Speicherkraftwerk (Wasser)
Als Speicherwasserkraftwerk wird ein Speicherkraftwerk bezeichnet, welches potentielle Energie (Lageenergie) von Oberflächenwasser zur späteren Verstromung speichert. Das Kraftwerk nutzt hierbei als Energieträger das Speicherwasser aus einem Wasserspeicher.[1]
Zu diesem Zweck wird in Zeiten von Wasserüberschuss das Wasser eines Fließgewässers in einem Stausee aufgestaut, aus dem es in Zeiten von erhöhtem Energiebedarf bedarfsgerecht abgelassen wird und in einem Wasserkraftwerk elektrische Energie erzeugt. Bei einem Pumpspeicherkraftwerk kann auch Wasser aus einem Unterbecken unter Aufwendung von elektrischer Energie in den höherliegenden Stausee gepumpt werden.
Speicherwasserkraftwerke dienen – wie alle Speicherkraftwerke – vor allem zur Deckung von Spitzenleistung. Im Rahmen der Netzregelung tragen sie zur Aufrechterhaltung der Systembilanz (ständiger Ausgleich von Verbrauch und Erzeugung) durch die Bereitstellung von Regelleistung bei.
Laufwasserkraftwerke grenzen sich von Speicherwasserkraftwerken dadurch ab, dass erstere nur über ein sehr geringes nutzbares Speichervolumen verfügen. Beim Laufwasserkraftwerk haben die vorhandene Staubauwerke wie z. B. Wehre primär die Aufgabe, die Fallhöhe für die Turbinen zu erhöhen. Da es auch Laufwasserkraftwerke gibt, die die Stauhöhe des Oberwassers in einem bestimmten Bereich variieren können (Schwellbetrieb), gibt es keine scharfe Grenze zwischen Laufwasserkraftwerken und Speicherwasserkraftwerken.
Motivation
Der Bau von Speicherkraftwerken hat mehrere Gründe. Elektrische Netze können keine elektrische Energie speichern. Ihr Verbrauch und ihre Erzeugung in Kraftwerken sollen möglichst im Gleichgewicht sein. Eine Abweichung vom Gleichgewichtszustand führt zu Netzstörungen und im Extremfall zu einem Netzzusammenbruch. Herkömmliche thermische Kraftwerke können, technologisch und prinzipbedingt, im Regelbetrieb nur eingeschränkt auf schnelle Verbrauchsschwankungen reagieren bzw. bei kurzzeitigen hohen Verbrauchsspitzen schnell genug Zusatzleistung zur Verfügung stellen. Diese Aufgabe übernehmen Speicherkraftwerke, die bedarfsgerecht elektrische Leistung kurzfristig liefern können. Sie dienen als Energiespeicher und können auch wasserwirtschaftlich z. B. zum Hochwasserschutz genutzt werden. Der Leistungsbereich liegt je nach Anlage von einigen Megawatt bis zu über 1000 MW und reicht meist für mehrere Stunden im Volllastbetrieb aus.
Die Funktion als Wasserspeicher kann sowohl der wasserwirtschaftlichen Regulierung als auch speziellen Aufgaben wie der Vorratshaltung in der Trinkwasserversorgung dienen. So wurde der Sylvensteinspeicher in Bayern ursprünglich zum Hochwasserschutz gebaut.[2] Hier hat, wie in manchen anderen Fällen, die Nutzung der Wasserkraft nur eine untergeordnete Bedeutung. Sylvenstein II generiert 3,8 MW. Goldisthal, das größte Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland, welches zur elektrischen Energiespeicherung gebaut wurde, erzielt eine Maximalleistung von 1.060 MW.
Darüber hinaus gilt diese Art der elektrischen Energieerzeugung aus Speicherwasser mit natürlichem Zufluss als erneuerbare Energie und somit als klimafreundlich.
Eine spezielle Ausführung ist das Meerwasser-Pumpspeicherkraftwerk, das besondere Anforderungen an den Korrosionsschutz hat, und aufgrund der höheren Kosten bisher nur in einer Demonstrationsanlage realisiert wurde.
Aufbau eines Speicherwasserkraftwerks
Stauanlage
Das Wasser wird in einem „Stausee“ genannten Becken gesammelt. Dieser See ist entweder natürlichen Ursprungs oder entsteht durch Aufstauen mit einer Staumauer oder einem Staudamm. Der Stausee wird durch einen natürlichen Zufluss gespeist, zusätzlich werden oft Stollen zu den Einzugsgebieten anderer Flüsse errichtet, um die zufließende Wassermenge zu erhöhen. Wird das Wasser zusätzlich oder ausschließlich durch Pumpen in ein höher gelegenes Becken (auch Oberbecken oder Stausee genannt) befördert, spricht man von einem Pumpspeicherkraftwerk.
Triebwasserzuführung
Das Wasser wird gespeichert und bei Bedarf durch einen Druckstollen und/oder über Druckrohrleitungen, zum tiefer gelegenen Maschinenhaus geleitet. Auf dem letzten Teilstück der Druckleitung, oft auch im Übergangsbereich zwischen Stollen und Rohrleitung, befindet sich häufig ein Wasserschloss.
Maschinenhaus
Die Rohrleitungen münden im Maschinenhaus, wo der Wasserdruck bis zu 200 bar beträgt. Das Wasser trifft hier auf die Turbine, versetzt sie in Rotation und überträgt seine potentielle Energie bzw. kinetische Energie auf die Turbine. Diese treibt den Generator an, der die elektrische Energie produziert. Danach gelangt das Wasser in das Unterbecken. Das Unterbecken ist oft selbst ein Stausee, der seinerseits wieder als Oberbecken für weitere Wasserkraftwerke verwendet wird. In Speicherkraftwerken werden je nach Fallhöhe und verfügbarer Wassermenge entweder Francis-Turbinen oder Pelton-Turbinen verwendet.
Merkmale
Abhängig vom Füll-/Entleerungsrhythmus werden Speicherkraftwerke in Tages-, Wochen-, Monats- und Jahresspeicher unterteilt. Besonders in den Alpen und in Skandinavien fungieren Speicherwasserkraftwerke häufig als Jahresspeicher.[3] Bei relativ geringem Zufluss durch das Schmelzwasser von Gletschern wird das Wasser im Sommerhalbjahr gespeichert, um schwerpunktmäßig im zwar schneereichen, aber wasserarmen Winterhalbjahr elektrische Energie zu produzieren. Der Wasserspeicher ist entweder natürlich oder mit einer Staumauer oder Staudamm aufgestaut worden.
Die Leistung des Speicherkraftwerkes steht bei Bedarf innerhalb von Minuten zur Verfügung und kann in einem weiten Bereich flexibel geregelt werden. Dies ist ein Vorteil gegenüber thermischen Mittel- und Grundlastkraftwerken, die zum Hochfahren aus dem Stillstand ca. eine halbe Stunde (GuD) bis mehrere Stunden benötigen (Braunkohle). Diese Eigenschaft ermöglicht es, den Strombedarf in Spitzenzeiten zu decken. Zusätzlich kann ein Speicherwasserkraftwerk den Ausfall anderer Stromerzeuger kurzfristig überbrücken.
Speicherwasserkraftwerke sind wegen des geringen Energiebedarfs zum Starten der Anlage schwarzstartfähig und können daher bei totalen Stromausfällen zum Anfahren anderer Kraftwerke eingesetzt werden.
Im gestaueten Wasser sind Sedimente enthalten, die auf verschiedene Weise Einfluss auf den Kraftwerksbetrieb haben. Durch das Absetzen der Sedimente am Stauseegrund kommt es zu einer Verlandung. Die Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Zürich berechnete, dass dadurch jährlich ein Prozent des Stauraumes weltweit verloren gehen. Seit etwa der Jahrtausendwende übersteigt der Verlust durch Verlandung den Zugewinn durch Kraftwerksneubauten.[4] Darüber hinaus führen die im Wasser enthaltenen Sedimente zur Erosion an den Turbinen. Das senkt dessen Effizienz und Lebensdauer.[5]
Literatur
- Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme: Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. 2. Auflage. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-92226-1.
- Horst Völz: Speicher als Grundlage für Alles. Shaker Verlag, Düren 2019, ISBN 978-3-8440-6964-8.
Weblinks
Einzelnachweise
- Analog wird bei Laufwasserkraftwerken das Laufwasser als Energieträger benutzt, genauso wie bei Gaskraftwerken oder Kohlekraftwerken der Primärenergieträger Gas oder Kohle.
- Bayerische Landeskraftwerke GmbH: Sylvenstein I und II (Memento vom 31. Januar 2017 im Internet Archive)
- Florian Ess, Lea Haefke, Jens Hobohm, Frank Peter, Marco Wünsch: Bedeutung der internationalen Wasserkraft-Speicherung für die Energiewende. Prognos, Berlin 9. Oktober 2012, S. 21–38 (weltenergierat.de [PDF; 2,0 MB; abgerufen am 8. Juli 2021]): „Wasserkraftwerke in ausgewählten Ländern Europas - Status quo und Perspektiven“
- ZEK Magazin 3/2000
- GJRE, Ausgabe November 2011