Pumpspeicherkraftwerke

Präsentation zum Thema: "Pumpspeicherkraftwerke"—  Präsentation transkript:

1 Pumpspeicherkraftwerke

2 Aufbau der Präsentation
Was sind Pumpspeicherkraftwerke? Funktionsweise Erläuterung des Motor-Generator-Prinzips und der Francis-Turbine Umwandlungsprozesse Ökonomie Beispiel Geesthacht Vor- und Nachteile Bedeutung in der Zukunft

3 Was sind Pumpspeicherkraftwerke?
Ein Pumpspeicherkraftwerk ist ein Speicherkraftwerk, dass der Speicherung von elektrischer Energie dient. Es ist also im eigentlichen Sinne kein Kraftwerk, da es kein Strom produziert. Während des gesamten Speichervorgangs wird die Energie mehrmals umgewandelt um letztendlich bei Bedarf wieder in Form von Strom in das Netz eingespeist zu werden.

4 Funktionsweise von Pumpspeicherkraftwerken
Strom wird dem Netz entnommen, wenn ein Energieüberschuss besteht, was in der Regel nachts der Fall ist. Mit dem entnommenen Strom wird die Pumpe betrieben, die das Wasser in das obere Speicherbecken pumpt. Wenn die in Form von Wasser gespeicherte Energie benötigt wird, wird der Absperrschieber geöffnet, sodass das Wasser hinunter fließt und so die Turbine betreibt. Die kinetische Energie der Turbine wird durch den Generator wieder in Strom umgewandelt und in das Netz eingespeist.

5 Maschine eines Pumpspeicherkraftwerks
Turbine, Motor-Generator und Pumpe sind auf einer Welle montiert und bilden eine Enheit. Bei Strombedarf arbeitet der Motor-Generator als Generator und liefert durch die Turbine angetrieben elektrischen Strom. Bei Stromüberschuss arbeitet der Motor-Generator als Motor und betreibt die Pumpe, die das Wasser ins Oberbecken befördert.

6 Francis – Turbine http://www.youtube.com/watch?v=XCfqlt7E98A
Der Wirkungsgrad beträgt etwa 90 % Da das Wasser vor dem Eintritt in die Turbine unter höherem Druck steht als nach dem Austritt spricht man auch von einer Überdruckturbine. Sehr weit verbreitet und universell einsetzbar, da sie sowohl als Turbine als auch als Pumpe eingesetzt werden kann. Aus diesem Grund wird die Francis – Pumpe auch sehr häufig in Pumpspeicherkraftwerken eingesetzt. Wasser wird durch ein feststehendes Leitrad auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrades gelenkt.

7 Energieumwandlungsprozesse im Überblick
1.Elektrische Energie wird durch die Pumpe, die das Wasser in das obere Becken befördert, in kinetische Energie umgewandelt. 2.Durch das Speichern des Wassers wird aus der kinetischen Energie potentielle Energie. 3.Beim Öffnen des Absperrventils wird die potentielle Energie wieder in kinetische Energie umgewandelt 4.Die Turbine nimmt die kinetisch Energie auf und wandelt sie wieder in elektrische Energie um damit sie wieder in das Netz eingespeist werden kann.

8 Potenzielle Energie Durch das Hochpumpen des Wassers wird die Energie in Form von potentieller Energie gespeichert. Diese lässt sich wie folgt berechnen: Wpot= Potentielle Energie F= Kraft in Newton g= Erdanziehung m= Masse in kg h= Höhe in Metern Wpot= F*h  F= m*g Daraus folgt durch das Einsetzen von F folgende Formel: Wpot= m*g*h

9 Kinetische Energie Durch das Herablassen des Wassers wird die im oberen Becken gespeicherte potentielle Energie in kinetische Energie (Bewegungsenergie) umgewandelt.Diese lässt sich wie folgt berechnen: Wkin= Kinetische Energie v= Geschwindigkeit t= Zeit in Sekunden g= Erdanziehung m= Masse in kg Wkin= 0,5*m*(g*t)²  v= g*t Daraus folgt durch Einsetzen von v: Wkin= 0,5*m*v² Die potentielle Energie kann im Optimalfall komplett in kinetische Energie umgewandelt werden, dass heißt also kinetische Energie = potentieller Energie. Da die Turbine die kinetische Energie jedoch nicht komplett in elektrische Energie umwandeln kann kommt es zu Verlusten.

10 Ökonomie Der gespeicherte Strom wird in Spitzenzeiten des Stromverbrauchs verkauft um das Netz nicht kollabieren zu lassen, dem entsprechend teuer ist er auch Zur Zeit kann kein anderes Speicherverfahren mit dem Pumpspeicherkraftwerk konkurrieren Andere Kraftwerksarten haben deutlich höhere Hoch bzw. Herunterfahrzeiten, daher sind sie nicht sonderlich effizient. Gleichzeitig gibt es im Tages- und Wochenverlauf einen stark schwankenden Stromverbrauch (Spitzenlasten), weshalb Pumpspeicherkraftwerke wirtschaftlich sinnvoll sind. Wirtschaftlich rentabel ist dieses Verfahren vor allen Dingen durch die so genannte Veredelung des Stroms. Dabei wird Überschussstrom, der meist in der Nacht produziert wird, billig eingekauft um damit die Pumpen zu betreiben und das Wasser hoch zu pumpen. In den Spitzenlastzeiten wird die potentielle Energie wieder in Strom umgewandelt, der dann deutlich teurer wieder verkauft werden kann. So lässt sich trotz eines Wirkungsgrades von ca. 75% Gewinn erzielen. Sichert wirtschaftliche Risiken der thermischen Kraftwerke ab, da praktisch überflüssiger (Überschussstrom) Strom auch nachts ins Netz eingespeist werden kann

11 Die Grafik zeigt, wann Strom im Verlauf eines Tages erzeugt bzw
Die Grafik zeigt, wann Strom im Verlauf eines Tages erzeugt bzw. verbraucht wird.

12 Grafik zu den Spitzenlasten

13 Pumpspeicherkraftwerk Geesthacht als Beispiel
Das Pumpspeicherkraftwerk in Geesthacht ist das größte in Norddeutschland. Es ist im Jahre 1958 in Betrieb genommen und dient der Spitzenlastabdeckung. Das Oberbecken umfasst eine Fläche von 500*600 Metern und einen Flächeninhalt von Kubikmetern von denen effektiv nutzbar sind. Die drei Pumpen haben insgesamt eine Leistung von etwa 120 Mega-Watt. Die Elbe dient dem Pumpspeicherkraftwerk als Unterbecken. Das Oberbecken kann einen Energieinhalt von ca. 600 MWh speichern, was dem Verbrauch von 198 Zwei-Personenhaushalten pro Jahr entspricht. Jedoch wird das Pumpspeicherwerk seit 2001 selten genutzt, da eine eingeführte Oberflächenwassnutzungssteuer den Betrieb unrentabel macht. Volle Leistung erreicht das Kraftwerk bereits nach 70 Sekunden und kann diese über einen Zeitraum von 5 Stunden abgeben. Damit ist das Kraftwerk für die stabile Stromversorgung Hamburgs wichtig.An das Pumpspeicherkraftwerk sind noch jeweils ein Wind- bzw. Solarkraftwerk angeschlossen um die Pumpen unterstützend mit Strom zu versorgen. Das Kraftwerk wird mit Francis-Turbinen betrieben.

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15 Vorteile von Pumpspeicherkraftwerken
Sehr flexibel, da die volle Leistung innerhalb von Minuten abgerufen werden kann Für den Teillastbetrieb geeignet, da nicht viel Zeit zum Hoch- bzw. Herunterfahren benötigt wird im Gegensatz zu anderen Kraftwerksarten wie zB. Den Laufwasserkraftwerken. Es wird keine elektrische Energie zum Hochfahren benötigt (schwarzstartfähig), wie bei vielen anderen Kraftwerken, die wiederum durch das Pumpspeicherkraftwerk fremdgestartet werden können. Energiegewinnung zu 100% aus einem regenerativen Energieträger (Wasser) Kann über mehrere Stunden volle Leistung abgeben und ist daher eins der besten Speicherverfahren Kann Schwankungen ausgleichen, denen beispielsweise die Stromproduktion aus Wind- und Sonnenenergie unterliegen und dadurch wirtschaftliche Risiken mindern

16 Nachteile von Pumpspeicherkraftwerken
Verbrauchen mehr Strom als sie produzieren (Wirkungsgrad beträgt zwischen 75 und 85%), daher in dem Sinn kein Kraftwerk sondern ein Energiespeicher Überschussstrom wird benötigt, damit sich trotz des Wirkungsgrades Gewinn erzielen lässt. Überschussstrom wird vorwiegend aus Atom- oder Kohlekraftwerken bezogen, welche die Umwelt in erheblichem Maße schädigen. Oft sind extreme Eingriffe in die Natur notwendig um genügend Platz für die Anlage und die Wasserauffangbecken zu schaffen Stark begrenztes Einsatzgebiet, da ein Gefälle benötigt wird Bietet die Möglichkeit des „Grün-waschens“ von Atomstrom

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18 Zukunft der Pumpenspeicherkraftwerke
Auch in Zukunft wird das Speichern von Energie eine große Rolle spielen. Da gerade die Wind- und Solarenergie im Laufe des Tages starken Schwankungen unterliegt ist es hier notwendig die Energie zwischenzuspeichern um Stabilität des Netzes zu gewährleisten. Pumpspeicherkraftwerke weisen bislang den höchsten Wirkungsgrad auf, weshalb sie auch in Zukunft eine Rolle spielen werden, so lange keine bessere Alternative zur Speicherung gefunden wird. In Zukunft sind Projekte wie z.B. NorGer geplant, bei dem Überschussstrom aus Deutschland wegen den größeren Kapazitäten nach Norwegen geliefert wird um dort zwischengespeichert zu werden und bei Bedarf wieder nach Deutschland importiert zu werden. Ähnliche Projekte sind innerhalb Deutschlands geplant. Dabei soll Solar- und Windenergie aus dem Norden in den aufgrund der besseren geographischen Vorraussetzungen geeigneteren Süden gespeichert werden.