Pumpspeicherkraftwerk (PSW)

Präsentation zum Thema: "Pumpspeicherkraftwerk (PSW)"—  Präsentation transkript:

1 Pumpspeicherkraftwerk (PSW)
Lerngebiet: Energieressourcen schonen Erstellt von: Julian H.

2 Gliederung Woher hat Wasser Energie?
Wo und Warum gibt es Pumpspeicherkraftwerke? Aufbau und Funktionsweise Energieumwandlungsvorgänge und Wirkungsgrad Physikalische Grundlagen Turbinen Anwendungsbespiele und Besonderheiten Umwelt Wirtschaftlich und Rentabilität Zukunft und Alternativen

3 Woher hat Wasser Energie?

4 Wasser als „Energieträger“
Der natürliche Wasserkreislauf mit Verdunstung, Niederschlag und Abfluß zum Meer wird durch die Sonneneinstrahlung aufrechterhalten. Die Stromerzeugung mittels Wasserkraftwerken ist also eine indirekte Nutzung der Sonnenenergie. Wasser als „Energieträger“ Die Sonne hält den natürlichen Wasserkreislauf mit Verdunstung, Niederschlag und Abfluß zum Meer aufrecht. Die Stromerzeugung mittels Wasserkraftwerken, wie Speicherkraftwerken und Laufwasserkraftwerken ist also eine indirekte Nutzung der Sonnenenergie.

5 Wasser als „Energiespeicher“
Ein Pumpspeicherkraftwerk ist: Eine besondere Form eines Speicherkraftwerkes stationärer Speicher von (elektrischer) Energie ein Energiewandler, kein Kraftwerk im herkömmlichen Sinn ein Regel- und Spitzenlastkraftwerk Wasser als „Energiespeicher“ Seen sind beim natürlichen Wasserkreislauf Energiespeicher, dies hat sich der Mensch der Natur abgeschaut und die Pumpspeichertechnologie am Anfang des 19. Jahrhunderts entwickelt. Ein Pumpspeicherkraftwerk besteht aus einen Oberbecken und Unterbecken die mittels Rohrleitungen verbunden sind. Nach Bedarf wird Wasser in das obere Becken gepumpt oder in das untere Becken turbinisiert. Pumpspeicherkraftwerke sind: eine besondere Form eines Speicherkraftwerkes stationärer Speicher von Energie ein Energiewandler, kein Kraftwerk im herkömmlichen Sinn ein Regel- und Spitzenkraftwerk

6 Wo und warum?

7 Standortwahl von PSW Kriterien: Versorgungszentrum
Geographischen und topographische Gegebenheiten Natürliche Zuflüssen, Seen, Flüsse Kurze Entfernung zwischen Oberbecken und Unterbecken bei großen Höhenunterschied Wo und warum? Folgende Kriterien sind ausschlaggebend für die Standortwahl: der Bedarf in einem Versorgungszentrum, den Verbundnetzen Geographische und topographische Gegebenheiten, wie: Vorhandensein von Zuflüssen, Seen, Flüssen sowie eine kurze Entfernung zwischen Oberbecken und Unterbecken bei großen Höhenunterschied

8 Geesthacht Goldisthal
Übersichtskarte mit allen Kraftwerken in Deutschland die roten sind Atomkraftwerke die braunen sind Braunkraftwerke die grauen Steinkohlekraftwerke die gelben Erdgaskraftwerke die blauen sind Wasserkraftwerke Hier wird nicht zwischen Speicher-, Pumpspeicher-, Laufwasserkraftwerken unterschieden, deshalb habe ich euch 2 von den 33 Pumpspeicherkraftwerken in Deutschland markiert. Geesthacht, das einzige im Norddeutschland und das größte und neueste in Goldisthal

9 Energieverbund Nationales und europäisches Verbundnetz
Die 4 sogenannten ÜBN, Übertragungsnetzbetreiber, sind verantwortlich für die Sicherstellung der Energieversorgung und planen Kraftwerke nach Bedarf; kaufen ggf. Strom bei der Strombörse in Leipzig hinzu oder bieten dort welchen an. Die Preise verhalten sich nach der Regel: Angebot / Nachfrage.

10 Netzbelastungskurve Netzbelastungskurve
Je nach Tageszeit ist der Energiebedarf unterschiedlich, dies und durch welche Kraftwerke diese Netzbelastung abgedeckt wird, wird aus dieser Grafik ersichtlich. Grundlast, welche vor allem von Kernkraftwerken, Laufwasserkraftwerken und Braunkohlekraftwerken gedeckt wird Steinkohle und Gaskraftwerke stellen die Mittellast Die Spitzenlast wird durch Gasturbinen und Pumpspeicherkraftwerke abgedeckt Damit Pumpspeicherkraftwerke diese Spitzenlast stellen können, müssen sie, wenn der Energiebedarf niedrig ist, vor allem nachts, neu „aufgeladen“ werden.

11 Aufgaben im Energieverbund
Überführung von Schwachlaststrom in Spitzenenergie Optimierung des Betriebes von therm. Kraftwerken Schnelles Leistungsaufnahme bzw. -abgabe aus/ins Verbundnetz Frequenzerhaltung: Um kleine, aber rasch auftretenden Schwankungen der Netzfrequenz (in Deutschland 50 Hz +-0,05 Hz ) auszugleichen Blindleistungs- bzw. Phasenverschiebung Hilfestellung beim Wiederaufbau eines Versorgungsnetzes nach Netzzusammenbruch, bei dem sogenannten Schwarzstart Schnelle Stromreserve, z.B. bei Ausfall eines Kraftwerkes Aufgaben Somit sind die Aufgaben im Energieverbund die Überführung von Schwachlaststrom in Spitzenenergie. Dadurch können therm. Kraftwerke nachts optimiert betrieben werden Durch schnelle Leistungsaufnahme bzw. –abgabe kann ein Pumpspeicherkraftwerk die Frequenz im Stromnetz dem Soll von 50 Hz angleichen. Eine weitere Regelaufgabe ist die Phasenverschiebung. Durch die sogenannte Schwarzstartfähigkeit von Pumpspeicherkraftwerken, sie brauchen also keine Startenergie um die „Stromproduktion“ zu starten, können diese beim Wiederaufbau eines Versorgungsnetzes nach Netzzusammenbruch eingesetzt werden.

12 Bezeichnungen von PSW Bezeichnungen nach Größe des Speichervolumens:
Tagesspeicher mit einem Speicherinhalt bis zu 10 Mio. m³ Wochenspeicher mit einem Speicherinhalt von 10 Mio. m³ bis 60 Mio. m³ Jahresspeicher mit einem Speicherinhalt von über 60 Mio. m³ Bezeichnung nach Vorhandensein von natürlichen Zuflüssen: Pumpspeicherkraftwerke mit natürlichen Zuflüssen Pumpspeicherkraftwerke ohne natürlichen Zufluss Bezeichnungen Je nach den baulichen Kriterien und den Anforderungen im Energieverbund werden Pumpspeicherkraftwerke in verschieden Größen gebaut und haben folgende Bezeichnungen: Tagesspeicher bis 10 Mio m³, welche einen tageweisen Betrieb haben Wochenspeicher von 10 bis 60 Mio m³, die übers Wochenende Energie speichern und über die Woche verteilt wieder abgeben und die größten, die Jahresspeicher mit über 60 Mio m³ Speichervolumen, sie speichern Energie über die Sommermonate und geben im Winter, wo der Energiebedarf am höchsten ist, wieder ins Verbundnetz ab

13 Aufbau und Funktionsweise

14 Aufbau Oberbecken Krafthaus Triebwasser-rohre Unterbecken
Weitere Bauteile: Wasserentnahmevorrichtung Wasserschloss/ Schwallkammer Verschluss- und Regelorgane

15 Funktionsweise Externer Link:

16 Funktionsweise

17 Turbinenbetrieb 12:30 Uhr, Anlaufzeit ca. 1 min
die Hausfrau macht den Herd an! Anlaufzeit ca. 1 min

18 Turbinenbetrieb

19 Turbinenbetrieb

20 Funktionsweise

21 Pumpbetrieb 22:30 Uhr, Anlaufzeit ca. 1 min
Das Länder-spiel ist vorbei! Anlaufzeit ca. 1 min

22 Pumpbetrieb

23 Pumpbetrieb

24 Funktionsweise

25 Betriebsarten Turbinenbetrieb:
Pumpspeicherkraftwerke erzeugen Strom durch Wasser, das von einem hoch gelegenen Speichersee (Oberbecken) über eine Druckleitung zu Turbinen mit gekoppelten Generatoren geleitet wird und dann in einen tief gelegenen Speichersee (Unterbecken) fließt. Pumpbetrieb: Das Zurückfördern des Wassers in das Oberbecken erfolgt durch Pumpen, die durch die Generatoren, dann als Motor laufend, angetrieben werden. Phasenschieberbetrieb: Der Generator läuft bei abgekuppelten oder auch bei gekuppelten, jedoch dann entleerten Turbinen und Pumpen im Stromnetz um vorhandene Phasenverschiebungen auszugleichen um somit Verluste bei der Stromübertragung zu minimieren.

26 Energieumwandlungsvorgänge & Wirkungsgrad

27 Energieumwandlungsvorgänge
Potentielle Energie Oberbecken Kinetische + Potentielle Energie Druckleitung Rotationsenergie Turbine Elektrische Energie Generator Turbinenbetrieb

28 Energieumwandlungsvorgänge
Verbundnetz Elektrische Energie Generator Rotations-energie Pumpe Druckleitung Kinetische + Potentielle Energie Oberbecken Potentielle Energie Pumpbetrieb

29 Wirkungsgrad

30 Wirkungsgrad

31 Physikalische Grundlagen

32 Grundlagen Energie: Energie = gespeicherte Arbeit
SI-Einheit: J (Joule) Einheit in der Energieversorgung: kWh (Kilowattstunde) Umrechnungsfaktor: 1/3,6 · 106 Beispiel: 1 kWh = 1000 W * 3600 s = Ws (Wattsekunde) = Joule Energie kann nicht erzeugt/verbraucht/zerstört werden!

33 Grundlagen Verrichtet man Arbeit, wird diese zu Energie. Dabei wird...
- ... Hubarbeit zu Lageenergie, da ein Körper in eine neue Lage gebracht wird Beschleunigungsarbeit zu Bewegungsenergie, da ein Körper bewegt wird Spannarbeit zu Spannenergie (da ein Körper gespannt wird) - ... Reibungsarbeit zu Wärmeenergie (da bei Reibung auch Wärme entsteht).

34 Grundlagen Potentielle Energie (Lageenergie):
Die potentielle Energie Wpot ist so groß, wie die an der Last verrichtete Hubarbeit: Hubarbeit:

35 Grundlagen Kinetische Energie (Bewegungsenergie):
Die kinetische Energie Wkin ist so groß, wie die am Körper verrichtete Beschleunigungsarbeit: Beschleunigungsarbeit:

36 Grundlagen Leistung Leistung = Arbeit / Zeit SI-Einheit: W (Watt)
Einheit in der Energieversorgung: kW (Kilowatt) MW (Megawatt) Formel:

37 Grundlagen Rechenbeispiel 1:
Wie viel Kubikmeter Wasser müssen in einem Pumpspeicherkraftwerk pro Stunde in das 300 Meter höher gelegene Speicherbecken gepumpt werden, damit eine potentielle Energie von 1,2 Terajoule (TJ) zur Stromerzeugung zur Verfügung steht?

38 Grundlagen Rechenbeispiel 1:
Wie viel Kubikmeter Wasser müssen in einem Pumpspeicherkraftwerk pro Stunde in das 300 Meter höher gelegene Speicherbecken gepumpt werden, damit eine potentielle Energie von 1,2 Terajoule (TJ) zur Stromerzeugung zur Verfügung steht?

39 Grundlagen Rechenbeispiel 1:
Wie viel Kubikmeter Wasser müssen in einem Pumpspeicherkraftwerk pro Stunde in das 300 Meter höher gelegene Speicherbecken gepumpt werden, damit eine potentielle Energie von 1,2 Terajoule (TJ) zur Stromerzeugung zur Verfügung steht?

40 Grundlagen Rechenbeispiel 1:
Wie viel Kubikmeter Wasser müssen in einem Pumpspeicherkraftwerk pro Stunde in das 300 Meter höher gelegene Speicherbecken gepumpt werden, damit eine potentielle Energie von 1,2 Terajoule (TJ) zur Stromerzeugung zur Verfügung steht?

41 Grundlagen Rechenbeispiel 1:
Wie viel Kubikmeter Wasser müssen in einem Pumpspeicherkraftwerk pro Stunde in das 300 Meter höher gelegene Speicherbecken gepumpt werden, damit eine potentielle Energie von 1,2 Terajoule (TJ) zur Stromerzeugung zur Verfügung steht?

42 Gleichdruck-Turbinen
Turbinenarten Wasser-Turbinen Gleichdruck-Turbinen Pelton- Turbinen Durchström-Turbinen Überdruck-Turbinen Francis-Turbinen Kaplan- Turbinen

43 Francis-Turbine Typ: Überdruckturbine Fallhöhe: 50 – 800 m
Volumenstrom: groß Wirkungsgrad: bis zu 90% Besonderheit: kann als Pumpturbine eingesetzt werden

44 Pelton-Turbine Typ: Gleichdruckturbine Fallhöhe: 200-2000 m
Volumenstrom: klein Wirkungsgrad: über 90% Besonderheit: wandelt nur kinetische Energie um (v bis zu 200 m/s)

45 Anwendungsbeispiele & bauliche Besonderheiten

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47 Maschinensatz Goldisthal
Generator/Motor z.B. Wartungsarbeiter Pumpturbine Wasser zum/vom Oberbecken Wasser zum/vom Unterbecken

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49 PSW Geesthacht

50 Umwelt Der Betriebsstoff Wasser ist klimaneutral
In Stauseen können sich Treibhausgase (Methan, Kohlendioxid) bilden Jeder Bau/Betrieb von Wasserkraftanlagen ist ein Eingriff ins Ökosystem Durch den ständigen Wechsel der Wasserlagen wird die Flora und Fauna gestört bzw. zerstört. Fischsterben durch Turbinierung

51 Umwelt Der Klimaschutz wird auf europäischer Ebene unterlaufen
Kernaussagen der Studie „Pumpspeicherung, CO2 und Wirtschaftlichkeit“ der WWF Schweiz: Der Klimaschutz wird auf europäischer Ebene unterlaufen Kohle, Öl und Gas verschwendet, statt effizient eingesetzt der Verbrauch von nichterneuerbarer Energie erhöht der Bedarf für neue Hochspannungsleitungen steigen Der ohnehin schlechte Wirkungsgrad thermischer Kraftwerke, von 33-40%, wird in Kombination mit Pumpspeicherung auf 23-32% gesenkt

52 Wirtschaftlichkeit und Rentabilität
„Zur Zeit gleicht die Pumpspeicherung aus ökonomischer Sicht dem bekannten Goldesel, der Gebrüder Grimm.“

53 Wirtschaftlichkeit und Rentabilität
Rechenbeispiel 2: Gewinn ohne Berücksichtigung von Investitions- und Betriebs- und sonstigen Kosten Der indirekte wirtschaftliche Nutzen im Verbundnetz kann so hoch bewertet werden, das die Rentabilität doch gewährleistet wird auch wenn das Pumpspeicherkraftwerk negative Zahlen schreibt Die thermischen Kraftwerke können optimaler Ausgenutzt werden Nutzung von Blindleistung Phasenverschiebung

54 Zukunft PSW sind ein wichtiger Bestandteil beim Ausbaues der erneuerbaren Energien, da diese nicht kontinuierlich Strom in das Verbundnetz einspeisen können Das PSW ist die einzige weltweit großtechnisch einsetzbare Stromspeichertechnologie

55 Alternativen Meerwasserpumpspeicherkraftwerke
Meerwasserpumpspeicherkraftwerke Pumpspeicherkraftwerke mit unterirdischen Unterbecken Luftspeicherkraftwerke (Gleitdruckspeicher)

56 Elektroenergiespeicherung
Direkte Speicherung magnetisch SMES elektrisch Kondensatoren Indirekte Speicherung mechanisch Pumpspeicher- kraftwerk Druckluftspeicher-kraftwerk Schwungräder chemisch Batteriesystem Brennstoffzellen- system

57 Fragen?

58 Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!

59 Quellen Literatur: Haas, Hans; Strobl, Theodor: Wasserkraft; VDI, 1998
Giesecke, Jürgen; Mosonyi, Emil: Wasserkraftanlagen - Planung, Bau und Betrieb; 5. Auflage, Springer, 2009 Strauß, Karl: Kraftwerkstechnik zur Nutzung fossiler, nuklearer und regenerativer Energiequellen; 5. Auflage, Springer, 2006 von König, Felix; Jehle, Christoph: Bau von Wasserkraftanlagen; 3. Auflage, Müller, 1997 Ignatowitz, Eckhard: Technische Mathematik für Chemieberufe; 3. Auflage, Europa Lehrmittel, 2001 Ignatowitz, Eckhard: Lösungsbuch - Technische Mathematik für Chemieberufe; 3. Auflage, Europa Lehrmittel, 2002

60 Quellen Internet: Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig – Fließbild Geesthacht Fohrer, N.: Wasserkraft –Seminar: Wasserwirtschaft und Meliorationswesen; Lehrstuhl für Wasserwirtschaft der Universität Kiel, 2002 – Animation PSW – Informationsbroschüren zu PSW Geesthacht, PSW Goldisthal –Informationsbroschüre Maschinensatz PSW Goldisthal Umweltbundesamt – Karte Kraftwerke- Verbundnetze in Deutschland – Studie: Pumpspeicherung, CO2 und Wirtschaftlichkeit Meerwasserpumpspeicherkraftwerk Wasserkraft PDF Pumpspeicherkraftwerk unter Tage Luftspeicherkraftwerk Verbundnetz Wirkungsgrad Pumpspeicherkraftwerk Pumpspeicherkraftwerk Interaktiv