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Acronym: PSW = Pumpspeicherwerk
Definition: ein Wasser-Speicherkraftwerk, bei dem das obere Wasserreservoir über Pumpen aufgefüllt werden kann
Ein Pumpspeicherkraftwerk (oder Pumpspeicherwerk) ist ein Speicherkraftwerk (eine Art Wasserkraftwerk), bei dem das obere Wasserreservoir unter Aufwand elektrischer Energie mit Pumpen wieder aufgefüllt werden kann. Der verwendete Pumpstrom wird in Zeiten geringer Netzbelastung zu niedrigen Preisen bezogen. Wenn dann später ein hoher Leistungsbedarf entsteht, wird das gespeicherte Wasser wieder turbiniert, d. h. es wird wieder elektrische Energie gewonnen. Der gewonnene Spitzenlast-Strom kann dann oft zu viel höheren Preisen wieder verkauft werden. Allerdings geht durch diverse Verluste in den Pumpen, Turbinen und Wasserleitungen (nur zum geringsten Teil in Generator und Pumpenmotor) ein Teil der gespeicherten Energie verloren. Bei modernen Anlagen beträgt der Verlust meist zwischen 15 % und 25 %; der Wirkungsgrad beträgt also 75 % bis 85 % (ohne Berücksichtigung von Verlusten beim Transport im Stromnetz). Obwohl diese Verluste immer noch erheblich sind, gibt es kein anderes großtechnisch und günstig einsetzbares Verfahren, um elektrische Energie mit ähnlichen oder gar geringeren Verlusten zu speichern. Beispielsweise weisen aufladbare Batterien (gleich welcher Art) weitaus höhere Investitionskosten (in €/kWh) auf.
Bei manchen Speicherkraftwerken dient das Pumpen eher zur gelegentlichen Ergänzung der natürlichen Zuflüsse, während es auch reine Pumpspeicherkraftwerke gibt, bei denen der Beitrag natürlicher Zuflüsse (und der Niederschläge) minimal ist. In diesem Fall wird mehr elektrische Energie verbraucht als erzeugt. Jedoch ist die erzeugte Energie wesentlich wertvoller, weil es sich um kurzfristig verfügbare Spitzenlast bzw. Regelenergie handelt. (Das Hochfahren solcher Speicherkraftwerke benötigt meist nur wenige Minuten.) Zudem kann der Bezug von Pumpstrom als negative Regelenergie eingesetzt werden. Ein reines Pumpspeicherkraftwerk ist also eine Einrichtung zur Netzregelung und nicht ein eigentliches Kraftwerk.
Der in Pumpspeicherwerken erzeugte Strom darf in der Regel nur zu dem Anteil als Wasserkraft verkauft werden, der mit Hilfe der natürlichen Zuflüsse gewonnen wird. Dies liegt daran, dass der eingesetzte Pumpstrom ja aus anderen Quellen stammt und ökologisch bedenklich sein kann, wie weiter unten diskutiert wird.
Abbildung 1: Das Pumpspeicherkraftwerk Herdecke an der Ruhr. Im Turbinenbetrieb sind bis zu 285 MW elektrischer Leistung verfügbar. Der Pumpspeicher- Wirkungsgrad liegt bei 65 % für den alten Anlagenteil von 1930 und bei 75 % für die neuere Turbine von 1989. Bild: RWE AG.
Das Oberbecken eines Pumpspeicherkraftwerks kann ein natürlicher See sein oder auch ein künstlich angelegtes Becken, z. B. auf einem Berg oder Hügel oberhalb eines Flusses. Unten muss Wasser zum Zurückpumpen verfügbar sein, entweder in einem Fluss oder in einem zweiten Becken, welches wiederum ein natürlicher See oder ein künstlich angelegtes Becken sein kann.
In manchen Fällen erfolgt das Pumpen nicht vom unteren Niveau aus, sondern mit Zubringerpumpen aus einem anderen Reservoir, dessen Höhe unterhalb der des Oberbeckens liegt. Dann ist der Pumpstromaufwand geringer als die damit erzeugte Energiemenge. Diese Konfiguration ist jedoch eher selten.
Das Maschinenhaus mit Turbinen und Pumpen steht in der Regel am unteren Ende der Druckleitung, die vom Oberbecken nach unten führt. Die maximale Turbinenleistung wird meist so hoch gewählt, dass die Kapazität des Oberbeckens für etliche Stunden mit Volllast ausreicht. Der Generator, der bei Turbinenbetrieb die elektrische Energie erzeugen kann, kann auch als Antriebsmotor für die Pumpen auf der gleiche Welle dienen. Es gibt auch Anlagen, bei denen die Turbine (eine Pumpenturbine) selbst als Pumpe einsetzbar ist. Dieser Ansatz ist bezüglich Investitionskosten günstiger, führt aber in der Regel zu höheren Energieverlusten.
Die Druckschwankungen, die bei starken Änderungen der Leistung oder beim Umschalten von Pump- in Turbinenbetrieb oder umgekehrt entstehen, werden durch ein Wasserschloss am oberen Ende der Druckleitung ausgeglichen.
Pumpspeicherkraftwerke haben eine große energiewirtschaftliche Bedeutung. Viel Regelenergie wird damit insbesondere in den Alpenländern Schweiz und Österreich erzeugt, die für Pumpspeicherkraftwerke topografisch prädestiniert sind, und teilweise in Länder wie Deutschland exportiert. Weitere Anlagen mit beträchtlichen Kapazitäten in Norwegen und Schweden werden in Zukunft voraussichtlich genutzt werden, um einen größeren Anteil von Windstrom im europäischen Verbundnetz einsetzen zu können. Hierfür werden jedoch zunächst noch erhebliche Aufstockungen der Langstrecken-Leitungskapazitäten vorgenommen werden müssen, da bisher das europäische Netz für eine eher kleinräumige Energieverteilung ausgelegt ist.
Die Regelenergie wird vorwiegend in sogenannten Umwälzwerken gewonnen, in denen häufig zwischen Pump- und Turbinenbetrieb umgeschaltet wird. Manche Pumpspeicheranlagen werden eher als Saisonspeicher verwendet, um überschüssige Stromerzeugung vom Sommer in den Winter zu verlegen. Auf diese Weise kann z. B. das Problem gelöst werden, dass Laufwasserkraftwerke im Winter weniger Strom erzeugen, obwohl dann mehr benötigt wird.
Der Pumpstrom ist in aller Regel billiger Strom aus Grundlastkraftwerken zu Zeiten mit geringerem Bedarf. Beispielsweise werden Kernkraftwerke nachts meist mit voller Leistung weiter betrieben, weil eine Absenkung der Leistung nur in relativ geringfügigem Maße Nuklearbrennstoff (Uran) einsparen und zudem den Wirkungsgrad der Anlage beeinträchtigen würde. Häufige Lastwechsel könnten zusätzlich die Lebensdauer der Anlage verkürzen. Die eigentlich im Netz nachts nicht benötigte Energie wird dann sehr billig abgegeben und von Pumpspeicherkraftwerken (unter gewissen Energieverlusten) quasi zu teurem Spitzenlaststrom “veredelt”. Auch in Verbindung mit Kohlekraftwerken wird dieser Ansatz verwendet; die entstehenden Energieverluste können immerhin geringer sein, als wenn die Kohlekraftwerke (wie andernorts üblich) in der Leistung geregelt würden.
Mögliche Alternativen zur Pumpspeicherung sind die Regelung der Leistung anderer Kraftwerke (was z. B. mit Gaskraftwerken besonders gut funktioniert) sowie das Lastmanagement, also das gezielte Verringern der Netzlast in Zeiten besonders hohen Bedarfs, oder das Zuschalten von Verbrauchern bei Überschüssen.
Die ökologische Bewertung der Pumpspeicherung ist sachlich kein einfaches Unterfangen und entsprechend umstritten. In jedem Fall muss berücksichtigt werden, in welcher Art Pumpspeicherkraftwerke in das Energieversorgungssystem eingebunden werden bzw. werden könnten. Insbesondere kommt es stark auf die Herkunft des Pumpstroms an. Deswegen werden in den folgenden Abschnitten verschiedene Szenarien diskutiert.
Wenn der Pumpstrom aus Kohlekraftwerken stammt, z. B. aus Braunkohlekraftwerken im Grundlast-Bereich, ist dessen Erzeugung mit hohen Kohlendioxid-Emissionen verbunden. Durch die zusätzlichen Energieverluste der Pumpspeicherung erhält man effektiv eine spezifische CO2-Belastung des erzeugten Spitzenlaststroms von weit über 1000 g/kWh. Man liegt damit dann über dem Doppelten des Durchschnitts für die derzeitige Stromerzeugung in Deutschland. Auch verglichen mit anderen Methoden der Spitzenlasterzeugung (z. B. mit Gasturbinen ohne Abwärmenutzung) erhält man so besonders klimaschädlichen Strom.
Das Grundproblem liegt allerdings nicht bei der Pumpspeicherung selbst, sondern vielmehr darin, dass z. B. in Deutschland mehr Kohlekraftwerke in Betrieb sind, als es für die Abdeckung des Grundlast- und Mittellastbedarfs nötig wäre. Ein Überschuss an Erzeugungskapazitäten in Zeiten schwacher Last (z. B. nachts) motiviert dann einerseits zur ineffizienten Stromnutzung für Elektroheizungen, andererseits zur “Veredelung” des Stroms über die Pumpspeicherung. Besonders Letzteres ist betriebswirtschaftlich betrachtet zwar durchaus sinnvoll, da die Spitzenlast so wohl immer noch etwas preisgünstiger als mit Erdgas erzeugt werden kann. Aus ökologischer Sicht ist diese Art der Energienutzung jedoch sehr bedenklich. Dass die direkte Spitzenlast-Erzeugung durch Leistungsregelung von Kohlekraftwerken noch schlechter wäre, ändert daran nichts.
Wenn Pumpstrom aus Kernkraftwerken eingesetzt wird, erhält man mit Pumpspeicherung recht CO2-armen Spitzenlaststrom, also mit ähnlich geringer Klimabelastung wie mit erneuerbaren Energien. Andererseits ist die Kernenergie mit anderen Problemen belastet, insbesondere mit der Erzeugung langlebiger radioaktiver Abfälle (Atommüll) ohne geklärte Endlagerung, mit Umweltbelastungen beim Uranbergbau und Gefahren beim Betrieb der Kernkraftwerke. Hinzu kommt die Gefahr der Proliferation von Atomwaffen – ein Problem, welches ebenfalls eine ökologische Dimension hat. Allerdings kann hiergegen eingewandt werden, dass die Größe dieser Probleme wenig davon abhängig, ob Kernkraftwerke in einem Land nur für reine Grundlast eingesetzt werden oder noch zusätzlich in Verbindung mit Pumpspeicherung; es handelt sich eher um die grundsätzliche Frage der Kernenergie-Nutzung.
Windenergie ist eine erneuerbare Energiequelle mit minimaler Klimabelastung und auch sonst nur geringen Umweltauswirkungen. Wegen des schwankenden Windangebots entsteht hier ein besonders hoher Bedarf an Regelenergie, die insbesondere mit Pumpspeicherkraftwerken erzeugt werden kann. Es ist unzweifelhaft sinnvoll, dass in Zeiten mit besonders hohem Windstromangebot, wenn mehr elektrische Leistung erzeugt als momentan benötigt wird, mit der überschüssigen Energie die Pumpspeicher “aufgeladen” werden. Dass hierbei ein gewisser Energieverlust von z. B. 20 % auftritt, ist leichter zu verschmerzen, als beispielsweise Windenergieanlagen abzuschalten und somit die Windenergie in solchen Zeiten teilweise ungenutzt zu lassen.
Man beachte allerdings, dass Regionen wie Norddeutschland, die für die Windenergienutzung besonders gut geeignet sind, sich häufig nicht sehr gut für die Einrichtung von Pumpspeicherkraftwerken eignen. Wenn entferntere Pumpspeicher z. B. in Norwegen oder in den Alpen verwendet werden sollen, setzt dies einen Ausbau des europäischen Höchstspannungsnetzes voraus. Entsprechende Investitionen werden bereits konkret geplant.
Es wird deutlich, dass die ökologische Bewertung der Pumpspeicherung sehr stark von der Herkunft des Pumpstroms abhängt. Weil häufig sehr umweltschädlich erzeugter Pumpstrom eingesetzt wird, stehen viele Umweltorganisationen der Pumpspeicherung sehr kritisch gegenüber. Die eigentlich wichtigen Entscheidungen erfolgen allerdings grundsätzlich an anderer Stelle: für oder gegen Kohlekraftwerke (bzw. Klimaschutz) und für oder gegen die Kernenergie und erneuerbare Energie. Die Pumpspeicherung kann gleichermaßen für ökologisch problematische Kohlestrom-“Veredelung” wie auch sinnvoll in Kombination mit Windenergie eingesetzt werden.
Siehe auch: Speicherkraftwerk, Wasserkraftwerk, Wasserkraft, Spitzenlast, Regelenergie
Kategorien: elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke