Pumpspeicherkraftwerke aus ökonomischer Sicht

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Die verschiedenen Arten der Wasserkraftwerke und ihre Turbinen

3. Das Pumpspeicherkraftwerk
3.1. Das Oberbecken oder auch Speicher(becken) genannt (1)
3.2. Das Einlaufwerk (2)
3.3. Das Wasserschloss (3)
3.4. Die Staumauer (4)
3.5. Die Druckrohrleitungen (5)
3.6. Die Turbine/Pumpturbine (6)
3.7. Das Maschinenhaus (auch Maschinenhalle genannt) (7)
3.8. Die Maschinen (8)
3.9. Das Unterbecken (9)
3.10. Der Transformator (10) und das Stromnetz (11)

4. Betrachtung von Pumpspeicherkraftwerken aus ökonomischer Sicht

5. Fazit

6. Literatur- und Quellenverzeichnis

7. Anhang

1. Einleitung

In dieser Facharbeit beschäftige ich mich mit dem Thema der regenerativen Energien und ihrem wirtschaftlichen Nutzen. Da dieser Bereich zu umfassend für eine einzige Facharbeit ist, konzentriere ich mich auf die Wasserkraft, speziell auf Pumpspeicherkraftwerke und wie man diese aus ökonomischer Sicht betrachten kann.

Als Erstes werde ich verschiedene Arten der Wasserkraftwerke vorstellen. Dazu passend werden die Turbinen, die überwiegend bei Pumpspeicherkraftwerken verwendet werden, vorgestellt. Die anschließende und ausführliche Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise eines Pumpspeicherkraftwerks, mit Hilfe von Grafiken, stellt das eigentliche Thema dieser schriftlichen Arbeit dar. Der Abschnitt wird den größten Teil der Facharbeit ausmachen. Im dritten Abschnitt wird die zuvor erläuterte Spezialisierung der Wasserkraftwerke anhand von einem realen Beispiel aus ökonomischer Sicht betrachtet.

Abschließen wird die Facharbeit und somit auch die gesamte Analyse von Pumpspeicherkraftwerken durch eine Bewertung abgerundet, die sich auf die Ergebnisse der zuvor durchgeführten Wirtschaftlichkeitsberechnung bezieht.

Im Laufe der Niederschrift werde ich Herrn Volker Quaschning, Professor an der Hochschule HTW Berlin für Technik und Wirtschaft im Fachgebiet Regenerative Energiesysteme^[1], der diverse Fachliteratur veröffentlicht hat, mehrere Male zitieren. Weitere Quellen sind Fachliteratur zu den Themen Wasserkraftwerke oder Wasserbau. Außerdem werde ich Informationen verschiedener Betreiber von Pumpspeicherkraftwerken, wie zum Beispiel der RWE Power AG oder die E.ON Wasserkraft Gmb mit einbeziehen und auch in Teilen zitieren.

2. Die verschiedenen Arten der Wasserkraftwerke und ihre Turbinen

Es gibt viele verschiedene Arten von Wasserkraftwerken. Die unten aufgeführten Kraftwerkstypen werden unter anderem in Deutschland genutzt:

- Speicherwasserkraftwerk (oder Speicherkraftwerk genannt),
- Pumpspeicherkraftwerk und das
- Laufwasserkraftwerk.

Die Turbinen der Kraftwerke lassen sich durch ihre Eigenschaften gut unterscheiden. Auffällig sind zum Beispiel die variierenden Fallhöhen und Durchflussmengen. Eine weitere Unterteilung ergibt sich aus dem Druckverhalten. So gibt es die Gleichdruckturbinen (auch Aktions-^[2] oder Impulsturbinen genannt), welche nur mit der Bewegungsenergie des Wassers arbeiten, z.B.:

- Turgo-Turbinen, eine Sonderbauform der
- Pelton-Turbinen.

Das Gegenstück sind die Überdruckturbinen (auch Reaktionsturbinen^[3] genannt), welche die Lageenergie durch Druckveränderungen in Bewegungsenergie umsetzen und dadurch angetrieben werden, z.B.:

- Francis-Turbinen,
- Kaplan-Turbinen und die
- Rohr-Turbinen (ähneln der Kaplan-Turbinen)^[4].

3. Das Pumpspeicherkraftwerk

Wie bereits erwähnt, ist das Pumpspeicherkraftwerk eines der drei Wasserkraftwerkstypen, das in den letzten Jahren häufiger zum Einsatz kommt.

Im Gegensatz zu dem Laufwasserkraftwerk, das die Grundlast des Strombedarfs abdecken soll, ist das Speicher- und auch das Pumpspeicherkraftwerk ein Energie- oder Stromspeicher. Demzufolge werden sie im Volksmund oft als riesige Akkus bezeichnet. Es ist möglich sie durch Befüllen des Oberbeckens „aufzuladen“ und durch Ablassen des Wassers zu „entladen“.

Kommt es zu einem erheblich angestiegenen Bedarf von elektrischer Energie innerhalb eines geringen Zeitraums, dann spricht man von Stromspitzen. Diese Stromspitzen, ausgelöst durch den Verbraucher, erfordern das Anfahren von Energiespeichern, wie die Pumpspeicherkraftwerke es sind. Auch unter dem Namen Spitzenlastkraftwerk bekannt. Im Laufe von wenigen Sekunden können sie bereits unter Volllast Strom produzieren und die erhöhte Nachfrage an Strom für einige Minuten abdecken, bis andere Kraftwerke reagieren können. Bei konventionellen Kraftwerken, wie einem Kohlekraftwerk, dauert es 15 Minuten, bis die Stromproduktion angepasst worden ist. Die Pumpspeicherkraftwerke können anschließend wieder abgeschaltet werden. Somit wird nicht andauernd, wie bei Laufwasserkraftwerken, Strom produziert, sondern nur dann, wenn ein konventionelles Kraftwerk Unterstützung bei der Bewältigung der Stromproduktion braucht. Ein Pumpspeicherkraftwerk fungiert als Puffer zwischen herkömmlichen Kraftwerken und dem Verbraucher.

Seitdem der Anteil der regenerativen Energien an der Stromerzeugung gestiegen ist, kann es vermehrt zu Unsicherheiten und Schwankungen kommen. Windstille hat den Menschen noch nie so stark beeinträchtigt wie in der heutigen Zeit. Durch Flauten verlieren Windkraftanlagen ihren Nutzen und es muss Strom aus anderen Quellen bezogen werden^[5]. In der Regel kann ein Pumpspeicherkraftwerk nach 60-100 Sekunden mit voller Leistung elektrischen Strom produzieren, auch wenn es zuvor im Pumpbetrieb oder Stillstand war. Folglich geben Puffer, wie Pumpspeicherkraftwerke, den Stromunternehmen ein Stück Sicherheit bei der Stromversorgung zurück. Zum Vergleich braucht ein konventionelles Braunkohlekraftwerk zum Hochfahren dreieinhalb Stunden^[6]. Dieser Wert ist somit 105-mal höher als die Zeit, die ein Pumpspeicherkraftwerk braucht. Um auf Schwankungen aus dem Betrieb heraus zu reagieren, benötigt ein Kohlekraftwerk etwa 15 Minuten.

Je nach Volumen des Speicherbeckens beträgt die Volllastzeit^[7] eines Pumpspeicherkraftwerks vier bis acht Stunden. Die Pumpdauer hängt ganz von dem Fassungsvermögen des Speicherbeckens und der Größe der Pumpen bzw. Pumpturbinen ab. Allgemein kann jedoch festgehalten werden, dass ein Kraftwerk länger im Pumpbetrieb ist, wenn das Becken komplett aufgefüllt werden muss, denn im Turbinenbetrieb verarbeitet das Kraftwerk größere Mengen an Wasser. In der Realität variiert der Einsatz der Pumpspeicherkraftwerke stark. Es gibt Tage an denen sie nur für ein paar Minuten in Betrieb genommen werden. An anderen Tagen hingegen laufen sie viele Stunden am Stück. Pauschal kann keine treffende Aussage hinsichtlich der Auslastung von Pumpspeicherkraftwerken gemacht werden. Es hängt ganz von dem Verhalten der Verbraucher ab, welches stark variieren kann.

Der Aufbau und die Funktion eines solchen Pumpspeicherkraftwerks werden mit Hilfe der unten aufgeführten Abbildung verdeutlicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenAbbildung Pumpspeicherkraftwerk^[8]

3.1. Das Oberbecken oder auch Speicher(becken) genannt (1)

Bei dem hoch gelegenen Oberbecken handelt es sich um ein gestautes Gewässer, in dem die potentielle Energie^[9] des Wassers aufbewahrt wird. Das Oberbecken dient als Wasserspeicher und damit gleichzeitig als Energiespeicher.

Bei Pumpspeicherkraftwerken gibt es zwei verschiedene Arten der Speicherbecken. Entweder wird ein Speicherbecken durch einen natürlichen Zufluss (z.B. Fluss) gespeist, oder ausschließlich durch Pumpturbinen und die Staumauer mit Wasser gefüllt. Ist das Oberbecken künstlich angelegt, so kann bei der Anlage nicht von einer „Nutzung regenerativer Energieträger“^[10] gesprochen werden.

Der Höhenunterschied zwischen dem Oberbecken (1) und dem Unterbecken (9) sollte so hoch wie möglich sein. Die durch den Fall entstehende kinetische Energie^[11] des Wassers kann das Kraftwerk zur Stromproduktion nutzen.

3.2. Das Einlaufwerk (2)

Das Einlaufwerk, in mancher Literatur auch als Einlaufbauwerk bezeichnet, ist das Verbindungsstück zwischen dem Oberbecken (1) und der Druckrohrleitung (5). Bei Strombedarf wird das Wasser durch das Einlaufwerk in die Druckrohre geleitet und somit kann Strom produziert werden. Kommt es zu Komplikationen dient das Einlaufbauwerk auch als Schutz anderer Bauteile, denn durch angebrachte Verschlüsse kann die Wasserzufuhr schlagartig unterbrochen werden^[12].

3.3. Das Wasserschloss (3)

Das Wasserschloss befindet sich innerhalb der Staumauer (4) und hat die Funktion eventuelle Druckschwankungen beim Hoch- und Runterfahren des Pumpspeicherkraftwerks auszugleichen. Ohne einen Ausgleich dieser Druckschwankungen könnte es zu Beschädigungen an Teilen der Anlage kommen^[13].

Beim Öffnen der Rohrleitungen bildet sich ein Unterdruck innerhalb der Leitungen. Beim Schließen kommt es zu einem Überdruck. Diese Druckstöße müssen mithilfe des Wasserschlosses abgebremst werden, um die Druckrohrleitungen nicht zu beschädigen. Ein Wasserschloss, das vor den steilen Rohrleitungen angebracht ist, dient als Ausgleichsbecken beim Übergang in die Rohre^[14]. Das durch die Druckstöße in Bewegung versetzte Wasser kann aufgrund „seiner Trägheit [in dem Wasserschloss] weiterströmen“^[15]. „Die kinetische Energie (…) wird in potentielle Energie (…) umgewandelt“^[16]. Der entstehende Gegendruck und die Reibungskräfte im Wasserschloss verringern die Geschwindigkeit des Wassers soweit, dass es zu keinen Beschädigungen kommt.

3.4. Die Staumauer (4)

Die Staumauer hält das Wasser im Oberbecken (1) zurück. Ein Pumpspeicherkraftwerk ohne natürliches Speicherbecken wird dadurch erst ermöglicht. Ohne Staumauer gäbe es viele der heutigen Pumpspeicherkraftwerke nicht.

3.5. Die Druckrohrleitungen (5)

Eine Druckrohrleitung zeichnet sich dadurch aus, dass in dieser ein höherer Druck als der Normalluftdruck^[17] herrscht. Strenge Richtlinien und Überprüfungen der Funktionalität müssen vor Inbetriebnahme beachtet und vollzogen werden^[18]. Im Vergleich zu Freispiegelleitungen können in den Druckleitungen die entstehenden Energieverluste deutlich verringert werden. Durch die vollständig gefüllten und unter Druck stehenden Rohre entstehen geringere Reibungskräfte^[19], als bei Freispiegelleitungen. Das am häufigsten genutzte Material für Druckrohrleitungen bei Wasserkraftwerken ist Stahl^[20].

Innerhalb von Druckrohrleitungen werden drei unabhängig voneinander bedienbare Verschlüsse installiert. Vereinfacht gesagt lässt sich durch den Revisionsverschluss (oberster Verschluss) die Rohrleitung entleeren, was bei Reparaturen von Nutzen ist. Der mittlere Verschluss nennt sich Absperrverschluss und ermöglicht das unterbrechen des Durchflusses im Normalbetrieb. Am Abfluss der Rohrleitung ist der Regelverschluss angebracht, der den Durchfluss des Wassers regelt, sofern der Absperrverschluss geöffnet ist^[21].

3.6. Die Turbine/Pumpturbine (6)

Die Turbine stellt das Herzstück der ganzen Anlage dar. Die Turbinenarten kann man durch ihre verschiedenen Eigenschaften unterscheiden und somit fällt die Wahl der richtigen Turbine für ein Pumpspeicherkraftwerk nicht schwer. Zu berücksichtigen sind unter anderem die Fallhöhe und der Durchfluss. Eine falsch eingesetzte Turbine kann nur einen sehr schlechten Wirkungsgrad erzielen.

[...]

^[1] Vgl. volker-quaschning.de/about/vita/index.php, 28.01.2012.

^[2] Vgl. Strobl, Theodor; Zunic, Franz: Wasserbau. Aktuelle Grundlagen – Neue Entwicklungen. Berlin: Springer Verlag, 2006, S. 323.

^[3] ebd.

^[4] Vgl. Quaschning, Volker: Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung - Simulation. 6. Aufl. München: Hanser Verlag, 2009, S. 301.

^[5] Vgl. Informationsmaterial Schluchseewerk AG. Die Hotzenwaldgruppe. Lastverteilung/Schaltanlage Kühmoos, Kavernenkraftwerke Säckingen und Wehr., S. 4.

^[6] ebd.

^[7] Die Volllastzeit ist die Zeit, in der ein Kraftwerk mit voller Leistung betrieben wird.

^[8] Vgl. Quaschning, Volker: Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung - Simulation. 6. Aufl. München: Hanser Verlag, 2009, S. 298.

^[9] Auf die potentielle Energie einer Masse m, die sich in einer Höhe h befindet wirkt die Erdbeschleunigung g, wenn man diese fallen lässt. Das entspricht in der Mechanik der potentiellen Energie (E=m*g*h).

^[10] Vgl. Quaschning, Volker: Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung - Simulation. 6. Aufl. München: Hanser Verlag, 2009, S. 298.

^[11] Die kinetische Energie, oder auch Bewegungsenergie genannt, ist die Energie, die durch die Bewegung eines Objekts entsteht (E=0,5*m*v²).

^[12] Vgl. eon-wasserkraft.com/pages/ewk_de/Engagement/Bildung/Lehrerinformationen/_documents/ Edersee.pdf, 22.01.2012.

^[13] Vgl. energieblog24.de/pumpspeicherkraftwerke, 22.01.2012.

^[14] Vgl. Giesecke, Jürgen; Mosonyi, Emil: Wasserkraftanlagen. Planung, Bau und Betrieb. 5. Aufl. Berlin: Springer Verlag, 2009, S. 363.

^[15] Strobl, Theodor; Zunic, Franz: Wasserbau. Aktuelle Grundlagen – Neue Entwicklungen. Berlin: Springer Verlag, 2006, S. 321f.

^[16] ebd.

^[17] Der atmosphärische Druck (Normalluftdruck), oder auch Luftdruck genannt, beträgt unter Standardbedingungen 1013,25 hPa.

^[18] Vgl. lexikon.wasser.de/index.pl?job=te&begriff=Druckleitung, 28.01.2012.

^[19] Vgl. Giesecke, Jürgen; Mosonyi, Emil: Wasserkraftanlagen. Planung, Bau und Betrieb. 5. Aufl. Berlin: Springer Verlag, 2009, S. 223.

^[20] ebd.

^[21] Vgl. Strobl, Theodor; Zunic, Franz: Wasserbau. Aktuelle Grundlagen – Neue Entwicklungen. Berlin: Springer Verlag, 2006, S. 277.