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

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Präsentation zum Thema: "Pumpspeicherkraftwerk (PSW) Lerngebiet: Energieressourcen schonen Erstellt von:Julian H."—  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.

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

6 Wo und warum?

7 Standortwahl von PSW Kriterien: Versorgungszentrum Geographischen und topographische Gegebenheiten o Natürliche Zuflüssen, Seen, Flüsse o Kurze Entfernung zwischen Oberbecken und Unterbecken bei großen Höhenunterschied

8 Geesthacht Goldisthal

9 Energieverbund

10 Netzbelastungskurve

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

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

13 Aufbau und Funktionsweise

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

15 Funktionsweise Externer Link:

16 Funktionsweise

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

18 Turbinenbetrieb

19

20 Funktionsweise

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

22 Pumpbetrieb

23

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

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

29 Wirkungsgrad

30

31 Physikalische Grundlagen

32 Grundlagen Energie: Energie = gespeicherte Arbeit SI-Einheit: J (Joule) Einheit in der Energieversorgung: kWh (Kilowattstunde) Umrechnungsfaktor: 1/3,6 · 10 6 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 W pot ist so groß, wie die an der Last verrichtete Hubarbeit: Hubarbeit:

35 Grundlagen Kinetische Energie (Bewegungsenergie): Die kinetische Energie W kin 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 Turbinenarten Wasser-Turbinen Gleichdruck- Turbinen Pelton- Turbinen Durchström- Turbinen Überdruck- Turbinen Francis-TurbinenKaplan- 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: m Volumenstrom: klein Wirkungsgrad:über 90% Besonderheit:wandelt nur kinetische Energie um (v bis zu 200 m/s)

45 Anwendungsbeispiele & bauliche Besonderheiten

46

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

48

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 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 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 Gewinn ohne Berücksichtigung von Investitions- und Betriebs- und sonstigen Kosten Rechenbeispiel 2:

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 1.Meerwasserpumpspeicherkraftwerke 2.Pumpspeicherkraftwerke mit unterirdischen Unterbecken 3.Luftspeicherkraftwerke (Gleitdruckspeicher)

56 Elektroenergiespeicherung Elektroenergie- speicherung Direkte Speicherung magnetischSMESelektrischKondensatoren 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, – 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


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