Speicherpumpe

Das Koepchenwerk in Herdecke

Ein Pumpspeicherkraftwerk (auch Pumpspeicherwerk (PSW) genannt) ist eine besondere Form eines Speicherkraftwerkes und dient der Speicherung von elektrischer Energie durch Umwandlung in potentielle Energie von Wasser.

Funktionsweise

Rohrleitungen des Pumpspeicherkraftwerks Wendefurth an der Talsperre Wendefurth im Harz

Speicherung

Zu Zeiten, in denen ein "Überschuss" an elektrischer Energie vorhanden ist (in der Regel nachts), wird Wasser über Pumpen 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 Wasserpumpen 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, die anstelle der Turbine und der Pumpe mit so genannten Pumpturbinen ausgerüstet sind. 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

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 etwa 7 GW installiert, die bei einer Jahreslaufzeit von 1070 h eine Stromerzeugung von 7,5 TWh als so genannte "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.

Ökonomie

Bei niedrigem allgemeinen Energiebedarf und folglich niedrigen Strompreisen fungiert der Generator als stromverbrauchender Motor und pumpt Wasser in das Oberbecken. Mit diesem Wasser wird in Spitzenzeiten des Stromverbrauchs Strom produziert, der notwendig ist, um die Stromversorgung nicht kollabieren zu lassen und entsprechend teuer verkauft wird. Wenige Minuten nach der Anforderung von der Verteilerzentrale kann so ein Speicherkraftwerk stundenlang volle Leistung abgeben. Wie man der Tabelle entnehmen kann, kann kein anderes Speicherverfahren auch nur annähernd mit den Leistungsdaten eines Pumpspeicherkraftwerks konkurrieren.

Laufwasserkraftwerke und thermische Kraftwerke wie Kernkraftwerke oder Kohlekraftwerke liefern möglichst konstante Leistung und können nur innerhalb von Stunden oder Tagen hoch- und heruntergefahren werden. Dadurch und bei Teillastbetrieb sind sie nicht besonders effizient. 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. Es war von Anfang an klar, dass dieses System technisch funktioniert, aber der ökonomische Nutzen wurde erst durch die Inbetriebnahme des Koepchenwerkes nachgewiesen.

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 sehr unregelmäßigen Stromproduktion aus Windenergie wird mit einer steigenden Bedeutung von Pumpspeicherkraftwerken gerechnet, da Windenergie zumeist starken zeitlichen Schwankungen unterliegt und deshalb Speichermöglichkeiten benötigt. Problematisch ist, dass zwischen den optimalen Gebieten der Windkraftwerke an der Küste und den Standorten möglicher Pumpspeicherwerke in den Mittelgebirgen einige 100 km liegen, die zurzeit nicht durch leistungsstarke Fernleitungstrassen überbrückt sind.

Wirkungsgrad

Speichersee in Rönkhausen

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 zurzeit das großtechnische Verfahren mit dem höchsten Wirkungsgrad, elektrische Energie bei Schwankungen der Nachfrage und des Angebotes zwischenzuspeichern. Bei modernen Werken werden zwischen 75 % und 80 % der zugeführten elektrischen Energie wieder zurückgewonnen.^[1] 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 deutlich schlechteren Wirkungsgrad von nur 42 % (siehe Carnot-Kreisprozess).

Eine Alternative zu Speicherkraftwerken sind Spitzenlastkraftwerke, die aber sehr unwirtschaftlich arbeiten, weil sie nur kurzzeitig laufen und trotzdem ständig betriebsbereit gehalten werden müssen. Dezentrale Blockheizkraftwerke sind nur bedingt eine Alternative, da die Wärme nur für kurze Zeit zwischengespeichert werden kann.

Die Speicherung von – volkswirtschaftlich gesehen – sehr geringen Mengen Elektroenergie ist auch direkt mit Doppelschichtkondensatoren oder chemisch mit Akkumulatoren möglich. Die Speicherung mit Doppelschichtkondensatoren hat zwar einen höheren Wirkungsgrad, erfordert jedoch einen unvergleichlich höheren Anlagenaufwand (Wechselrichter), 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 Photovoltaikanlagen im Inselbetrieb eingesetzt.

Aus der Tabelle ist aber klar erkennbar, dass diese Techniken bei weitem nicht mit den Pumpspeicherkraftwerken bei Aufgaben der allgemeinen Stromversorgung konkurrieren können. Insbesondere sind die Erwartungen in die Energiespeicherung in Wasserstofftanks meist sehr übertrieben, denn die Berechnung ergibt eine Speichereffizienz von weniger als 20 %.

Eine weitere Alternative stellt ein Hubspeicherkraftwerk dar. Hubspeicherkraftwerke verwenden Masseträger, die mit Hilfe von elektrischer Energie angehoben werden. Die Energie dieser Masse wird durch deren Absenken über die Schwerkraft mittels Generatoren wieder in Strom umgewandelt.

Liste von Pumpspeicherkraftwerken

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

Deutschland

Rang	Name	Bundesland	Leistung in MW	Bauzeit, Inbetriebnahme
1	Pumpspeicherwerk Goldisthal	Thüringen	1.060,0	2003
2	Pumpspeicherwerk Markersbach	Sachsen	1.050,0	1970–1981 / 1979
3	Schluchseewerk: Hornbergstufe bei Wehr	Baden-Württemberg	980,0	1975
4	Pumpspeicherwerk Waldeck II	Hessen	460,0	ca. 1973
5	Schluchseewerk: Unterstufe Säckingen	Baden-Württemberg	370,0	1967
6	Pumpspeicherwerk Hohenwarte II	Thüringen	320,0	1956/1963, 1966 in Betrieb
7	Pumpspeicherwerk Erzhausen an der Leine	Niedersachsen	220,0	1964
8	Schluchseewerk: Mittelstufe Witznau	Baden-Württemberg	220,0	1943
9	Pumpspeicherkraftwerk Happurg bei Nürnberg	Bayern	160,0	1956–1958
10	Schluchseewerk: Unterstufe Waldshut	Baden-Württemberg	160,0	1951
11	Pumpspeicherkraftwerk Langenprozelten bei Gemünden am Main (Franken)	Bayern	160,0	1976
12	Koepchenwerk (neu) in Herdecke	Nordrhein-Westfalen	153,0	1989
13	Pumpspeicherwerk Waldeck I	Hessen	140,0	1933
14	Pumpspeicherwerk Rönkhausen in Finnentrop	Nordrhein-Westfalen	140,0	1969
15	Koepchenwerk (alt) in Herdecke	Nordrhein-Westfalen	132,0	1930 (1989 durch Neubau ersetzt)
16	Kraftwerksgruppe Jansen an der Pfreimd mit Pumpspeicherwerk Tanzmühle 25,2 MW Pumpspeicherwerk Reisach-Rabenleite 98,3 MW und Ausgleichswerk Trausnitz	Bayern	135,0	1951–1961
17	Pumpspeicherwerk Niederwartha in Dresden	Sachsen	120,0	1930
18	Pumpspeicherwerk Geesthacht	Schleswig-Holstein	120,0	1958
19	Schluchseewerk: Häusern	Baden-Württemberg	90,0	1931
20	Pumpspeicherwerk Glems in Metzingen-Glems	Baden-Württemberg	90,0	1964–1969
21	Pumpspeicherwerk Bleiloch	Thüringen	80,0	1926–1932
22	Pumpspeicherwerk Wendefurth (Harz)	Sachsen-Anhalt	80,0	1967
23	Pumpspeicherwerk Hohenwarte I	Thüringen	62,8	1936–1942 / 1959
24	Leitzachwerk I (neu)	Bayern	49,0	1983 (zuvor "I alt" 24 MW ab 1929)
25	Leitzachwerk II	Bayern	44,0	1960
26	Schwarzenbach-Kraftwerk in Forbach	Baden-Württemberg	44,0	1926
27	Ruselkraftwerke (Pumpspeicherwerke Oberberg I und II) in Deggendorf	Bayern	39 davon 25 thermisch	1957/1986
28	Dhronkraftwerk Leiwen	Rheinland-Pfalz	6,18 oder 8,1	1956 (Pumpe 1995 demontiert)
29	Odertalsperre	Niedersachsen	5,04 oder 6,2	(seit 1986 als Speicherkraftwerk mit einer Turbine) 1934
30	Pumpspeicherkraftwerk Oberstdorf Warmatsgund	Bayern	4,72	1992
31	Pumpspeicherwerk Wisenta	Thüringen	3,3	1933–1939
32	Pumpspeicherwerk Ortenberg-Lißberg	Hessen	2,3	1923
33	Pumpspeicherwerk Mittweida	Sachsen	1,7	1926 oder 1928 (außer Betrieb)
	Gesamtleistung (o. Leiwen, Mittweida)	Deutschland	rd. 6.674	~ 2005

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

Top 10 (Reihung nach Nennleistung)

Rang	Name	Leistung in MW	Regelarbeit in Mio. kWh/Jahr	Auslastung	Rohfall- höhe	Durchfluss in m³/s	Fertig- stellung	Bundes- land	Betreiber
1	Malta-Hauptstufe	730,0	715,0	11%	1106	80,0	1979	Kärnten	Austrian Hydro Power AG
2	Silz	500,0	495,3	11%	1258	48,0	1981	Tirol	Tiroler Wasserkraft AG
3	Limberg II	480,0	-	-	346	144,0	2012	Salzburg	Austrian Hydro Power AG
4	Kopswerk II	450,0	-	-	800	-	2008	Vorarlberg	Vorarlberger Illwerke AG
5	Reißeck II	430,0	-	-	595	80,0	2014	Kärnten	Austrian Hydro Power
6	Häusling	360,0	179,4	6%	696	65,0	1988	Tirol	Austrian Hydro Power AG
7	Rodundwerk II	276,0	486,0	20%	354	87,0	1976	Vorarlberg	Vorarlberger Illwerke AG
8	Lünerseewerk	232,0	371,0	18%	974	27,6	1958	Vorarlberg	Vorarlberger Illwerke AG
9	Roßhag	231,0	312,0	15%	630	52,0	1972	Tirol	Austrian Hydro Power AG
10	Rodundwerk I	198,0	322,0	19%	780	36,0	1952	Vorarlberg	Vorarlberger Illwerke AG

Schweiz

(Auswahl)

• Altendorf SZ/Einsiedeln – Sihlsee
• Linthal GL – Linth-Limmern
• Ferrera GR – Valle di Lei
• Guttannen BE/Grimsel 2 – Grimselsee
• Mapragg SG – Stausee Mapragg
• Peccia TI – Lago del Sambuco
• Robiei TI – Lago Robiei
• Hongrin VD – Lac de l'Hongrin
• Grande Dixence VS
• Cleuson-Dixence VS 1200 MW

Luxemburg

• Pumpspeicherwerk Vianden in Vianden, 1100 MW, 1964

Tschechien

• Pumpspeicherwerk Dlouhé Stráně im Altvatergebirge 650 MW, 1978–1996

Norwegen

In Norwegen wird das Potential für Pumpspeicherkraftwerke auf bis zu 60 Gigawatt geschätzt.^[2]

Meerwasser-Pumpspeicherkraftanlagen

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

Quellen

Werner Leonhard, Andree Wenzel (2007): „Flauten, Orkane und eine verfehlte Energiepolitik – wie soll das elektrische Netz das richten?“, in: ew Dossier Jg.106 , Heft 7, S. 52-57

1. ↑ ESA – Pumped Hydro Storage
2. ↑ Der große Blackout (Film im wmv-Format), 3sat hitec vom 14.6.2007, Alternativlink

Weblinks

• Bedeutung von PSKW für die Sicherheit der Stromversorgung, auch als [1] (PDF, 35 kB)
• Die Rolle der Pumpspeicherwerke für die Energiezukunft Europas
• Welche Bedeutung hat die Wasserkraft für Deutschland? (PDF, 54 kB)
• www.sueddeutsche.de – Wasserkraft contra Umwelt?
• www.3sat.de – Fischsterben durch Wasserkraft