Transcript Media:Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke
Aufbau der Präsentation
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Was sind Pumpspeicherkraftwerke?
Funktionsweise
Erläuterung des Motor-Generator-Prinzips und der
Francis-Turbine
Umwandlungsprozesse
Ökonomie
Beispiel Geesthacht
Vor- und Nachteile
Bedeutung in der Zukunft
Was sind Pumpspeicherkraftwerke?
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Ein Pumpspeicherkraftwerk
ist ein Speicherkraftwerk,
dass der Speicherung von
elektrischer Energie dient. Es
ist also im eigentlichen Sinne
kein Kraftwerk, da es kein
Strom produziert. Während
des gesamten
Speichervorgangs wird die
Energie mehrmals
umgewandelt um letztendlich
bei Bedarf wieder in Form
von Strom in das Netz
eingespeist zu werden.
Funktionsweise von
Pumpspeicherkraftwerken
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Strom wird dem Netz entnommen, wenn ein Energieüberschuss besteht, was in der Regel nachts
der Fall ist.
Mit dem entnommenen Strom wird die Pumpe betrieben, die das Wasser in das obere
Speicherbecken pumpt.
Wenn die in Form von Wasser gespeicherte Energie benötigt wird, wird der Absperrschieber
geöffnet, sodass das Wasser hinunter fließt und so die Turbine betreibt.
Die kinetische Energie der Turbine wird durch den Generator wieder in Strom umgewandelt und
in das Netz eingespeist.
http://www.youtube.com/watch?v=SoFdg7WDOqA
Maschine eines Pumpspeicherkraftwerks
Turbine, Motor-Generator und Pumpe sind auf einer Welle
montiert und bilden eine Enheit.
Bei Strombedarf arbeitet der Motor-Generator als Generator und
liefert durch die Turbine angetrieben elektrischen Strom.
Bei Stromüberschuss arbeitet der Motor-Generator als Motor und
betreibt die Pumpe, die das Wasser ins Oberbecken befördert.
http://www.youtube.com/watch?v=GZfvb1QFf1M&NR=1
Francis – Turbine
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Der Wirkungsgrad beträgt etwa 90 %
Da das Wasser vor dem Eintritt in die Turbine unter höherem Druck steht als nach
dem Austritt spricht man auch von einer Überdruckturbine.
Sehr weit verbreitet und universell einsetzbar, da sie sowohl als Turbine als auch als
Pumpe eingesetzt werden kann. Aus diesem Grund wird die Francis – Pumpe auch
sehr häufig in Pumpspeicherkraftwerken eingesetzt.
Wasser wird durch ein feststehendes Leitrad auf die gegenläufig gekrümmten
Schaufeln des Laufrades gelenkt.
http://www.youtube.com/watch?v=XCfqlt7E98A
http://www.strom-online.ch/pumpspeicherwerk_interaktiv.html
Energieumwandlungsprozesse im
Überblick
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1.Elektrische Energie wird durch die Pumpe, die das
Wasser in das obere Becken befördert, in kinetische
Energie umgewandelt.
2.Durch das Speichern des Wassers wird aus der
kinetischen Energie potentielle Energie.
3.Beim Öffnen des Absperrventils wird die potentielle
Energie wieder in kinetische Energie umgewandelt
4.Die Turbine nimmt die kinetisch Energie auf und
wandelt sie wieder in elektrische Energie um damit sie
wieder in das Netz eingespeist werden kann.
Potenzielle Energie
Durch das Hochpumpen des Wassers wird die Energie in Form von
potentieller Energie gespeichert. Diese lässt sich wie folgt berechnen:
Wpot= Potentielle Energie
F= Kraft in Newton
g= Erdanziehung
m= Masse in kg
h= Höhe in Metern
Wpot= F*h  F= m*g
Daraus folgt durch das Einsetzen von F folgende Formel:
Wpot= m*g*h
Kinetische Energie
Durch das Herablassen des Wassers wird die im oberen Becken gespeicherte
potentielle Energie in kinetische Energie (Bewegungsenergie)
umgewandelt.Diese lässt sich wie folgt berechnen:
Wkin= Kinetische Energie
v= Geschwindigkeit
t= Zeit in Sekunden
g= Erdanziehung
m= Masse in kg
Wkin= 0,5*m*(g*t)²  v= g*t
Daraus folgt durch Einsetzen von v:
Wkin= 0,5*m*v²
Die potentielle Energie kann im Optimalfall komplett in kinetische Energie
umgewandelt werden, dass heißt also kinetische Energie = potentieller
Energie. Da die Turbine die kinetische Energie jedoch nicht komplett in
elektrische Energie umwandeln kann kommt es zu Verlusten.
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Ökonomie
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Der gespeicherte Strom wird in Spitzenzeiten des Stromverbrauchs verkauft
um das Netz nicht kollabieren zu lassen, dem entsprechend teuer ist er auch
Zur Zeit kann kein anderes Speicherverfahren mit dem
Pumpspeicherkraftwerk konkurrieren
Andere Kraftwerksarten haben deutlich höhere Hoch bzw.
Herunterfahrzeiten, daher sind sie nicht sonderlich effizient. Gleichzeitig gibt
es im Tages- und Wochenverlauf einen stark schwankenden Stromverbrauch
(Spitzenlasten), weshalb Pumpspeicherkraftwerke wirtschaftlich sinnvoll sind.
Wirtschaftlich rentabel ist dieses Verfahren vor allen Dingen durch die so
genannte Veredelung des Stroms. Dabei wird Überschussstrom, der meist in
der Nacht produziert wird, billig eingekauft um damit die Pumpen zu
betreiben und das Wasser hoch zu pumpen. In den Spitzenlastzeiten wird die
potentielle Energie wieder in Strom umgewandelt, der dann deutlich teurer
wieder verkauft werden kann. So lässt sich trotz eines Wirkungsgrades von ca.
75% Gewinn erzielen.
Sichert wirtschaftliche Risiken der thermischen Kraftwerke ab, da praktisch
überflüssiger (Überschussstrom) Strom auch nachts ins Netz eingespeist
werden kann
Die Grafik zeigt, wann Strom im Verlauf eines Tages erzeugt
bzw. verbraucht wird.
Grafik zu den Spitzenlasten
Pumpspeicherkraftwerk Geesthacht
als Beispiel
Das Pumpspeicherkraftwerk in Geesthacht ist das größte in
Norddeutschland. Es ist im Jahre 1958 in Betrieb genommen und
dient der Spitzenlastabdeckung. Das Oberbecken umfasst eine Fläche
von 500*600 Metern und einen Flächeninhalt von 3.800.000
Kubikmetern von denen 3.300.000 effektiv nutzbar sind. Die drei
Pumpen haben insgesamt eine Leistung von etwa 120 Mega-Watt. Die
Elbe dient dem Pumpspeicherkraftwerk als Unterbecken. Das
Oberbecken kann einen Energieinhalt von ca. 600 MWh speichern,
was dem Verbrauch von 198 Zwei-Personenhaushalten pro Jahr
entspricht. Jedoch wird das Pumpspeicherwerk seit 2001 selten
genutzt, da eine eingeführte Oberflächenwassnutzungssteuer den
Betrieb unrentabel macht.
Volle Leistung erreicht das Kraftwerk bereits nach 70 Sekunden und
kann diese über einen Zeitraum von 5 Stunden abgeben. Damit ist das
Kraftwerk für die stabile Stromversorgung Hamburgs wichtig.An das
Pumpspeicherkraftwerk sind noch jeweils ein Wind- bzw.
Solarkraftwerk angeschlossen um die Pumpen unterstützend mit Strom
zu versorgen. Das Kraftwerk wird mit Francis-Turbinen betrieben.
Vorteile von
Pumpspeicherkraftwerken
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Sehr flexibel, da die volle Leistung innerhalb von Minuten abgerufen werden
kann
Für den Teillastbetrieb geeignet, da nicht viel Zeit zum Hoch- bzw.
Herunterfahren benötigt wird im Gegensatz zu anderen Kraftwerksarten wie
zB. Den Laufwasserkraftwerken.
Es wird keine elektrische Energie zum Hochfahren benötigt
(schwarzstartfähig), wie bei vielen anderen Kraftwerken, die wiederum durch
das Pumpspeicherkraftwerk fremdgestartet werden können.
Energiegewinnung zu 100% aus einem regenerativen Energieträger (Wasser)
Kann über mehrere Stunden volle Leistung abgeben und ist daher eins der
besten Speicherverfahren
Kann Schwankungen ausgleichen, denen beispielsweise die Stromproduktion
aus Wind- und Sonnenenergie unterliegen und dadurch wirtschaftliche
Risiken mindern
Nachteile von
Pumpspeicherkraftwerken
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Verbrauchen mehr Strom als sie produzieren (Wirkungsgrad
beträgt zwischen 75 und 85%), daher in dem Sinn kein
Kraftwerk sondern ein Energiespeicher
Überschussstrom wird benötigt, damit sich trotz des
Wirkungsgrades Gewinn erzielen lässt. Überschussstrom wird
vorwiegend aus Atom- oder Kohlekraftwerken bezogen, welche
die Umwelt in erheblichem Maße schädigen.
Oft sind extreme Eingriffe in die Natur notwendig um genügend
Platz für die Anlage und die Wasserauffangbecken zu schaffen
Stark begrenztes Einsatzgebiet, da ein Gefälle benötigt wird
Bietet die Möglichkeit des „Grün-waschens“ von Atomstrom
Zukunft der
Pumpenspeicherkraftwerke
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Auch in Zukunft wird das Speichern von Energie eine große
Rolle spielen. Da gerade die Wind- und Solarenergie im Laufe
des Tages starken Schwankungen unterliegt ist es hier notwendig
die Energie zwischenzuspeichern um Stabilität des Netzes zu
gewährleisten. Pumpspeicherkraftwerke weisen bislang den
höchsten Wirkungsgrad auf, weshalb sie auch in Zukunft eine
Rolle spielen werden, so lange keine bessere Alternative zur
Speicherung gefunden wird.
In Zukunft sind Projekte wie z.B. NorGer geplant, bei dem
Überschussstrom aus Deutschland wegen den größeren
Kapazitäten nach Norwegen geliefert wird um dort
zwischengespeichert zu werden und bei Bedarf wieder nach
Deutschland importiert zu werden. Ähnliche Projekte sind
innerhalb Deutschlands geplant. Dabei soll Solar- und
Windenergie aus dem Norden in den aufgrund der besseren
geographischen Vorraussetzungen geeigneteren Süden
gespeichert werden.