Pumpspeicherkraftwerk

Pumpspeicherkraftwerk: Funktionsweise, Vor- und Nachteile, Standorte in Deutschland

Inhalt des Wiki-Artikels

• Pumpspeicherkraftwerk – Definition, Funktionsweise und Physik
• Funktionsweise von Pumpspeicherkraftwerken
• Vor- und Nachteile von Pumpspeicherkraftwerken
• Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland

Pumpspeicherkraftwerk – Definition, Funktionsweise und Physik

Ein Pumpspeicherkraftwerk ist eine besondere Form des Wasserkraftwerks, das vor allem dazu gedacht ist, Strom zu speichern. Wasser dient dabei als Speichermedium: Pumpspeicherkraftwerke pumpen Wasser von einem Talbecken in ein Oberbecken; wenn Strom gebraucht wird, lässt man das Wasser ins Tal zurückfließen, dabei treibt es eine Turbine an. Bislang ist das Pumpspeicherkraftwerk die einzige großtechnische Lösung zur Speicherung von Energie in Deutschland. Deshalb hat es eine enorme Bedeutung für die geplante Energiewende, denn aus erneuerbaren Energien erzeugter Strom unterliegt Fluktuationen, so dass es notwendig ist, Speichermöglichkeiten zu schaffen.¹

Funktionsweise von Pumpspeicherkraftwerken

Mit der Nutzung von Pumpspeicherkraftwerken kann Energie, die durch Wind- oder Solaranlagen erzeugt wurde, langfristig und in großer Menge gespeichert und bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt werden. Dabei wird ein einfaches Prinzip der Physik genutzt, nämlich dass Wasser aufgrund der Schwerkraft immer nach unten fließt. Zunächst wird Wasser von einem Unterbecken im Tal mittels elektrischer Pumpen durch Rohrleitungen in ein deutlich höher gelegenes Oberbecken – auch Speicherbecken genannt – transportiert, um Energie zu speichern.

Die Becken sind natürlichen oder künstlichen Ursprungs, zum Beispiel können die Voraussetzungen für ein Pumpspeicherkraftwerk durch eine Staumauer geschaffen werden. Es gibt sowohl Speicherbecken mit einem natürlichen Zufluss als auch solche, die ausschließlich durch Pumpen gefüllt werden. Wie viel Energie gespeichert werden kann, ist von der Wassermenge und dem Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterbecken abhängig. Reine Pumpspeicherkraftwerke können unter Volllast in der Regel vier bis acht Stunden lang Strom produzieren.

Pumpspeicherkraftwerke sind reversibel ausgelegt, das bedeutet, dass der Generator zugleich als Motor fungiert. Bei der Stromspeicherung treibt der Elektromotor die Pumpe an, besteht Strombedarf, erzeugt er als turbinengetriebener Generator Strom. Sind der Motorgenerator, die Turbine und eine abkuppelbare Pumpe auf einer Welle montiert, ist beim Betriebsartwechsel keine Drehrichtungsumkehr notwendig. Es gibt Pumpspeicherkraftwerke, in denen Pumpe und Turbine in einem Aggregat vereint sind. Durch diese sogenannten Strömungsmaschinen fließt das Wasser in beide Richtungen, je nachdem, in welcher Betriebsart das Pumpspeicherkraftwerk gerade läuft, übernehmen sie die Aufgabe der Pumpe oder die der Turbine.²

Vor- und Nachteile von Pumpspeicherkraftwerken

Ein Pumpspeicherkraftwerk hat viele Vorteile, aber auch einige Nachteile. Zu den Vorteilen von Pumpspeicherkraftwerken gehört ihr hoher Wirkungsgrad, der gewöhnlich zwischen 75 und 85 Prozent liegt. Die auf das Speichern von Energie ausgelegten Wasserkraftwerke tragen zur Netzstabilität bei, weil sie Fluktuationen ausgleichen können, die durch die Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen entstehen. Sie fangen Erzeugungsspitzen sowie Bedarfsspitzen ab und gleichen Netzschwankungen sowie plötzliche Verbrauchseinbrüche aus. Damit reduzieren sie zugleich den Bedarf an Kraftwerken, die mit Hilfe fossiler Brennstoffen Energie erzeugen.

Pumpspeicherkraftwerke tragen zudem zur Last- und Einspeiseglättung bei: In Lastphasen, in denen ein geringer Strombedarf herrscht, ziehen sie minuten- oder sogar sekundengenau Strom aus dem Netz, der dann geglättet wieder eingespeist wird. Geglättet bedeutet, dass die Energie flexibel zurück ins Stromnetz gespeist werden kann. Ein weiterer Vorteil eines Pumpspeicherkraftwerks ist dessen Schwarzstartfähigkeit: Das Kraftwerk kann unabhängig vom Stromnetz aus dem abgeschalteten Zustand hochgefahren werden. Ein solcher Schnellstart ist vor allem bei einem Stromausfall von immenser Bedeutung. Wie viel Strom produziert wird, ist durch die Regulierung des Wasserstroms bestimmbar. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass die Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde Energie geringer ausfallen als bei anderen Speichermöglichkeiten.

Ein großer Nachteil von Pumpspeicherkraftwerken ist, dass sie sehr viel Platz brauchen. Vor allem bei oberirdisch gebauten Pumpspeicherkraftwerken wird die Umwelt oft stark belastet. Ein Modellprojekt für ein Pumpspeicherkonzept unter Wasser wird derzeit im Bodensee erprobt. Genutzt wird ein sogenannter Meerespumpspeicher. Dabei wird ein kugelförmiger Hohlkörper auf dem Grund installiert, an dessen Oberseite sich eine Öffnung befindet, in die eine Strömungsmaschine eingebracht ist. Wird ein Ventil an der Kugel geöffnet, treibt das hereinströmende Wasser die Turbine an, so dass Strom erzeugt wird. Geladen wird der Speicher, indem mittels überschüssigem Strom das Wasser unter Gegendruck aus dem Hohlkörper gepumpt wird. Bei gleichbleibendem Volumen der Kugel steigt die Speicherkapazität linear mit dem Wasserspiegel an.

Zu den Nachteilen zählen außerdem die hohen Kosten für den Bau eines Pumpspeicherkraftwerks. Häufig muss der Strom über weite Strecken transportiert werden, da Pumpspeicherkraftwerke in der Regel nicht nah an Siedlungsgebieten errichtet werden. Dadurch treten Energieverluste auf, die den Wirkungsgrad der Kraftwerke verringern.³

Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland

Im Jahr 2019 verfügte Deutschland bereits über 31 Pumpspeicherkraftwerke, elf davon haben ein Oberbecken mit natürlichem Zufluss, sie speichern also nicht nur Energie, sondern erzeugen darüber hinaus selbst Strom aus einer regenerativen Energiequelle.⁴

An der Saale liegen die Pumpspeicherkraftwerke Hohenwarte I und Hohenwarte II. Letzteres ist mit einer Gesamtnennleistung von 320 Megawatt bislang das größte Wasserkraftwerk an der Saale. Das Pumpspeicherkraftwerk Hohenwarte I verfügt über eine Nennleistung von 63 Megawatt. Im Rahmen von Führungen können die Kraftwerksanlagen besichtigt werden. Das Speicherbecken hat keinen natürlichen Zufluss, es wird ausschließlich über das Unterbecken mit Wasser gespeist.⁵

Eines der größten Pumpspeicherkraftwerke weltweit ist das Kavernenkraftwerk Wehr der Schluchseewerk AG. Es erzeugt im Jahr etwa 1,16 Milliarden Kilowattstunden an Energie. Als Speicher dient das in über 1000 Metern Höhe gelegene Hornbergbecken, das bis zu 4,4 Millionen Kubikmeter Wasser aufnehmen kann. Mit dieser Wassermenge kann der Generator unter Volllast sieben Stunden lang Strom erzeugen. Durch die Fallhöhe von 630 Metern sorgen die vier Turbinen des Pumpspeicherkraftwerks für eine durchschnittliche Generatorleistung von 910 Megawatt, die höchste Pumpleistung liegt bei 980 Megawatt. Der Wehrastausee ist das Unterbecken des Pumpspeicherkraftwerks, er fasst 4,1 Millionen Kubikmeter Wasser. Ein 40,5 Meter hoher Damm wurde errichtet, um das Wasser für das Pumpspeicherkraftwerk zu stauen.⁶