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Samstag, 13. August 2011

Pumpspeicherkraftwerke

Die mit großem Abstand meist genutzte Art, elektrische Energie zu speichern, ist die des Pumpspeicherkraftwerks. Das Prinzip ist einfach und seit hundert Jahren bewährt. Wasser wird aus einem Fluss oder See in ein hochgelegenes Speicherbecken gepumpt. dabei nimmt das Wasser die elektrische Energie, die zum Antrieb der Pumpe verwendet wird, in Form von potentieller Energie auf. Ganz ähnlich dem Beispiel des Wassereimers, der in der Einführung beschrieben wurde. Die gespeicherte Energiemenge hängt direkt von der Wassermenge und der Pumphöhe ab.
Abbildung: Das Pumpspeicherwerk Rönkhausen, im Oberbecken können eine Million kubikmeter Wasser gespeichert werden, mit 270 m Höhendifferenz können damit 0,73 GWh gespeichert werden. (Bildquelle: Wikipedia) 


Ein typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland hat eine Fallhöhe von 400 m, da die meisten Mittelgebirge sich nicht wesentlich höher gegenüber den umliegenden Tälern erheben. Für die Planung großer Speicherkapazitäten ist es interessant, wie groß die Energiemenge ist, die man pro Quadratmeter speichern kann. Denn für die Speicherung muss Land überflutet werden und jeder kann sich überlegen, wie teuer ein Quadratmeter Land in Deutschland ist. Der betrachtete Speichersee soll einen Wasserspiegel haben, der bis zu zehn Meter schwanken kann, damit kann man pro Quadratmeter zehn Kubikmeter Wasser speichern. Das ist die Wassermenge für ein kleines Gartenschwimmbecken aus Plastik, wie man es im Supermarkt kaufen kann. Unter diesen Annahmen findet man, dass auf einem Quadratmeter eine Speicherkapazität von 10 kWh vorhanden ist. Damit könnte man zehn Stunden eine Maschine mit 1 kW Leistungsaufnahme betreiben oder hundert Stunden einen Computer, mit 100 W Leistungsaufnahme, rechnen lassen.

Bedarf an Speicherfläche
Für die Energieversorgung mit erneuerbaren Energien müssen für jeden Einwohner im Durchschnitt 147 kWh Speicher bereitgestellt werden. Damit benötigt jeder einen Stausee mit einer Fläche von etwa 15 m². Dies erscheint nicht allzuviel, rechnet man dies jedoch auf die Einwohnerzahl von Deutschland, 80 Millionen, hoch, so hat dieser Stausee eine Fläche von 1200 km². Das ist mehr als die doppelte Fläche des Bodensees.
Abbildung: Veranschaulichung des Flächenbedarfs vom Pumpspeicherkraftwerken. Praktisch der gesamte Südschwarzwald müsste geflutet werden, würde man für jeden Einwohner die notwendigen 147 kWh Speicherbedarf bei einem Umstieg auf Solar- und Windenergie bereitstellen.

Es ist schwer vorstellbar, dass es innerhalb von dreißig Jahren gelingt, in Deutschland eine derart große Fläche mit Stauseen zu überfluten. Die meisten höher gelegenen Gebiete sind in Deutschland unter Natur- oder Landschaftsschutz, ein nicht unerhebliches Hinderniss, will man das Gelände überfluten. Weiterhin müssten für derart große Stauseen viele Orte und Städte überflutet werden, was die Akzeptanz in der lokalen Bevölkerung auf nahe Null absinken (sic!) läßt. Das geplante Pumpspeicherkraftwerk Atdorf im Schwarzwald, mit einer oberen Seefläche von einem Quadratkilometer, stößt auf massiven Widerstand, obwohl es sich um ein unbewohntes Gelände handelt. Das Pumpspeicherkraftwerk Atdorf kann als "Kleinanlage", 13 GWh Kapazität, im Vergleich zu den notwendigen Kapazitäten von 12.000 GWh angesehen werden.

Alternativen:

In weiteren Blogposts beschrieben
Berechnungshinweis:
Erstaunlicherweise findet man im Internet selten die Speicherkapazität von Speicherkraftwerken, häufig wird nur die Turbinenleistung angegeben. Wer gerne mal die Kapazität eines Speichersees nachrechnet, für den ist folgende Formel Hilfreich:
Die Energiemenge E berechnet sich aus der Schwerkraft g = 9,81 N/kg, der Masse des Wassers m und der Fallhöhe h das Wassers.
E = g * m * h
Da man meist nicht die Masse m kennt, eine einfache Berechnung mit der Seefläche A (in m²):
E = g * A * h *1000 * Pegelschwankung(in Metern)
Das Ergebnis ist die Energiemenge in Joule, das ist unpraktisch, da man in der Stromversorgung eher in kWh denkt, daher muss das Resultat noch durch 3.600.000 geteilt werden.
Als Faustformel kann man sich auch merken: 10kWh pro Quadratmeter.

Kommentare:

  1. hallo,

    das ergebnis ist dan aber die theoretisch verfügbare kapazität, da man ja noch den wirkungsgrad (=wirkungsgrad aufpumpen x wirkungsgrad ablassen), also dann nur die reibungsverluste beim ablassen, das sind bei neueren ca 13.5% also ergebnis mal 0,865 oder hab ich da ein denkfehler??

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  2. @Goldfinga
    Sie haben recht, dass man den Wirkungsgrad berücksichtigen muss. Da die meisten Systeme nahe bei 80% arbeiten, ist es aber sinnvoll, den Energieinhalt von Speicherbecken direkt anzugeben. Beim Lageenergiespeicher gebe ich aber immer den um den Wirkungsgrad verminderten Kapazitätswert an.

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  3. Aus welcher Quelle sind die 147 kWh Speicherbedarf entnommen? Bezieht sich das auf die Stromnachfrage von Haushalten oder Gesamtnachfrage inkl. Industrie und Infrastruktur?

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    1. Dieser Kommentar wurde vom Autor entfernt.

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    2. Die 147kWh stammen aus einer Analyse von Lüder von Bremen. Dabei wurde in einem Computermodell 60% Wind und 40% PV als Stromversorgung in Deutschland angenommen. Es geht um den Gesammtstromverbrauch inkl. Industrie.

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  4. Aber wenn ich die angegebenen 15m^2 mit 80mio multipliziere erhalte ich 120.000 km^2 und nicht 1200. Ich kann den Rechenweg nicht nachvollziehen. Bitte um antwort!

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    1. Sie haben vermutlich km³ und m³ nicht richtig umgerechnet. 1 km³ = 1.000.000.000 m³

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    2. Eigentlich meinte ich Quadratmeter und nicht Kubikmeter. Sie redeten von einem Oberbecken (siehe Bedarf an Speicherfläche), das pro Kopf eine Fläche von 15m^2 beanspruchen würde um das deutsche Volk mit elektrischer Energie zu versorgen. Ich kann leider nicht nachvollziehen, wie sie bei dem Stausee auf einen Flächeninhalt von 1200 km^2 kommen. Dieser Kommentar soll nicht als Kritik, sondern als Frage dienen. Über den Rechenweg würde ich mich sehr freuen.

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    3. 1200 km^2 = 1.200.000m^2
      1.200.000 / 15 = 80.000m^2
      D.h. laut meinem Rechenweg und ihren Angaben würde dieses Oberbecken nur 80.000 Menschen versorgen anstelle von den von ihnen angegebenen 80mio.

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    4. Deutschland hat 80.000.000 Einwohner, jeder braucht 15 m² Speichersee, macht 1.200.000.000 m² oder, da ein km² = 1.000.000 m² ist, 1.200 km², wie ich im Blog beschrieben habe.

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    5. Ah, vielen Dank! Und vorallem danke ich für Ihre schnelle antwort!

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  5. Sehr geehrter Herr Heindl,
    Zum Thema des 1200km^2 großen Oberbecken-PSWs hat sich für mich noch eine Frage ergeben:
    Auf der 2. Abbildung erkennt man unter der Flächenangabe des Oberbeckens die elektrische Energie, die das PSW speichert. Diese ist in TWh angeben (11TWh). Wie lange müsste ein PSW dieser Größe laufen, um diese Menge an elektrischer Energie zu produzieren und kann das Kraftwerk den deutschen Strombedarf für nur eine Woche überdecken oder sind damit die gespeicherten 11TWh gemeint?
    Ich hoffe ich langweile sie nicht mit meinen Fragen.

    LG
    ABCWasserkraft

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  6. 11TWh sind 11.000GWh, damit kann man Deutschland eine wochemversorgen, wie beschrieben.

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