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Ein Pumpspeicherkraftwerk (kurz "Pumpspeicherwerk" (PSW) genannt) ist eine besondere Form eines Speicherkraftwerkes und dient der Speicherung von elektrischer Energie mittels Wasser.

Funktionsweise

Speicherung

Zu Zeiten, in denen ein "Überschuss" an elektrischer Energie vorhanden ist (in der Regel nachts), wird Wasser durch Rohrleitungen in ein hochgelegenes Speicherbecken (Oberbecken) gepumpt. Dieser See ist entweder natürlichen Ursprungs oder entsteht durch Aufstauen durch eine Staumauer oder einen Staudamm. Es gibt Oberbecken, die ausschließlich durch Pumpen gefüllt werden und solche, die auch durch natürlichen Zufluss gespeist werden.

Die Höhe der Speicherkapazität ist grundsätzlich abhängig von der speicherbaren Wassermenge und dem nutzbaren Höhenunterschied zwischen Oberbecken und der Turbine. Auch verrohrte Strecken unterhalb der Turbine bis zum Auslauf sind für die Turbine nutzbar. Bei reinen Pumpspeicherwerken ist die Speicherkapazität meist so ausgelegt, dass die Generatoren ca. 4 bis 8 Stunden unter Volllast Strom produzieren können.

Energieumwandlung

Kennzeichen eines Pumpspeicherkraftwerkes ist der reversible Anlagenbetrieb. Eine Turbine, ein Motor-Generator und eine Pumpe sind auf einer Welle montiert und bilden eine Einheit, die zwei Betriebsarten hat: bei Strombedarf arbeitet der Motor-Generator als Generator und liefert, von der Turbine angetrieben, elektrischen Strom. Das Wasser fließt dabei vom Ober- ins Unterbecken und liefert die Antriebsleistung. Bei Überschuss an elektrischer Leistung im Stromnetz arbeitet der Motorgenerator als Elektromotor und treibt die Pumpe an, welche das Wasser wieder in das Oberbecken pumpt.

Neben dieser klassischen Bauweise werden heute auch Pumpturbinenkraftwerke gebaut. Sie sind anstelle der Turbine und der Pumpe mit sogenannten Pumpturbinen ausgerüstet. Bei der Pumpturbine handelt es sich um eine Strömungsmaschine, die in beiden Richtungen durchströmt werden kann und je nach Drehrichtung als Pumpe oder Turbine arbeitet.

Energiewirtschaftliche Bedeutung

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Tagesgang eines Pumpspeicherkraftwerkes. Grün bedeutet Leistungsaufnahme aus dem Netz durch Pumpen; Rot Leistungsabgabe ins Netz durch die Turbine

Die Fähigkeit der Pumpspeicherkraftwerke, Energie aufzunehmen als auch abzugeben wird zur Regelung des Stromnetzes genutzt. In Deutschland ist eine Pumpspeicherleistung von 4215 MW installiert, die bei einer Jahreslaufzeit von 1070h eine Stromerzeugung von 6,1 TWh als sogenannte "Regelenergie" liefert.

Die Leistung steht bei Bedarf innerhalb von Minuten zur Verfügung und kann in einem weiten Bereich flexibel geregelt werden. Dies ist ein Vorteil gegenüber konventionellen thermischen Kraftwerken, deren Leistung sich nur im Bereich von mehreren Stunden anpassen lässt. Diese Regelenergie wird sowohl zum Abfangen von Bedarfsspitzen als auch zum Abfangen plötzlicher Verbrauchseinbrüche eingesetzt.

Starklastzeiten, die von Pumpspeicherkraftwerken bedient werden, sind insbesondere mittags, bei bestimmten medialen Ereignissen wie Fußballspielen oder bei Unwettern, die mit plötzlicher Kälte oder Dunkelheit verbunden sind.

Dank ihrer so genannten "Schwarzstartfähigkeit" können Pumpspeicherkraftwerke bei totalen Stromausfällen zum Anfahren anderer Kraftwerke eingesetzt werden.

In kleinem Maßstab wurden Pumpspeicherkraftwerke erstmals in den 1920ern realisiert. Einer der deutschen Ingenieure, die die Technik für groß dimensionierte Pumpspeicherkraftwerke als weltweite Pionierleistung entwickelt haben, war Arthur Koepchen. Nach ihm wurde das 1930 in Betrieb genommene PSW Koepchenwerk der RWE AG in Herdecke an der Ruhr benannt.

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Oberer Speichersee und Entnahmebauwerk des Koepchenwerkes

Ökonomie

Bei niedrigem allgemeinem Energiebedarf und folglich billigen Strompreisen fungiert der Generator als stromverbrauchender Motor und pumpt Wasser hoch. Mit diesem Wasser wird in Spitzenzeiten des Stromverbrauchs Strom produziert, der teuer verkauft wird. Insofern nutzen Pumpspeicherkraftwerke im Wesentlichen den Preisunterschied zwischen Grund- und Spitzenstrom aus und betreiben eine so genannte Stromveredelung.

Thermische Kraftwerke wie Kernkraftwerke, Kohlekraftwerke und Laufwasserkraftwerke liefern möglichst konstante Leistung und können nur innerhalb von Stunden oder Tagen hoch- und herunter gefahren werden. Dadurch und bei Teillastbetrieb wären sie sehr viel uneffektiver. Gleichzeitig gibt es im Tages- und Wochenverlauf einen stark schwankenden Stromverbrauch. Daher ist der Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken wirtschaftlich sinnvoll. Sie bieten eine Möglichkeit, den z.B. nachts oder zu absatzschwachen Tageszeiten ins Netz eingespeisten Strom, der zu vergleichsweise günstigen Preisen verfügbar ist, zeitlich versetzt in deutlich teurer absetzbaren Strom für Bedarfsspitzen umzuwandeln. In der Regel erreicht der Verkaufspreis bei diesem Geschäft ein Vielfaches des Einkaufspreises.

Pumpspeicherkraftwerke nehmen in der Regel täglich eine gleich bleibende Strommenge für den Pumpbetrieb ab. Ihre Existenz sichert dadurch auch einen Teil der wirtschaftlichen Risiken thermischer Kraftwerke ab, die so auch nachts praktisch nicht benötigten Strom ins Netz einspeisen können.

Auch durch den weiteren Anstieg der Stromproduktion aus Windenergie wird mit einer steigenden Bedeutung von Pumpspeicherkraftwerken gerechnet, da Windenergie zumeist starken zeitlichen Schwankungen unterliegt und deshalb Speichermöglichkeiten benötigt.

Ökologie

Grundsätzlich wird in jedem Pumpspeicherkraftwerk mehr Energie zum Hochpumpen benötigt als beim Herunterfließen wieder zurückgewonnen werden kann. Weil somit bei Pumpspeicherkraftwerken elektrische Energie verloren geht, sind sie ökologisch umstritten, zumal der Bau von Pumpspeicherkraftwerken einen teilweise erheblichen Eingriff in Natur und Landschaft darstellt. Sie sind jedoch zur Zeit das großtechnische Verfahren mit dem höchsten Wirkungsgrad, Elektrische Energie bei Schwankungen der Nachfrage und des Angebotes zwischenzuspeichern. Bei modernen Werken werden immerhin fast 80 % der zugeführten Elektroenergie wieder zurückgewonnen. Hinzu kommen noch geringe Leitungsverluste für Hin- und Rücktransport der elektrischen Energie.

Das Hoch- und Herunterfahren konventioneller Kraftwerke würde wesentlich größere Verluste als diejenigen der Pumpspeicherwerke verursachen.

Alternativen

Neben Pumpspeicherkraftwerken, die Wasser verwenden, gibt es auch Druckluftspeicherkraftwerke, die mit Druckluft arbeiten. Diese haben jedoch einen insbesondere bei großem Druckunterschied schlechteren Wirkungsgrad (siehe Carnot-Kreisprozess).

Mit Wasser arbeitende Speicherkraftwerke arbeiten wie Wasserkraftwerke, verfügen jedoch über ein ausreichend großes Oberbecken und technische Vorrichtungen, um auch bedarfsgerecht kurzfristig Strom bereitstellen zu können.

Eine Alternative zu Speicherkraftwerken sind Spitzenlastkraftwerke und auch dezentrale Blockheizkraftwerke, die höheren Strombedarf kurzfristig effektiver als Grundlastkraftwerke abdecken können, wodurch der Grundlastanteil gesenkt werden kann. Diese Kraftwerke arbeiten jedoch mit gegenüber Braun- und Steinkohle bzw. Kernenergie teuren Primärenergieträgern wie Gas oder Öl. Andererseits kann aufgrund ihrer dezentralen Aufstellung die Abwärme zu Heizzwecken genutzt werden, was bei Kohlekraftwerken nur selten und bei Kernkraftwerken nicht üblich ist, da die erforderlichen Fernwärmenetze zu große Entfernungen überbrücken müssten bzw. Sicherheitsrisiken darstellten.

Die Speicherung von Elektroenergie ist auch direkt mit Doppelschichtkondensatoren oder chemisch mit Akkumulatoren oder durch Wasserzerlegung (Elektrolyse) möglich.
Die Speicherung mit Doppelschichtkondensatoren hat zwar einen höheren Wirkungsgrad, erfordert jedoch einen unvergleichlich höheren Anlagenaufwand, sie wird daher nur vereinzelt in Gleichstrom-Oberleitungsnetzen von Stadtbahnen zur Pufferung eingesetzt, um eine Rückspeisung von Bremsenergie zu ermöglichen.
Akkumulatoren böten ähnliche Wirkungsgrade wie Pumpspeicherwerke, erforderten jedoch ebenfalls einen weit höheren Anlagenaufwand, daher werden sie nur in Fotovoltaik-Anlagen im Inselbetrieb eingesetzt.
Die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser mittels Überschuss-Strom wird im Zusammenhang mit Windkraftanlagen diskutiert. Die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff als chemischer Energieträger ist zwar mit hohem Wirkungsgrad möglich, nicht jedoch die Rückumwandlung in elektrischen Strom - in Frage kommende Brennstoffzellen arbeiten noch zu uneffektiv und sind technisch noch nicht ausgereift.

Es ist hier zu erwähnen, dass Fotovoltaik-Anlagen und Windkraftanlagen in der Lage sind, zur Vermeidung von Überproduktion ihre elektrische Leistung kurzfristig herunterzufahren, ohne dass fossile Primärenergieträger verschwendet werden. Dies wirkt sich jedoch negativ auf deren Amortisationsdauer aus, da sich der sogenannte Erntefaktor verringert.

Liste von Pumpspeicherkraftwerken

Die Kraftwerke sind in der Reihenfolge ihrer MW-Leistung sortiert. Die jeweilige Bauzeit oder Inbetriebnahme ist an den Jahreszahlen abzulesen.

Deutschland

In einzelnen Aufstellungen (Wasserwirtschaft, Water Power) findet man zusätzlich folgende Anlagen. Es ist allerdings zweifelhaft, ob es sich dabei tatsächlich um Pumpspeicherwerke handelt. Evtl. sind es nur Wasserkraftwerke.

• Höllbach 3 1,5 MW
• Eibele, 0,65 MW (Bayern) 1958, 1971 erweitert

Österreich

Schweiz

• Altendorf SZ - Sihlsee
• Linthal GL - Linth-Limmern
• Ferrera GR - Valle di Lei
• Guttannen BE/Grimsel 2 - Grimselsee
• Mapragg SG - Stausee Mapragg
• Robiei TI - Lago Robiei
• Veytaux Hongrin VS - Lac de l'Hongrin

Luxemburg

• Pumpspeicherwerk Vianden in Vianden, 1100 MW, 1964 - Weblink

Meerwasser-Pumpspeicherkraftanlagen

• in Japan: Kunigami Village, Okinawa - Weblink 1 und Weblink 2 (pdf)
• auf Hawaii: Koko Crater, Oahu - Weblink

Weblinks

• eLexikon: Pumpspeicherkraftwerke
• Bedeutung von PSKW für die Sicherheit der Stromversorgung, auch als PDF (35 kB)
• Die Rolle der Pumpspeicherwerke für die Energiezukunft Europas
• Welche Bedeutung hat die Wasserkraft für Deutschland? (PDF, 54 kB)
• Bilder von Pumpspeicherkraftwerken: Österreich und Deutschland, Großbritannien, Polen, andere Staaten Europas, Japan, USA, China, Südkorea, Südafrika
• www.sueddeutsche.de - Wasserkraft contra Umwelt?
• www.3sat.de - Fischsterben durch Wasserkraft

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