Einführung
Pumpspeicherkraftwerke sind eine Form von Wasserkraftwerken und werden als erneuerbare Energiequelle klassifiziert.
Diese Kraftwerke wandeln potentielle Energie in elektrische Energie um und umgekehrt. Dies geschieht durch das Ablassen von Wasser von einem höheren zu einem niedrigeren Niveau oder durch das Hochpumpen von Wasser. Beim Ablassen erzeugt das Kraftwerk Strom, während beim Hochpumpen potentielle Energie gespeichert wird. Pumpspeicherkraftwerke nutzen Francis-Turbinen, da sie sowohl als Pumpe als auch als Turbine arbeiten können.
Pumpspeicherkraftwerke werden eingesetzt, um Frequenz, Spannung und Leistungsanforderungen im Stromnetz auszugleichen. Sie bieten zusätzliche Kapazität während Spitzenlastzeiten und werden daher als ‘Spitzenlast’-Kraftwerke bezeichnet.
Stromnetz-Leistungsnachfrage-Diagramm
Da Pumpspeicherkraftwerke Strom ‘auf Abruf’ bereitstellen können, besitzen sie eine hohe Regelbarkeit (die Fähigkeit, schnell Strom ins Netz zu liefern, wenn er benötigt wird).
Kraftwerksdesign
Unabhängig vom Standort benötigen alle Pumpspeicherkraftwerke ein oberes und ein unteres Reservoir. Der Höhenunterschied zwischen diesen Reservoirs, die sogenannte ‘Fallhöhe’ (Druckhöhe), muss signifikant sein, um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten.
Ein Druckrohr verbindet das obere Reservoir mit der Francis-Turbine im Kraftwerk. Ein Saugrohr und ein Ablaufkanal führen von der Turbine zum unteren Reservoir.
Pumpspeicherkraftwerkslayout
Gefällt Ihnen dieser Artikel? Dann schauen Sie sich unseren Videokurs über Wasserkraftwerke an! Der Kurs enthält ein Quiz, ein Handbuch und ein Zertifikat bei Abschluss. Viel Spaß!
Funktionsweise von Pumpspeicherkraftwerken
Das folgende Video ist ein Auszug aus unserem Einführungskurs zu Wasserkraftwerken.
Stromerzeugung in Pumpspeicherkraftwerken
Wasser fließt vom oberen Reservoir durch das Druckrohr zur Francis-Turbine. Beim Durchströmen der Laufschaufeln entsteht ein Druckunterschied, der Drehmoment auf den Läufer ausübt, wodurch dieser rotiert.
Der Turbinenläufer ist mit einem Generator auf einer gemeinsamen Welle verbunden. Während der Läufer rotiert, dreht sich auch der Generatorrotor. Die Rotation im elektromagnetischen Feld des Generators induziert Strom in den Statorwicklungen, wodurch elektrischer Strom fließt. Dieser wird über ein Schaltfeld und einen Transformator an die Endverbraucher verteilt.
Stromnetz
Das Wasser verlässt den Turbinenläufer durch ein Saugrohr, wo ein Teil der kinetischen Energie zurückgewonnen wird, bevor es in den Ablaufkanal und schließlich ins untere Reservoir gelangt.
In diesem Prozess wird die potentielle Energie des Wassers durch den Turbinenläufer in mechanische Energie umgewandelt, die dann über die Welle an den Generator übertragen wird, der sie in elektrische Energie umwandelt. Dieser Vorgang kann fortgesetzt werden, bis das obere Reservoir leer ist.
Speicherung von potentieller Energie in Pumpspeicherkraftwerken
Wasser wird vom unteren Reservoir zum oberen Reservoir durch den Francis-Turbinenläufer gepumpt. Der Flussweg ist derselbe wie bei der Stromerzeugung, jedoch in umgekehrter Richtung, da der Francis-Läufer als Pumpe fungiert.
Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicherkraftwerken
Pumpspeicherkraftwerke nutzen die Schwankungen der Strompreise, um Gewinne zu erzielen. Viele thermische Kraftwerke (kohlebefeuert, gasbefeuert usw.) können ihre Leistung nicht schnell anpassen, da dies große thermische Belastungen auf die Komponenten (Kessel, Rohrleitungen usw.) ausüben würde. Daher produzieren sie nachts fast genauso viel Strom wie tagsüber.
Tagsüber ist die Nachfrage hoch und die Preise steigen. Nachts sinkt die Nachfrage und die Preise fallen. Pumpspeicherkraftwerke kaufen nachts günstigen Strom, um Wasser hochzupumpen, und verkaufen tagsüber teureren Strom, wenn die Nachfrage höher ist.
Beispiel 1
Strom wird zu 1ct/kWh gekauft, um Wasser hochzupumpen.
Strom wird zu 2ct/kWh verkauft, indem Wasser abgelassen wird.
Das Kraftwerk erzielt einen Gewinn von 1ct/kWh, da:
2ct/kWh (Verkauf) - 1ct/kWh (Kauf) = 1ct/kWh (Gewinn).
Diese Praxis war lange Zeit üblich, aber der Anstieg erneuerbarer Energien verändert die Marktbedingungen.
Beispiel 2
An einem sonnigen und windigen Tag erzeugen viele Solar- und Windkraftwerke Strom. Der Überschuss führt zu einem Preisverfall, der es Pumpspeicherkraftwerken ermöglicht, auch tagsüber Strom zu kaufen.
In diesem Szenario werden Pumpspeicherkraftwerke sowohl tagsüber als auch nachts genutzt, um das Netz zu stabilisieren und während der Spitzenlastzeiten Strom bereitzustellen. Diese Entwicklung hat die Rolle der Pumpspeicherkraftwerke im Stromnetz gestärkt.
3D-Modellkomponenten
Dieses 3D-Modell zeigt alle Hauptkomponenten eines typischen Pumpspeicherkraftwerks, einschließlich:
- Oberes und unteres Reservoir
- Druckrohr
- Müllgitter
- Absperrventile
- Schaltanlagen
- Turbinenläufer (Francis)
- Spiralgehäuse
- Saugrohr
- Generator
- Elektrischer Transformator
- Freiluft-Schaltanlage
Zusätzliche Ressourcen
http://www.wvic.com/content/how_hydropower_works.cfm
https://science.howstuffworks.com/environmental/energy/hydropower-plant.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine