwerke in den Mittelgebirgen einige 100 km liegen, die derzeit nicht durch leistungsstarke Fernleitungstrassen überbrückt werden.

Wirkungsgrad

Grundsätzlich wird in jedem Pumpspeicherkraftwerk mehr Strom zum Hochpumpen benötigt, als beim Herunterfließen wieder zurückgewonnen werden kann. Verluste entstehen beim Lade- und beim Entladevorgang durch die Reibungsverluste des fließenden Wassers (Flüssigkeiten haben einen Strömungswiderstand; bei Wasser spricht man auch von Wasserwiderstand und hydraulischen Verlusten), durch den Wirkungsgrad der Pumpe (Ladevorgang) bzw. Turbine (Entladevorgang), durch den Wirkungsgrad des Motors bzw. des Generators sowie durch Trafoverluste und in geringem Maße auch durch Eigenbedarf des Pumpspeicherwerkes. Der Gesamtwirkungsgrad eines Pumpspeicherkraftwerkes liegt heute in der Regel bei 75–80 %, in Ausnahmefällen etwas höher.[25][26][27]

Hinzu kommen noch Übertragungsverluste für Hin- und Rücktransport der elektrischen Energie. Diese hängen ab von der geographischen Distanz zwischen Energieerzeuger, Pumpspeicherung und Energieverbraucher.

Kritik

Pumpspeicherkraftwerke können einen erheblichen Eingriff in die Ökologie und ins Landschaftsbild darstellen. Da die Speicherbecken der regelmäßigen Beanspruchung und Erosion durch wechselnde Wasserstände standhalten müssen, werden diese in der Regel betoniert oder asphaltiert, wodurch sich kein natürlicher Bewuchs bilden kann. Der häufige Wasserwechsel mit einer völligen Durchmischung verhindert auch das Einstellen einer naturnahen Limnologie im Wasserkörper. Sofern die Becken durch Dämme eingestaut sind, besteht das geringe Risiko eines Dammbruches. Aufgrund der sehr großen Rohrdurchmesser kann auch ein Rohrbruch erhebliche Schäden und Überschwemmungen auslösen.

Gegner von Pumpspeicherkraftwerken nennen diese Anlagen „Energievernichter“ und halten sie für einen teilweise erheblichen Eingriff in Landschaft und Natur. Pumpspeicherkraftwerke sind jedoch derzeit das großtechnische Verfahren mit dem höchsten Wirkungsgrad, um elektrische Energie bei Schwankungen zwischen Nachfrage und Angebot zwischenzuspeichern.

Oberirdische Pumpspeicherkraftwerke

Siehe hierzu die Liste von Pumpspeicherkraftwerken, in der im Betrieb befindliche und geplante Anlagen gelistet sind.

Deutschland

In Deutschland ist eine Pumpspeicherleistung von etwa 7 GW (Gigawatt) installiert (siehe Liste der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland). Das mit einer installierten Leistung von 1.060 MW (1,06 GW) größte deutsche Pumpspeicherwerk steht im thüringischen Goldisthal. Die Kraftwerke sind für eine Stromlieferung von täglich 4–8 Stunden ausgelegt. Daraus ergibt sich eine Gesamtspeicherkapazität von etwa 40 GWh (Stand 2010).[23][28][29] Im Jahr 2006 erzeugten die deutschen Pumpspeicherkraftwerke 4.042 GWh elektrischer Energie; das ist ein Anteil von rund 0,65 % der Stromerzeugung. Dem stand eine Pumparbeit von 5.829 GWh gegenüber, sodass der durchschnittliche Wirkungsgrad bei etwa 70 % lag.[30]

Schweiz

Die meisten Wasserkraftwerke in der Schweiz sind als Speicherkraftwerke ausgelegt. Oben genannte Liste beinhaltet jene Werke, welche auch pumpen können. Zurzeit entstehen in den Schweizer Alpen mehrere Großkraftwerke mit unterirdischen Leitungen und Maschinenhäusern.

Norwegen

Die meisten Wasserkraftwerke in Norwegen sind als Speicherkraftwerke ausgeführt. Viele von diesen Kraftwerken haben sowohl einen Ober- als auch einen Untersee, so dass sie mit relativ geringem Aufwand in ein Pumpspeicherkraftwerk umgebaut werden könnten.

Weblinks

 Commons: Pumpspeicherkraftwerke – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Das Pumpspeicherwerk im Detail. Abschnitt Umwälzwerke. strom-online.ch, abgerufen am 21. Oktober 2011.
  2. Crettenand, N. (2012) The facilitation of mini and small hydropower in Switzerland: shaping the institutional framework. With a particular focus on storage and pumped-storage schemes. Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). PhD Thesis N° 5356. http://infoscience.epfl.ch/record/176337?ln=en
  3. Wasserstraßen als Pumpspeicher nutzen, 29. November 2010, Independence
  4. Schifffahrtskanäle werden dezentrale Pumpspeicher, 3. Dezember 2010, VDI nachrichten
  5. badische-zeitung.de, 27. November 2010, Südwest, Bad Säckingen, Katja Mielcarek: Pumpspeicherwerk Atdorf: Über die erste Hürde (28. November 2010)
  6. Stromspeicher unter Tage – 21. Nov. 2011
  7. Andrea Hoferichter: Windstrom aus dem Bergwerk – sueddeutsche.de, 3. Nov. 2010
  8. maschinenmarkt.vogel.de, 21. Januar 2009, Josef-Martin Kraus: TU Clausthal – Uni erforscht Speicherung von Windenergie in alten Bergwerken (27. November 2010)
  9. dradio.de, Forschung Aktuell, 25. November 2010, Eugen Perau, Professor für Geotechnik an der Universität Duisburg-Essen im Gespräch mit Monika Seynsche: Großes Potenzial – Forscher schlagen Pumpspeicherwerke in Bergwerken vor (27. November 2010)
  10. handelsblatt.com, Industrie, Erneuerbare Energien, 8. März 2010: Energiebranche muss Milliarden in Speicher stecken (27. November 2010)
  11. forum-netzintegration.de, Marko Schmidt, Energie-Forschungszentrum Niedersachsen, 30. September 2009, Berlin, Impulsreferat zum Netz-Event der Deutschen Umwelthilfe: Windenergiespeicherung durch Nachnutzung stillgelegter Bergwerke (27. November 2010; PDF; 734 kB)
  12. H.-P. Beck, M. Schmidt (Hrsg.):Windenergiespeicherung durch Nachnutzung stillgelegter Bergwerke, Abschlussbericht, Goslar, 31. August 2011 online, 47 MB, abgerufen am 1. März 2012
  13. sfv.de – Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V., 23. April 2008, Eckard Quitmann: Pumpspeicherkraftwerk unter Tage (PUSKUT) – Nutzung stillgelegter Bergwerke zur Speicherung von Energie
  14. google.de 322 Ergebnisse im MÄrz 2011)
  15. Die tiefen Schächte im Ruhrgebiet regen Forscher an. In: VDI nachrichten, 27. Januar 2012. Abgerufen am 27. Januar 2012.
  16. H.-P. Beck, M. Schmidt (Hrsg.):Windenergiespeicherung durch Nachnutzung stillgelegter Bergwerke, Abschlussbericht, Goslar, 31. August 2011 online, 47 MB, abgerufen am 1. März 2012
  17. Hohlkugeln speichern überschüssigen Windstrom. In: Frankfurter Allgemeine, 1. April 2011. Abgerufen am 23. Mai 2012.
  18. Strom aus der Batterie im Meer. In: Frankfurter Rundschau, 20. Juni 2011. Abgerufen am 23. Mai 2012.
  19. Meeresdruck soll Turbinen antreiben. In: Deutschlandradio Kultur, 27. April 2011. Abgerufen am 23. Mai 2012.
  20. Bis zu 2000 Meter unter dem Meer: Betonhohlkugel-Energiespeicher arbeiten nach dem Prinzip von Speicherkraftwerken – Probeanlage soll in drei Jahren vor Norwegen in Betrieb gehen. In: Zanter, 25. KW 2011. Abgerufen am 23. Mai 2012.
  21. Rolf Peter Sieferle, Rückblick auf die Natur. Eine Geschichte des Menschen und seiner Umwelt, München 1997, S. 92.
  22. Kopswerk II – Das neue Pumpspeicherkraftwerk der Vorarlberger Illwerke AG in Gaschurn-Partenen, Broschüre der Vorarlberger Illwerke Aktiengesellschaft, S. 9; abgerufen am 27. April 2011
  23. a b c Sachverständigenrat für Umweltfragen (2010): 100 % erneuerbare Stromversorgung bis 2050: klimaverträglich, sicher, bezahlbar (PDF; 3,6 MB), zuletzt abgerufen am 11. Jan. 2011
  24. Sachverständigenrat für Umweltfragen (PDF; 3,6 MB) Seite 69
  25. Jürgen Giesecke: Wasserkraftanlagen. Planung, Bau und Betrieb. Springer-Verlag, 5. Auflage, Berlin/Heidelberg 2009, S. 565
  26. Matthias Popp: Speicherbedarf bei einer Stromversorgung mit erneuerbaren Energien. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2010, S. 42 ff.
  27. http://www.energie.ch/pumpspeicherkraftwerk
  28. www.dena.de S. 157, zuletzt abgerufen am 4. Dezember 2010
  29. www.VDE.com Stand 24. März 2009, zuletzt abgerufen am 21. Dez. 2010
  30. Volker Quaschning, Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. München 2011, S. 303.