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Pumpspeicherkraftwerk

Ein Pumpspeicherkraftwerk (oder Pumpspeicherwerk) ist ein Wasser-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) zwar eher geringere Energieverluste, dafür aber weitaus höhere Investitionskosten (in €/kWh) auf; deswegen sind damit nicht so hohe Kapazitäten realisierbar. Druckluftspeicherkraftwerke dagegen sind eher weniger effizient.

Pumpspeicherkraftwerke können bei Bedarf sehr schnell in Betrieb genommen werden und erlauben eine sehr hohe Leistungsänderungsgeschwindigkeit. Zudem sind sie schwarzstartfähig, d. h. sie können nach einem Stromausfall für die Wiederaufnahme der Versorgung wichtige Dienste leisten.

Bei manchen Wasser-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, gezielt einsetzbare Energie 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 eigentlich eine Einrichtung zur Energieerzeugung.

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.

Besonders viele Pumpspeicherkraftwerke gibt es in Ländern wie Österreich, wo einerseits die Topographie viele gute Standorte bietet und andererseits die gute Anbindung an die mitteleuropäischen Stromnetze es ermöglicht, die Speicherleistung auch an anliegende Länder zu verkaufen, die topographisch weniger günstig sind.

Andererseits hat beispielsweise Norwegen nur einen geringen Anteil an Pumpspeicherkraftwerken, weil es viele Speicherkraftwerke ohne Pumpen hat und die Regelung von deren Leistung für den norwegischen Bedarf weitgehend ausreicht, also zusätzliche Pumpspeicher nur in sehr geringem Umfang nötig macht. Dies könnte sich zukünftig ein Stück weit ändern mit der Zug um Zug ausgebauten Stromverbindung nach Mitteleuropa: Norwegen könnte dann zeitweise Solarstrom oder Windstrom importieren, und zu anderen Zeiten umso mehr Spitzenlast exportieren zu können. Hierfür würde man allerdings kaum neue solche Kraftwerke bauen, sondern vor allem bestehende Speicherkraftwerke aufrüsten.

Technische Aspekte

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 zwischen der des Oberbeckens und des Unterlaufs 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 nur für z. B. 5 bis 10 Stunden mit Volllast ausreicht. So kann ein Großteil der Speicherkapazität ggf. in den Hochlastzeiten eines einzigen Tages genutzt werden. Der Generator, der bei Turbinenbetrieb die elektrische Energie erzeugen kann, kann auch als Antriebsmotor für die Pumpen auf der gleichen 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.

Neue Arten von Pumpspeicherkraftwerken

Die traditionelle Art von Pumpspeicherkraftwerken wie oben beschrieben – mit natürlichen oder künstlich angelegten offenen Wasserbecken – funktioniert gut, aber ihre Realisierbarkeit hängt stark von den topographischen Gegebenheiten ab. Deswegen wird nach Alternativen gesucht, die auch in nicht gebirgigen Regionen realisierbar wären. Eine Möglichkeit wäre die Nutzung ausgedienter Bergwerke beispielsweise im Ruhrgebiet. Solche "Unterflur-Pumpspeicherkraftwerke" würden kaum Eingriffe in die Landschaft erfordern und wären von außen kaum sichtbar.

Eine weitere Möglichkeit besteht in Pumpspeicherkraftwerken mit Speichern aus Beton-Kugeln am Meeresgrund. Ein solcher Wasserspeicher könnte bei Stromüberschuss leergepumpt werden, und bei späteren Bedarf könnte er wieder geflutet werden. Durch den hohen Wasserdruck in entsprechenden Tiefen könnte eine relativ hohe Energiedichte des Speichers erreicht werden. Denkbar wäre z. B. die Anwendung bei Windparks in der Nordsee.

Es gibt auch Pläne für neue Pumpspeicher, die in ausgedienten Braunkohle-Tagebauen eingerichtet werden könnten – entweder auf konventionelle Art mit Ober- und Unterbecken oder mit am Grund deponierten Beton-Kugeln, die leergepumpt werden können. Auch Steinkohle-Minen würden ähnliche Gelegenheiten bieten. Ein attraktiver Aspekt dieses Ansatzes ist, dass dafür keine weiteren Landschaften zerstört werden müssen. Außerdem sind starke Stromleitungen in näherer Umgebung meist schon vorhanden.

Teilnahme am Strommarkt

Die Betreiber von Pumpspeicherkraftwerken können auf unterschiedliche Weisen am Strommarkt teilnehmen:

• Am Day-ahead-Markt können Sie einerseits die Lieferung von Energie zu Zeiten hohen Leistungsbedarfs anbieten und andererseits Pumpstrom in Schwachlastzeiten einkaufen. In beiden Fällen richtet sich der Handel nach Angebot und Nachfrage, wie sie für den Folgetag erwartet werden.
• Zusätzlich kann der Betreiber auch am Markt für Regelenergie auftreten, wo es um den Ausgleich unvorhergesehener Schwankungen geht. Wiederum kann der Betreiber entweder positive Regelleistung anbieten (beispielsweise für den Fall, dass plötzlich ein anderes Kraftwerk ausfällt) oder auch negative Regelleistung, als eine Reduktion der Einspeisung oder eine Aufnahme von Pumpstrom für den Fall eines unvorhergesehenen Stromüberschusses.

Natürlich kann ein Betreiber beispielsweise positive Regelleistung nur anbieten, soweit er seine Erzeugungskapazitäten nicht bereits für die reguläre Erzeugung eingeplant hat. Wenn bereits die volle Kapazität für die Spitzenlasterzeugung verkauft wurde, kann zusätzlich nur noch negative Regelenergie angeboten werden.

Die Wirtschaftlichkeit der Teilnahme am regulären Strommarkt wird dadurch erschwert, dass die Lieferung von Pumpstrom mit Netznutzungsentgelten belastet wird, obwohl Pumpspeicherkraftwerke ja kaum als Letztverbraucher betrachtet werden können, und obwohl sie gerade zur Stabilisierung der Netze beitragen können. Deswegen steht derzeit die Forderung im Raum, dass für Pumpstrom keine Netznutzungsentgelte mehr erhoben werden sollen.

Energiewirtschaftliche Bedeutung

Pumpspeicherkraftwerke haben in einigen Ländern eine große energiewirtschaftliche Bedeutung. Sie werden insbesondere in den Alpenländern Schweiz und Österreich viel eingesetzt, da diese für Pumpspeicherkraftwerke topografisch prädestiniert sind. Ihre Erzeugung wird teilweise in Länder wie Deutschland exportiert. Weitere Anlagen mit noch wesentlich größeren Kapazitäten in Norwegen und Schweden werden in Zukunft voraussichtlich genutzt werden, um einen größeren Anteil von Windstrom im europäischen Verbundsystem einsetzen zu können. (Bisher sind dies oft Wasser-Speicherkraftwerke ohne Pumpen, die bei Bedarf jedoch gut auch zu Pumpspeichern ausgebaut werden könnten.) Hierfür werden jedoch zunächst noch erhebliche Aufstockungen der Langstrecken-Leitungskapazitäten (→ europäisches Supergrid) vorgenommen werden müssen, da bisher das europäische Netz für eine eher kleinräumige Energieverteilung ausgelegt ist.

Die deutschen Pumpspeicherkraftwerke haben mit 0,05 TWh eine Kapazität, die nur ein winziger Bruchteil der der skandinavischen Speicherkraftwerke ist (obwohl dies andererseits weitaus mehr ist, als in absehbarer Zeit beispielsweise mit dezentralen Solarstromspeichern möglich wäre). Ihre Erzeugungsleistung von insgesamt rund 7 GW können sie nur über einige Stunden aufrechterhalten. Sie können deswegen trotz ihrer günstigeren Lage für die mitteleuropäische Energiewirtschaft nur relativ geringe Beträge leisten, und ihre Kapazität ist mangels geeigneter Standorte nur geringfügig erweiterbar.

Viele Pumpspeicherkraftwerke arbeiten als sogenannte Umwälzwerke, in denen häufig (zum Beispiel einmal täglich) zwischen Pump- und Turbinenbetrieb umgeschaltet wird. Bei ihnen ist eine hohe Energieeffizienz besonders wichtig. Andere Pumpspeicheranlagen werden eher als saisonale Speicher verwendet, um überschüssige Stromerzeugung vom Sommer in den Winter zu verlegen. Auf diese Weise kann z. B. das Problem ausgeglichen werden, dass Laufwasserkraftwerke im Winter weniger Strom erzeugen, obwohl dann mehr benötigt wird.

Pumpstrom aus Grundlastkraftwerken

Der Pumpstrom ist häufig 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 bei den Kohlekraftwerken Teillastbetrieb und schnelle Leistungsänderungen realisiert werden müssten.

Pumpspeicher für erneuerbare Energien

Durch die Energiewende gewinnen Pumpspeicherkraftwerke an Bedeutung auch für die Speicherung von überschüssigem Strom z. B. aus Windenergieanlagen. Generell werden Speicher für elektrische Energie wichtiger, wenn zunehmend fluktuierende Energiequellen wie Windenergie und Sonnenenergie für die Stromerzeugung genutzt werden. Dies bedeutet aber nicht unbedingt, dass Pumpspeicherkraftwerke betriebswirtschaftlich gesehen attraktiver werden, zumindest nicht unter der heutigen Bedingungen des Strommarkts: Da Photovoltaikanlagen meist um die Mittagszeit vermehrt einspeisen und damit die Mittagsspitze decken (in Deutschland oft schon mehr oder weniger vollständig), werden Pumpspeicherkraftwerke für die Mittagsspitze häufig nicht mehr oder zumindest weniger benötigt. Solange nur Stromlieferungen vergütet werden, nicht aber die bloße Bereitstellung von Leistung (in einem Kapazitätsmarkt), wird die Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicherkraftwerken reduziert, obwohl sie als Reserve eigentlich wichtiger werden.

Andere Möglichkeiten

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.

Ökologische Bewertung der Pumpspeicherung

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.

Pumpstrom aus Kohlekraftwerken

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 insbesondere des Grundlastbedarfs 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.

Pumpstrom aus Kernkraftwerken

Wenn Pumpstrom aus Kernkraftwerken eingesetzt wird, erhält man mit Pumpspeicherung recht CO₂-armen Spitzenlaststrom, also mit ähnlich geringer Klimagefahren wie mit erneuerbaren Energien. Andererseits ist die Kernenergie mit anderen Problemen belastet, insbesondere mit der Erzeugung langlebiger radioaktiver Abfälle 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.

Pumpstrom aus Windenergie

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 Ausgleichs- und 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 sind bereits konkret geplant. Zukünftig können Pumpspeicherkraftwerke vielleicht sogar über ein europäisches Supergrid angebunden werden.

Fazit

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: Wasser-Speicherkraftwerk, Wasserkraftwerk, Speicherkraftwerk, Pumpe, Wasserkraft, Spitzenlast, Regelenergie, Speicher für elektrische Energie, Energiespeicher, Druckluftspeicherkraftwerk