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 wird durch die Sonneneinstrahlung aufrechterhalten. Die Stromerzeugung mittels Wasserkraftwerken ist 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 Gegebenheiten o o Natürliche Zuflüssen, Seen, Flüsse 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

Aufbau

Oberbecken 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

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

Turbinenbetrieb

Anlaufzeit ca. 1 min

Turbinenbetrieb

Turbinenbetrieb

Funktionsweise

22:30 Uhr, Das Länder spiel ist vorbei!

Pumpbetrieb

Anlaufzeit ca. 1 min

Pumpbetrieb

Pumpbetrieb

Funktionsweise

Betriebsarten

Turbinenbetrieb:

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

Energieumwandlungsvorgänge

Oberbecken

Potentielle Energie Turbinenbetrieb

Druckleitung

Kinetische + Potentielle Energie

Turbine

Rotationsenergie

Generator

Elektrische Energie

Energieumwandlungsvorgänge

Verbundnetz

Elektrische Energie Pumpbetrieb

Generator

Rotations energie

Pumpe

Rotations energie

Druckleitung

Kinetische + Potentielle Energie

Oberbecken

Potentielle Energie

Wirkungsgrad

 

W ab W zu



P ab P zu



Gesamt

  1   2   3

Wirkungsgrad



PSW

 

Transforma tor

 

Motor

 

Pumpe

 

Rohrleitun g

 

Rohrleitun g

 

Turbine

 

Generator

 

Transforma tor



Gesamt



Gesamt

 

Pumpspeich erkraftwer k

 

therm

.

Kraftwerk

 0 , 773  0 , 35  0 , 27  27 %

Physikalische Grundlagen

Grundlagen

Energie:

Energie = gespeicherte Arbeit SI-Einheit: J (Joule) Einheit in der Energieversorgung: kWh (Kilowattstunde) Umrechnungsfaktor: 1/3,6 · 10 6 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 W pot ist so groß, wie die an der Last verrichtete Hubarbeit:

W pot



m



g



h

Hubarbeit:

W H



m



g



h

Grundlagen

Kinetische Energie (Bewegungsenergie):

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

W kin

 1 2

m



v

²

Beschleunigungsarbeit:

W B

 1 2

m



v

²

Grundlagen

Leistung

Leistung = Arbeit / Zeit SI-Einheit: W (Watt) Einheit in der Energieversorgung: kW (Kilowatt) MW (Megawatt) Formel:

P



W t



P



m



g



h



P

  

g



h



Q t

Grundlagen

Rechenbeispiel 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?

Grundlagen

Rechenbeispiel 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?

W pot



m



g



h

Grundlagen

Rechenbeispiel 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?

W pot



m



g



h

 

m V

Grundlagen

Rechenbeispiel 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?

W pot



m



g



h

  

V



g



h



V

 

W pot



g



h

Grundlagen

Rechenbeispiel 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?

W pot V V



m



g



h

  

V



g



h



V

 1 , 2  10 12

J

1000

kg m

³  9 , 81

m s

²  300

m

 407747 , 1967

m

3  4 , 1  10 5

m

3  

W pot



g



h

Turbinenarten

Wasser-Turbinen Gleichdruck Turbinen Überdruck Turbinen Pelton- Turbinen Durchström Turbinen Francis-Turbinen Kaplan- Turbinen

• Typ: • Fallhöhe: • Volumenstrom: • Wirkungsgrad: • Besonderheit:

Francis-Turbine

Überdruckturbine 50 – 800 m groß bis zu 90% kann als Pumpturbine eingesetzt werden

• Typ: • Fallhöhe: • Volumenstrom: • Wirkungsgrad: • Besonderheit:

Pelton-Turbine

Gleichdruckturbine 200-2000 m klein über 90% wandelt nur kinetische Energie um (v bis zu 200 m/s)

Anwendungsbeispiele & bauliche Besonderheiten

Generator/Motor

Maschinensatz Goldisthal

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

Rechenbeispiel 2:

E



SP Verkauf

 

PSW



E



SP Einkauf



Gewinn

10000

kWh

 0 , 15 €  0 , 75  10000

kWh

 0 , 04 €  725 €

kWh kWh

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

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.

2.

3.

1.

2.

3.

Meerwasserpumpspeicherkraftwerke Pumpspeicherkraftwerke mit unterirdischen Unterbecken Luftspeicherkraftwerke (Gleitdruckspeicher)

Elektroenergiespeicherung

Elektroenergie speicherung Direkte Speicherung Indirekte Speicherung magnetisch SMES elektrisch mechanisch chemisch Kondensatoren

Pumpspeicher kraftwerk

Druckluftspeicher -kraftwerk Schwungräder Batteriesystem Brennstoffzellen system

Fragen?

Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!

Quellen

• • • • • • Literatur: 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

• • • • • • • • •

Quellen

Internet: • 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