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Pumpspeicherkraftwerk

Funktionsprinzip eines Pumpspeicherkraftwerks

In einem Pumpspeicherkraftwerk (engl. Pumped Hydroelectric Storage), auch Umwälzwerk genannt, wird elektrische Energie, unter anderem erzeugt aus erneuerbaren Energien, in Form von potentieller Energie in einem Wasserreservoir gespeichert (s. Abb. 1). Ein Pumpspeicherkraftwerk besitzt dazu ein höher gelegenes Becken (Oberbecken) und ein niedriger gelegenes Staubecken (Unterbecken). Diese Becken dienen zur Aufnahme von Wasser und in diesem Zusammenhang zur Aufnahme des Speichermediums.

 

Abbildung 1, Grundprinzip eines Pumpspeicherkraftwerks

Im Speicherungsprozess wird eine Pumpe mit Energie angetrieben, gewonnen aus regenerativen Energien, die das Speichermedium Wasser entgegen der Erdanziehungskraft aus dem Unterbecken in das Oberbecken befördert. Das Wasser verbleibt im Oberbecken bis zum Zeitpunkt, an dem die gespeicherte Energie mit Hilfe eines Generators wieder in elektrische Energie umgewandelt und verwendet werden soll.

Ringwallspeicher

Abbildung 2, Ringwallspeicher [4]

Eine Bauform des Pumpspeichers stellt der Ringspeicher dar, bei dem das Oberbecken in der Mitte und das Unterbecken als äußerer Ring angeordnet ist (s. Abb. 8). Ein Ringwallspeicher wird meistens bei flachem Gelände, auch im Meer möglich, geplant und überall wo kein ausreichendes Gefälle für den Bau eines herkömmlichen Pumpspeichers vorhanden ist (nach [4]).

Energiedichte


Formel 1, Potentielle Energie

 

m: Masse [kg]

g: Erdbeschleunigung [N/kg]

h: Höhenunterschied

 

Die Energiedichte dieses Systems kann vereinfacht mit der potentiellen Energie eines Mediums erklärt werden (siehe Formel 1). Die Energie einer Masse nimmt bei steigender Höhenlage zu (siehe Diagramm 2) und des Weiteren ist die Energie umso größer, desto größer die Masse ist. Ein derartiges System ist druckabhängig. Es besteht also ein direkter Zusammenhang zwischen der Fallhöhe und der Menge des Mediums (siehe Diagramm 3).

Diagramm 2,  Energiedichte in Abhängigkeit von der Fallhöhe

 

Diagramm 3, Gegenüberstellung der Beckengröße und der Fallhöhe bei 1 kWh

Die Energiedichte von modernen Pumpspeicherkraftwerken reicht von 0,2 kWh/m³ bei Kleinanlagen bis hin zu 1 kWh/m³ bei Großanlagen (siehe Anlagenbeispiele).

 

Machbarkeit

Ein Pumpspeicherkraftwerk ist grundsätzlich überall da möglich, wo genügend Platzreserven vorhanden sind. Die Machbarkeit für Klein- und Großanlagen kann anhand des folgenden Beispiels deutlich gemacht werden.

 

Für die Beispielrechnung werden folgende Daten angenommen:

 

Wirkungsgrad bei Speicherung:                                0,85

Wirkungsgrad bei Entnahme:                                   0,85

Höhenunterschied bzw. Fallhöhe:                             10 m

Geforderte Leistung:                                                1 kWh

 

(Rohrreibungs- und sonstige Verluste werden vernachlässigt.)

 

1) Gesamtleistung, die benötigt wird um Forderung zu erfüllen:

               

                               Gesamtwirkungsgrad = Wirkungsgrad bei Speicherung x Wirkungsgrad bei                                                                                     Entnahme

                              

                               Gesamtwirkungsgrad = 0,85 x 0,85 = 0,7225

 

                               Gesamtleistung = Geforderte Leistung : Gesamtwirkungsgrad

 

                               Gesamtleistung = 1 kWh : 0,7225

 

                               Gesamtleistung = 1,34 kWh

 

d.h. für die Speicherung und Entnahme muss eine Gesamtleistung von 1,34 kWh aus regenerativen Energien erzeugt bzw. bereitgestellt werden. 0,34 kWh gehen bei der Speicherung und Entnahme verloren.

2) Erforderliche potentielle Energie:

                               Potentielle Energie = Volumen x Dichte des Mediums x Erdanziehung x Höhe

  • 1,34 kWh entspricht 5000 kJ

 

Beckenvolumen = Potentielle Energie : (Dichte des Mediums x Erdanziehung x Höhe)

 

                               Beckenvolumen = 5000 kJ : (1000 kg/m³ x 9,81 N/kg x 10 m)

 

                               Beckenvolumen = 50,97 m³

 

  • Energiedichte von 0,02 kWh/m³

 

Erhöhung der Fallhöhe auf 100m ergibt den direkten Zusammenhang:             

 

  • Beckenvolumen             5,01 m³

                                                                                                                                            

  • Energiedichte   0,22 kWh/m³

 

Die Realisierung einer Anlage mit effizienter Energiedichte setzt, wie in der Rechnung und den Diagrammen 2 und 3 deutlich wird, eine große  Fallhöhe voraus. Große Fallhöhen sind in einem kleinen Maßstab äußert schwer umzusetzen. Die Energiespeicherung mit Hilfe von Pumpspeicherkraftwerken sollte deshalb aus ökonomischer und ökologischer Sicht Großanlagen vorbehalten bleiben.

Die oben gezeigte Berechnung soll den wesentlichen Unterschied zwischen Klein- und Großanlagen aufzeigen. Die Berechnung dient nicht als Auslegungsgrundlage für ein Speicherkraftwerk, da in der Realität andere Faktoren in die Rechnung mit einfließen müssten, die hier nicht berücksichtigt wurden. Eine genauere Berechnung kann nach Torricelli: Ausfluss eines offenen Behälters, unter Berücksichtigung des Ausfluss-Querschnitts, der Rohrreibung und der technischen Daten der verwendeten Turbine erfolgen.

Ökonomie und Invest

Die Investitionskosten, die bei einem Pumpspeicherkraftwerk entstehen, können nur schwer verallgemeinert werden, da sich der Kostenaufwand je nach geographischen Gegebenheiten und der Größe der Anlage erheblich unterscheiden kann. Nimmt man das Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal als Beispiel, so wird bei einer Großanlage mit 74 €/kWh kalkuliert. Bei kleineren Anlagen kann eine kWh auch bis zu 1000€ Kosten verursachen.

Größere Anlagen sind in den meisten Fällen wirtschaftlich sinnvoll, da unter anderem der Invest niedrig und eine vergleichsweise hohe Energiedichte gewährleistet ist. Bei kleineren Anlagen ist die Ökonomie abzuwägen, da hier die Investitionskosten wesentlich höher und die Energiedichte geringer ist.

Marktsituation

Der Markt ist ausgereift. Die Technik ist in unserem Land umfassend vorhanden und es gibt Referenzen in Form von bestehenden Anlagen. Hersteller von Pumpen, Turbinen, Laufrädern und sonstigem technischen Zubehör existieren.

 

Ökologie

Pumpspeicherkraftwerke benötigen sehr viel freien Raum um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. Sie werden in den meisten Fällen in bergigen Regionen errichtet, da hier das Gefälle bzw. die Fallhöhe ausreichend groß ist. In diesem Zusammenhang bedeutet die Errichtung eines derartigen Kraftwerks einen enormen Eingriff in die Natur und auch unter anderem das Landschaftsbild. In Goldisthal wurde beispielsweise für den Bau des Oberbeckens ein ganzer Berggipfel abgetragen. In Flussläufe müssen Dämme integriert werden, die das Ökosystem gefährden können. Sedimente können unter Umständen nicht mehr ausgeschwemmt werden. Ein stehendes, nährstoffreiches Gewässer begünstigt, insbesondere in den Sommermonaten, die Faulung und das Absterben von Organismen (Sauerstoffzehrung). Hier muss ein ausreichender Wasseraustausch sichergestellt werden. Ein derartiges Projekt muss daher immer sorgfältig und umweltschonend geplant und realisiert werden. Grundsätzlich sollten daher eine zusammenfassende Bewertung der Artenvielfalt und eine Zusammenstellung eventueller Schutzgebiete nach allgemein geltenden Richtlinien, wie der Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie (FFH) und Gesetzen, wie dem Bundesnaturschutzgesetz (BNatSchG), im Projektgebiet erstellt werden. Es ist ebenso zu prüfen, inwiefern Bewohner und auch Anwohner des Gebiets beeinträchtigt werden.

 

Im Bereich Personenschutz sind vor allem folgende Faktoren relevant:

  • Anpassung der Infrastruktur
  • Lärm- und Staubbelastung während der Bauphase
  • Gefahren durch eventuelle Anhebung des Grundwasserspiegels
  • Gefährdung bei Dammbruch bzw. Überschwemmungsrisiko
  • Umgestaltung des äußeren Erscheinungsbildes der Landschaft

 

Sonstige Schutzgüter, die untersucht werden müssten, könnten unter anderem sein:

  • Schutzgut „Boden“, Effekte auf Agrar-Böden, Gesteinsschichten und sonstige Bodenzusammensetzungen
  • Schutzgut „Wasser“, Effekte auf das Grundwasser, Fließgewässer und sonstige Gewässeranbindungen
  • Schutzgut „Klima und Luft“, Effekte auf Luftqualität, Luftfeuchtigkeit, Windverhältnisse etc.
  • Landschaftsbild, Kultur- und Sachgüter wie z.B. historische Gebäude und historische Landschaftsstrukturen

Mit der Berücksichtigung dieser Faktoren sollten sich das Risiko und eventuelle Gefahren abschätzen lassen. Es bleibt jedoch trotz kalkulierbarer Risiken ein großer Eingriff in die Natur und die Umwelt. Ein Für und Wider sollte daher sorgfältig abgewogen werden.

 

Anlagenbeispiele

Goldisthal – Größtes Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland

In Goldisthal, im tief eingeschnittenen Tal der Schwarza, ist der Höhenunterschied zu den umliegenden Bergen ausgesprochen groß. So beträgt die Differenz zwischen Talsohle und Bergkuppe an manchen Stellen bis zu 300m. Aus diesem Grund bauten schließlich Anfang der 90er Jahre die Vereinigte Energiewerke AG (VEAG), später die Vattenfall Europe Generation das Pumpspeicherwerk Goldisthal. Seit dem Jahre 2003 ist das Kraftwerk voll einsatzfähig und kann zu Höchstzeiten theoretisch ganz Thüringen 8 Stunden lang mit Strom versorgen. Das Oberbecken ist über einen etwa 800 Meter langen Druckwasserstollen mit einer großen Maschinen-Kaverne (Länge: 137 m, Breite: 26 m, Höhe: 49 m), die tief im Berginneren sitzt, verbunden. Die Steigung beträgt 25 Grad gegen die Horizontale. Nach dem das Wasser die Turbine durchquert hat, wird es in großen Rohrleitungen dem Unterbecken Goldisthal wieder zugeführt.

Talsperre (Unterbecken des PSW)

Abbildung 3, Talsperre Goldisthal [1]

Die Talsperre Goldisthal (s. Abb. 3) grenzt in südlicher Richtung unmittelbar an Goldisthal. Von einem Aussichtspunkt  ist ein Teil des Stausees zu überblicken. Der Kraftwerksbetrieb lässt sich an dem schwankenden Wasserstand gut beobachten (in 8 Stunden bis zu 20m).

Farmdenkopfbecken (Oberbecken des PSW)

 

Abbildung 4, Oberes Becken Goldisthal [1]

Das Farmdenkopfbecken (s. Abb. 4) ist der obere Wasserspeicher des Pumpspeicherwerkes. Es liegt unmittelbar an der Landstraße L1112 zwischen Goldisthal und Scheibe-Alsbach. Von einer Aussichtsplattform auf der Dammkrone kann man den See überblicken.

 

Daten:

Nutzvolumen Oberbecken:       12.000.000 m³

Nutzvolumen Unterbecken:      19.800.000 m³

Energiemenge:                        8.480 MWh =  8.480.000 kWh

Höhenunterschied:                   300 m

Volllastbetrieb:                         8 Stunden

Turbinentyp:                             Francisturbinen

 

  • Energiedichte des Pumpspeichers von Goldisthal: 0,71 kWh/m³

                                                                                                                                                                            nach [1, 3]

 

Bath County Pumped Storage Station – Größtes Pumpspeicherkraftwerk weltweit

Das Pumpspeicherkraftwerk wurde im Jahr 1985 in Bath County im Norden von Virginia, USA in Betrieb genommen. Das Wasserkraftwerk steht am südöstlichen Ende der Eastern Continental Divide, die an dieser Stelle die Grenze zwischen Virginia und West Virginia bildet. Das Kraftwerk besteht aus zwei Speicherbecken, die einen Höhenunterschied von 384 m haben. Im Jahr 2004 wurde die Leistung des Kraftwerks von früher 2.772 MW auf 3003 MW erhöht. Das Pumpspeicherkraftwerk befindet sich zu 60 % im Besitz des Betreibers Dominion Generation und 40 % sind Eigentum von Allegheny Power System. Das Kraftwerk Bath County Pumped Storage Station ist immer noch von allen Pumpspeicherkraftwerken der Erde das mit der größten Leistung. Während des Betriebs schwankt der Wasserspiegel im oberen Becken (107 ha Fläche) um 32 m und im unteren Becken (225 ha Fläche) um 18 m. Der Damm des Unterbeckens ist 41 m hoch und 732 m lang, der des oberen 140 m hoch und 671 m lang. Der untere Damm besteht aus 3,1 Millionen Kubikmetern Schüttmaterial, der obere aus 13,8 Millionen m³. Die natürlichen Zuflüsse zu den Speicherbecken sind der Back Creek und der Little Back Creek.

Abbildung 5, Pumpspeicher Bath County, Virginia, Luftperspektive (Googlemaps)

 

Daten:

Nutzvolumen - Oberbecken:                     24.537.600 m³ (aus Durchflussrate bei Generatorbetrieb errechnet)

Energiemenge:                                       23.006 MWh = 23.006.400 kWh (bei 8 Stunden Volllast)

Durchfluss bei Pumpbetrieb:                    801 m³/s

Durchfluss bei Generatorbetrieb:              852 m³/s

Turbinentyp:                                           Francisturbinen

 

  • Energiedichte des Pumpspeichers von Bath County  0,94 kWh/m³

nach[2]

 

Verbesserungspotential

Optimierungen von bestehenden Anlagen könnten unter anderem durch eine Umrüstung der Motor-Generator-Einheiten auf Systeme mit variabler Drehzahl erreicht werden. Hierdurch könnte z.B. ähnlich wie im Fall der Anlage in Goldisthal, wo asynchron und synchron Motoren kombiniert genutzt werden, der Wirkungsgrad entsprechend gesteigert werden [nach 3].

Die Auswirkungen eines Pumpspeichers auf Natur und Umwelt könnten durch die Erforschung und Optimierung von Konzepten für unterirdische Pumpspeicher minimiert werden. Bei unterirdischen Pumpspeichern befindet sich das Unterbecken unter der Erde (s. Abb. 6). Hier könnten beispielsweise alte Stollenwerke, Kavernen oder ähnliche Reservoirs für die Speicherung genutzt werden. Als Oberbecken könnte ein künstlich angelegter See oder Meerwasser dienen. In diesem Zusammenhang sind die Veränderungen der Landschaft und Umwelt nur gering im Vergleich zu konventionellen Anlagen. Ein weiterer Vorteil dieses Konzeptes wäre, dass die Fallhöhe nicht von den geographischen Gegebenheiten abhängig ist. Mit unterirdischen Pumpspeichern könnte auch in kleineren Anlagen eine effiziente Fallhöhe realisiert werden. Die Kosten einer unterirdischen Anlage übersteigen jedoch die Kosten einer oberirdischen Anlage bei weitem, wodurch sich der Bau einer solchen Anlage erheblich verzögert. Die Technik für die Realisierung solcher Anlagen ist vorhanden.

Abbildung 6, Theorie eines unterirdischen Pumpspeichers

Im Bereich Materialforschung bzw. der Erforschung von effektiveren Pumpen, Turbinen, Motoren und Generatoren ist Verbesserungspotential vorhanden.


Quellenangaben:

 

[1]          http://www.goldisthal.de/pumpspeicherwerk/index.html

              (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

[2]          http://www.dom.com/about/stations/hydro/bath-county-pumped-storage-station.jsp

              (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

[3]          http://www.vde.com/de/Regionalorganisation/Bezirksvereine/Kassel/berichte_–mitteilungen/Berichte/2006/documents/mcms/areva.pdf

              (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

[4]          Popp, M. (2010): Speicherbedarf bei einer Stromversorgung mit erneuerbaren Energien, Springerverlag Heidelberg

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