Wozu braucht man Pumpspeicherkraftwerke? 28.11.2011, 09:01

Pumpspeicherkraftwerk, Vorschaubild

Für viele Kraftwerke ist es technisch schwierig, sie schnell an eine sich verändernde Energienachfrage anzupassen. Wirtschaftlicher ist es, sie mit gleichbleibender Leistung (Last) zu betreiben und so genannte Spitzenlasten von speziellen Kraftwerken abdecken zu lassen. Diese müssen in der Lage sein, innerhalb von Minuten hohe Leistungen zur Verfügung zu stellen. Dies ist ein Fall für Pumpspeicherkraftwerke.

Anzeige

Wozu braucht man Pumpspeicherkraftwerke?

Stromverbraucher nutzen, über den Tag gerechnet, das Stromangebot sehr ungleichmäßig. Dies bedeutet eine ungleichmäßige Belastung des Stromnetzes. Können die Stromerzeuger, d. h. die Kraftwerke, ohne Weiteres auf unterschiedliche Leistungsnachfragen reagieren? Können sie immer genau die Energiemenge produzieren, die benötigt wird? Bei vielen Kraftwerken ist es, wenn sie einmal laufen, technisch schwierig, ihnen schnell eine höhere oder niedrigere Leistung abzuverlangen. Wirtschaftlicher ist es, sie mit gleichbleibender Leistung (Last) zu betreiben und so genannte Spitzenlasten mit flexiblen Spitzenlastkraftwerken abzudecken. Diese sind in der Lage, innerhalb von Sekunden oder Minuten hohe Leistungen zur Verfügung zu stellen. Zu den Kraftwerken, die diese Fähigkeit besitzen, zählen die Pumpspeicherkraftwerke. 
Sie gibt es seit 100 Jahren. Mit Wirkungsgraden bis 80 Prozent arbeiten sie sehr effizient, erfordern aber riesige Investitionen in einem zudem unsicheren Markt. Weil sie erhebliche Eingriffe in die Landschaft mit sich bringen, stoßen neue Projekte wie Atdorf (EnBW- und RWE-Tochter Schluchseewerke) auf heftigen Widerstand. An Pumpspeicherwerken in alten Bergwerken dagegen, wie sie der Ruhrkonzern RAG plant, reibt sich der Bürgerprotest weniger. 

Bei Kraftwerken unterscheidet man allgemein vier Typen:
- Grundlastkraftwerke (Laufwasserkraftwerke, Braunkohlekraftwerke, Kernkraftwerke) laufen durchgehend mit Volllast. Sie erzeugen sehr preisgünstigen Strom, lassen sich aber nicht schnell regeln.
- Mittellastkraftwerke (z. B. Steinkohlekraftwerke) werden in ihrer Leistung entsprechend dem vorhersehbaren Strombedarf geregelt. Ihr Strom ist teurer als der aus Grundlastkraftwerken. Auch sie können nur bedingt auf schnelle Änderungen des Strombedarfs reagieren.
- Spitzenlastkraftwerke (Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicherkraftwerke, Gasturbinenkraftwerke) können schnell  auf Leistungsveränderungen im Netz reagieren.
Starklastzeiten, in denen man Pumpspeicherkraftwerk Strom erzeugen lässt, sind die Mittagszeit oder mediale Ereignisse wie Fußballspiele. Auch Unwetter können, wenn sie mit einem plötzlichen Kälteeinbruch oder mit Dunkelheit verbunden sind, den Stromverbrauch steigen lassen.
- Auch Solaranlagen, Windkraftanlagen und Blockheizkraftwerke sind Kraftwerke, die aber nicht in die aktive Netzregelung einbezogen werden.

Wie funktioniert ein Pumpspeicherkraftwerk? 

Vereinfachte Darstellung eines Pumpspeicherkraftwerks


Zwischen einem hoch gelegenen Oberbecken und dem dazu möglichst tiefliegenden Unterbecken liegt die Kraftwerkszentrale mit Pumpen, Turbinen und Generatoren.
Wenn im öffentlichen Stromnetz mehr elektrische Energie vorhanden ist als von den Verbrauchern verlangt wird (in der Regel nachts), wird der überschüssige und dann auch billige Strom dazu benutzt, Wasser durch Rohrleitungen in das hoch gelegene Speicherbecken zu pumpen. Steigt dagegen der Energiebedarf in Starklastzeiten, lässt man das Wasser aus dem Hochbecken ab und treibt damit Turbinen an. Sie erzeugen über Generatoren zusätzlichen Strom.
Die Höhe der Kraftwerksleistung hängt von der verfügbaren Wassermenge und dem nutzbaren Höhenunterschied zwischen Oberbecken und Turbinenhaus ab. Sinkt der Stromverbrauch plötzlich, werden die Pumpen angefahren; sie pumpen das Wasser aus dem unteren in das obere Staubecken. So wird der Stromüberschuss aus dem Netz genommen und dabei der Wasserspeicher gefüllt.

Am Oberbecken ist ein Wasserschloss installiert. Welche Aufgabe hat es?

Beim Schließen der Armaturen entsteht in der Rohrleitung ein Druckstoß. Das Wasserschloss, vereinfacht ein großes Rohr, dient dazu, den Druckstoß zu dämpfen. In seinem Innern kann der Wasserspiegel für den Druckausgleich frei ausschwingen, wenn sich die Durchflussgeschwindigkeit in den Druckrohren ändert. Auch bei der Regelung der Turbinen können Druckstöße entstehen, die sich mit hoher Geschwindigkeit in der Rohrleitung fortpflanzen. Die Druckstöße könnten den Rohrleitungen gefährlich werden.


Zum Bild unten:
Kraftwerke unterscheiden zwischen Grundlast, Mittellast und Spitzenlast.

Die Grundlast ist die Höhe der Netzbelastung, die während eines Tages in einem Stromnetz nicht unterschritten wird. Wird der Grundverbrauch überschritten, dann setzt man zur Deckung des zusätzlichen elektrischen Verbrauchs Mittel- und Spitzenlastkraftwerke ein.

Unter Mittellast versteht man den Bereich der Tageslastkurve, in dem über die Grundlast hinaus zusätzlicher Strom verbraucht wird.
Die Lastkurve zeigt den Verlauf des Stromverbrauchs über die 24 Stunden eines Tages. Die Grundlast zeigt, wie viel Strom rund um die Uhr mindestens verbraucht wird. Im deutschen Stromnetz erhöht sich die Belastung in der Zeit zwischen 6 Uhr morgens und 24 Uhr über die Grundlast hinaus. 

Im Tagesverlauf entstehen Spitzenlasten

Unter Spitzenlast versteht man eine kurzzeitig auftretende hohe Leistungsnachfrage im Stromnetz mit sehr hohem Stromverbrauch. Er liegt vormittags zwischen 7 Uhr und 12 Uhr und nachmittags bzw. abends zwischen 16 Uhr und 20 Uhr. 

Die Skizze unten ist als Grundzeichnung für die Verwendung in Aufgabenblättern gedacht. 

So funktioniert ein Pumpspeicherkraftwerk: Skizze für Aufgabenblatt

Anzeige