Pumpspeicherkraftwerk (PSW)Pumpspeicherkraftwerk (PSW)

Lerngebiet: Energieressourcen schonen

Erstellt von: Julian H.

Gliederung• Woher hat Wasser Energie?• Wo und Warum gibt es Pumpspeicherkraftwerke?• Aufbau und Funktionsweise• Energieumwandlungsvorgänge und Wirkungsgrad• Physikalische Grundlagen• Turbinen• Anwendungsbespiele und Besonderheiten• Umwelt• Wirtschaftlich und Rentabilität• Zukunft und Alternativen

Woher hat Wasser Energie?

Wasser als „Energieträger“

Der natürliche Wasserkreislauf mit Verdunstung, Niederschlag und Abfluß zum Meer wirddurch die Sonneneinstrahlung aufrechterhalten. Die Stromerzeugung mittels Wasserkraftwerkenist also eine indirekte Nutzung der Sonnenenergie.

Wasser als „Energiespeicher“

Ein Pumpspeicherkraftwerk ist:

•Eine besondere Form eines Speicherkraftwerkes

•stationärer Speicher von (elektrischer) Energie

•ein Energiewandler, kein Kraftwerk im herkömmlichen Sinn

•ein Regel- und Spitzenlastkraftwerk

Wo und warum?

Standortwahl von PSW

Kriterien:

• Versorgungszentrum

• Geographischen und topographische Gegebenheiteno Natürliche Zuflüssen, Seen, Flüsseo Kurze Entfernung zwischen Oberbecken und

Unterbecken bei großen Höhenunterschied

Geesthacht

Goldisthal

Energieverbund

Netzbelastungskurve

Aufgaben im Energieverbund

• Überführung von Schwachlaststrom in Spitzenenergie Optimierung des Betriebes von therm. Kraftwerken

• Schnelles Leistungsaufnahme bzw. -abgabe aus/ins Verbundnetz Frequenzerhaltung: Um kleine, aber rasch auftretenden

Schwankungen der Netzfrequenz (in Deutschland 50 Hz +-0,05 Hz ) auszugleichen

Blindleistungs- bzw. Phasenverschiebung• Hilfestellung beim Wiederaufbau eines Versorgungsnetzes nach

Netzzusammenbruch, bei dem sogenannten Schwarzstart• Schnelle Stromreserve, z.B. bei Ausfall eines Kraftwerkes

Bezeichnungen von PSW

Bezeichnungen nach Größe des Speichervolumens:

• Tagesspeicher mit einem Speicherinhalt bis zu 10 Mio. m³• Wochenspeicher mit einem Speicherinhalt von 10 Mio. m³ bis

60 Mio. m³• Jahresspeicher mit einem Speicherinhalt von über 60 Mio. m³

Bezeichnung nach Vorhandensein von natürlichen Zuflüssen:

• Pumpspeicherkraftwerke mit natürlichen Zuflüssen• Pumpspeicherkraftwerke ohne natürlichen Zufluss

Aufbau und Funktionsweise

AufbauOberbecken

Unterbecken

Krafthaus

Triebwasser-rohre

Weitere Bauteile:•Wasserentnahmevorrichtung•Wasserschloss/ Schwallkammer•Verschluss- und Regelorgane

Funktionsweise

Externer Link: http://www.youtube.com/watch?v=SoFdg7WDOqA&feature=related

Funktionsweise

Turbinenbetrieb

Anlaufzeit ca. 1 min

12:30 Uhr,die Hausfrau macht den Herd an!

Turbinenbetrieb

Turbinenbetrieb

Funktionsweise

Pumpbetrieb

Anlaufzeit ca. 1 min

22:30 Uhr,Das Länder-spiel ist vorbei!

Pumpbetrieb

Pumpbetrieb

Funktionsweise

BetriebsartenTurbinenbetrieb:Pumpspeicherkraftwerke erzeugen Strom durch Wasser, das von einem hoch gelegenen Speichersee (Oberbecken) über eine Druckleitung zu Turbinen mit gekoppelten Generatoren geleitet wird und dann in einen tief gelegenen Speichersee (Unterbecken) fließt.

Pumpbetrieb:Das Zurückfördern des Wassers in das Oberbecken erfolgt durch Pumpen, die durch die Generatoren, dann als Motor laufend, angetrieben werden.

Phasenschieberbetrieb:Der Generator läuft bei abgekuppelten oder auch bei gekuppelten, jedoch dann entleerten Turbinen und Pumpen im Stromnetz um vorhandene Phasenverschiebungen auszugleichen um somit Verluste bei der Stromübertragung zu minimieren.

Energieumwandlungsvorgänge&

Wirkungsgrad

EnergieumwandlungsvorgängeTurbinenbetrieb

Energieumwandlungsvorgänge

Wirkungsgrad

321

Gesamt

zu

ab

zu

ab

P

P

W

W

Wirkungsgrad

%2727,035,0773,0

.

Gesamt

KraftwerkthermkerkraftwerPumpspeichGesamt

torTransformaGeneratorTurbinegRohrleitungRohrleitunPumpeMotortorTransformaPSW

Physikalische Grundlagen

GrundlagenEnergie:

Energie = gespeicherte Arbeit

SI-Einheit: J (Joule)

Einheit in der Energieversorgung: kWh (Kilowattstunde)Umrechnungsfaktor: 1/3,6 · 106

Beispiel:1 kWh = 1000 W * 3600 s =3.600.000 Ws (Wattsekunde) = 3.600.000 Joule

Energie kann nicht erzeugt/verbraucht/zerstört werden!

Grundlagen

Verrichtet man Arbeit, wird diese zu Energie. Dabei wird...

- ... Hubarbeit zu Lageenergie, da ein Körper in eine neue Lage gebracht wird- ... Beschleunigungsarbeit zu Bewegungsenergie, da ein Körper bewegt wird- ... Spannarbeit zu Spannenergie (da ein Körper gespannt wird)

- ... Reibungsarbeit zu Wärmeenergie (da bei Reibung auch Wärme entsteht).

Grundlagen

Potentielle Energie (Lageenergie):

Die potentielle Energie Wpot ist so groß,wie die an der Last verrichtete Hubarbeit:

Hubarbeit:

hgmWpot

hgmWH

GrundlagenKinetische Energie (Bewegungsenergie):

Die kinetische Energie Wkin ist so groß,wie die am Körper verrichtete Beschleunigungsarbeit:

Beschleunigungsarbeit:

²2

1vmWkin

²2

1vmWB

GrundlagenLeistung

Leistung = Arbeit / Zeit

SI-Einheit: W (Watt)

Einheit in der Energieversorgung: kW (Kilowatt)MW (Megawatt)

Formel:

QhgPt

hgmP

t

WP

GrundlagenRechenbeispiel 1:

Wie viel Kubikmeter Wasser müssen in einem Pumpspeicherkraftwerk pro Stunde in das 300 Meter höher gelegene Speicherbecken gepumpt werden, damit eine potentielle Energie von 1,2 Terajoule (TJ) zur Stromerzeugung zur Verfügung steht?

GrundlagenRechenbeispiel 1:

Wie viel Kubikmeter Wasser müssen in einem Pumpspeicherkraftwerk pro Stunde in das 300 Meter höher gelegene Speicherbecken gepumpt werden, damit eine potentielle Energie von 1,2 Terajoule (TJ) zur Stromerzeugung zur Verfügung steht?

hgmWpot

GrundlagenRechenbeispiel 1:

Wie viel Kubikmeter Wasser müssen in einem Pumpspeicherkraftwerk pro Stunde in das 300 Meter höher gelegene Speicherbecken gepumpt werden, damit eine potentielle Energie von 1,2 Terajoule (TJ) zur Stromerzeugung zur Verfügung steht?

V

m

hgmWpot

GrundlagenRechenbeispiel 1:

Wie viel Kubikmeter Wasser müssen in einem Pumpspeicherkraftwerk pro Stunde in das 300 Meter höher gelegene Speicherbecken gepumpt werden, damit eine potentielle Energie von 1,2 Terajoule (TJ) zur Stromerzeugung zur Verfügung steht?

hg

WVhgVhgmW pot

pot

GrundlagenRechenbeispiel 1:

Wie viel Kubikmeter Wasser müssen in einem Pumpspeicherkraftwerk pro Stunde in das 300 Meter höher gelegene Speicherbecken gepumpt werden, damit eine potentielle Energie von 1,2 Terajoule (TJ) zur Stromerzeugung zur Verfügung steht?

353

12

101,41967,407747

300²

81,9³

1000

102,1

mmV

msm

mkg

JV

hg

WVhgVhgmW pot

pot

Turbinenarten

Francis-Turbine•Typ: Überdruckturbine•Fallhöhe: 50 – 800 m•Volumenstrom: groß•Wirkungsgrad: bis zu 90%•Besonderheit: kann als Pumpturbine

eingesetzt werden

Pelton-Turbine•Typ: Gleichdruckturbine•Fallhöhe: 200-2000 m•Volumenstrom: klein•Wirkungsgrad: über 90%•Besonderheit: wandelt nur kinetische

Energie um (v bis zu 200 m/s)

Anwendungsbeispiele&

bauliche Besonderheiten

Maschinensatz Goldisthal

Generator/Motor

Pumpturbine

z.B. Wartungsarbeiter

Wasser zum/vom Oberbecken

Wasser zum/vom Unterbecken

PSW Geesthacht

Umwelt

• Der Betriebsstoff Wasser ist klimaneutral• In Stauseen können sich Treibhausgase (Methan, Kohlendioxid)

bilden• Jeder Bau/Betrieb von Wasserkraftanlagen ist ein Eingriff ins

Ökosystem Durch den ständigen Wechsel der Wasserlagen wird die Flora und

Fauna gestört bzw. zerstört. Fischsterben durch Turbinierung

Umwelt

Kernaussagen der Studie „Pumpspeicherung, CO2 und Wirtschaftlichkeit“ der WWF Schweiz:

• Der Klimaschutz wird auf europäischer Ebene unterlaufen• Kohle, Öl und Gas verschwendet, statt effizient eingesetzt• der Verbrauch von nichterneuerbarer Energie erhöht• der Bedarf für neue Hochspannungsleitungen steigen• Der ohnehin schlechte Wirkungsgrad thermischer

Kraftwerke, von 33-40%, wird in Kombination mit Pumpspeicherung auf 23-32% gesenkt

Wirtschaftlichkeit und Rentabilität

„Zur Zeit gleicht die Pumpspeicherung aus ökonomischer Sicht dem bekannten Goldesel, der Gebrüder Grimm.“

Wirtschaftlichkeit und Rentabilität

• Der indirekte wirtschaftliche Nutzen im Verbundnetz kann so hoch bewertet werden, das die Rentabilität doch gewährleistet wird auch wenn das Pumpspeicherkraftwerk negative Zahlen schreibt Die thermischen Kraftwerke können optimaler Ausgenutzt werden Nutzung von Blindleistung Phasenverschiebung

€725€

04,01000075,0€

15,010000

kWhkWh

kWhkWh

GewinnSPESPE EinkaufPSWVerkauf

Gewinn ohne Berücksichtigung von Investitions- und Betriebs- und sonstigen Kosten

Rechenbeispiel 2:

Zukunft

• PSW sind ein wichtiger Bestandteil beim Ausbaues der erneuerbaren Energien, da diese nicht kontinuierlich Strom in das Verbundnetz einspeisen können

• Das PSW ist die einzige weltweit großtechnisch einsetzbare Stromspeichertechnologie

Alternativen

1. Meerwasserpumpspeicherkraftwerke2. Pumpspeicherkraftwerke mit unterirdischen Unterbecken3. Luftspeicherkraftwerke (Gleitdruckspeicher)

1. 2. 3.

Elektroenergiespeicherung

Fragen?

Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!

QuellenLiteratur:

• Haas, Hans; Strobl, Theodor: Wasserkraft; VDI, 1998

• Giesecke, Jürgen; Mosonyi, Emil: Wasserkraftanlagen - Planung, Bau und Betrieb; 5. Auflage, Springer, 2009

• Strauß, Karl: Kraftwerkstechnik zur Nutzung fossiler, nuklearer und regenerativer Energiequellen; 5. Auflage, Springer, 2006

• von König, Felix; Jehle, Christoph: Bau von Wasserkraftanlagen; 3. Auflage, Müller, 1997

• Ignatowitz, Eckhard: Technische Mathematik für Chemieberufe; 3. Auflage, Europa Lehrmittel, 2001

• Ignatowitz, Eckhard: Lösungsbuch - Technische Mathematik für Chemieberufe; 3. Auflage, Europa Lehrmittel, 2002

QuellenInternet:

• Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig – Fließbild Geesthacht

• Fohrer, N.: Wasserkraft –Seminar: Wasserwirtschaft und Meliorationswesen; Lehrstuhl für Wasserwirtschaft der Universität Kiel, 2002

• www.youtube.de – Animation PSW

• www.Vattenfall.de – Informationsbroschüren zu PSW Geesthacht, PSW Goldisthal

• www.voithhydro.de –Informationsbroschüre Maschinensatz PSW Goldisthal

• Umweltbundesamt – Karte Kraftwerke- Verbundnetze in Deutschland

• www.wwf.ch – Studie: Pumpspeicherung, CO2 und Wirtschaftlichkeit

• Meerwasserpumpspeicherkraftwerk

• Wasserkraft PDF

• Pumpspeicherkraftwerk unter Tage

• Luftspeicherkraftwerk

• Verbundnetz

• Wirkungsgrad Pumpspeicherkraftwerk

• Pumpspeicherkraftwerk Interaktiv