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Wasser-Speicherkraftwerk

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Definition: ein Wasserkraftwerk, welches über einen großen Wasserspeicher verfügt, z. B. über eine Talsperre

Englisch: hydroelectric power plant with reservoir storage

Kategorien: elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 22.07.2010; letzte Änderung: 27.07.2014

Stausee Curnera

Abbildung 1: Der 2 Kilometer lange Stausee Curnera mit einer Bogenstaumauer in Graubünden, Schweiz. Hier betreiben die Kraftwerke Vorderrhein AG ein Speicher­kraftwerk mit einem nutzbaren Stauvolumen von 41 Millionen Kubikmetern. Drei Pelton-Turbinen mit insgesamt 151 MW erzielen eine Jahresproduktion von 250 Mio. kWh. Bild: Axpo AG.

Ein Wasser-Speicherkraftwerk ist ein Wasserkraftwerk, welches über einen großen Wasserspeicher verfügt. Dies eröffnet die Möglichkeit, zeitweise wesentlich mehr Wasser durch die Turbine(n) zu leiten, als langfristig in das Reservoir nachströmt, und auf diese Weise kurzfristig eine sehr hohe elektrische Leistung zu erzeugen. Speicherkraftwerke sind damit in der Lage, sogenannte Spitzenlast zu erzeugen, d. h. den zusätzlichen Strombedarf in Zeiten besonders großer Nachfrage zu decken, und auch Reserveleistung für den Ausfall anderer Kraftwerke oder von Hochspannungsleitungen sowie Regelenergie bereit zu stellen.

Im Vergleich zu anderen Möglichkeiten der Spitzenlasterzeugung sind Speicherkraftwerke im Allgemeinen besonders leistungsfähig, im Betrieb preisgünstig und langlebig, während andererseits die Investitionskosten erheblich sind. Es ist möglich, ein Speicherkraftwerk innerhalb von Minuten auf die volle Leistung zu fahren und damit auch kurzfristige Ausfälle schnell auszugleichen. Auch für den Lastfolgebetrieb ist es sehr gut geeignet. Selbst bei totalen Stromausfällen können Speicherkraftwerke angefahren werden (d. h. sie sind schwarzstartfähig). Sie können somit helfen, andere Kraftwerke (z. B. thermische) wieder anzufahren. Andererseits ist die Speicherkapazität begrenzt; sie wird also z. B. meist nicht ausreichen, um den längerfristigen Ausfall eines Großkraftwerks einen Winter lang auszugleichen.

Manche Speicherkraftwerke sind mit Pumpen ausgestattet, mit denen in Zeiten mit überschüssigen Stromerzeugungskapazitäten Wasser wieder in das obere Reservoir gepumpt werden kann. Effektiv lässt sich damit Energie aus dem Stromnetz speichern und später (in Zeiten höheren Bedarfs) wieder abrufen. Man spricht hier von Pumpspeicherkraftwerken.

Die energiewirtschaftliche Bedeutung von Wasser-Speicherkraftwerken ist insbesondere in bergigen Regionen wie den Alpen sehr hoch. In solchen Regionen kann mehr Spitzenlast und Regelenergie gewonnen werden als lokal benötigt, und über das europäische Verbundsystem können diese Energiemengen nutz- und gewinnbringend verkauft werden. Wenn das europäische Verbundnetz weiter ausgebaut wird, dürfte die Bedeutung der Speicherkraftwerke der Alpen noch weiter zunehmen. Insbesondere dürften sie in Zukunft dazu dienen, die schwankende Produktion von Windenergieanlagen auszugleichen. Heute sind die Möglichkeiten der Langstreckenenergieübertragung noch begrenzt, somit auch die Möglichkeiten der Kombination von Windenergie der Nordsee mit Wasserkraft in den Alpen.

Der Artikel über Wasserkraft diskutiert allgemeinere Aspekte von Wasserkraftwerken.

Anlage des Speichers, technische Aspekte der Anlagen und gespeicherte Energiemenge

In der Regel werden Speicherkraftwerke an Stauseen gebaut. Solche können natürlichen Ursprungs sein, aber häufig werden sie durch künstliche Talsperren (Staumauern) eingerichtet, wobei ein Tal überflutet wird.

Die insgesamt speicherbare Energiemenge ergibt sich aus dem Produkt der entnehmbaren Wassermenge (dem nutzbaren Stauvolumen) und der mittleren Höhendifferenz zwischen dem Wasserspiegel des Oberbeckens und dem Auslass der Turbinenanlage. Bei geeigneter Topografie können Höhendifferenzen von vielen hundert Metern erzielt werden, so dass jeder Kubikmeter Wasser in den Turbinen eine beträchtliche Energiemenge freisetzen kann. Bei einer Höhendifferenz von 1000 Metern wären es pro Kubikmeter knapp 10 MJ oder 2,7 Kilowattstunden.

Staumauer Grande Dixence

Abbildung 2: Die Staumauer Grande Dixence im Wallis. Es handelt sich um den volumenmäßig größten Stausee der Schweiz. Die Staumauer (die weltweite höchste Gewichtsstaumauer) ist 285 m hoch und fasst ca. 400 Millionen m3 Wasser. Das Wasser wird in vier Kraftwerken mit zwischen 874 m und 1883 m Fallhöhe verwendet. Der Stausee wird durch natürliche Zuflüsse von 35 Gletschern und von vier Pumpstationen gespeist. Bild: Grande Dixence S.A.

Das Wasserreservoir (Oberbecken) kann durch natürliche Zuflüsse gespeist sein, die manchmal noch durch zusätzliche Stollen ergänzt werden, um die verfügbaren Wassermengen weiter zu erhöhen. Bei Pumpspeicherkraftwerken (siehe oben) kommt hinzu noch das Nachfüllen über Pumpen mit Energie aus dem Netz.

Die eigentliche Kraftwerksanlage mit den Turbinen (die Maschinenkaverne) kann weit unter dem Oberbecken liegen und mit diesem über Druckstollen verbunden sein. Wegen der typischerweise großen Höhendifferenzen (im Vergleich zu Laufwasserkraftwerken) werden für Speicherkraftwerke in der Regel Hochdruckturbinen verwendet, z. B. Francis-Turbinen und Pelton-Turbinen. Zur Verminderung von Druckschwankungen z. B. beim Abschalten der Turbinen wird meist noch ein Wasserschloss am oberen Ende des Fallschachts gebaut, welches kurzfristig anfallende Wasserüberschüsse aufnehmen kann. Das Wasserschloss wird angeschlossen über eine Wasserleitung, die vom unteren Ende der Druckleitung zurück nach oben führt.

Manche Speicherkraftwerke werden als Kavernenkraftwerke angelegt, bei denen sich das Maschinenhaus in einer Kaverne im Fels befindet. Das Wasser für die Turbinen wird durch einen ebenfalls nicht von außen sichtbaren unterirdischen Druckstollen zugeführt.

Große Speicherkraftwerke in den Alpen können Energie für Monate speichern, also beispielsweise vermehrt im Winter abgeben, obwohl die Zuflüsse dann wesentlich schwächer sind als im Frühjahr. Sie dienen somit auch als saisonale Speicher. Kleinere Speicherkraftwerke überbrücken kürzere Zeiträume von Wochen oder Tagen.

Speicherkapazitäten in Europa

Die bereits installierten Wasser-Speicherkraftwerke in den Alpen (Schweiz und Österreich) verfügen insgesamt über eine Speicherkapazität von rund 12 TWh (Terawattstunden). Dies entspricht in etwa der eineinhalbfachen Jahresproduktion eines Großkraftwerks (z. B. Kernkraftwerks) mit 1 GW Leistung und 90 % Auslastung.

Weitaus höhere Kapazitäten von insgesamt ca. 116 TWh bestehen in Norwegen (82 TWh) und Schweden (34 TWh). Dagegen haben die deutschen Pumpspeicherkraftwerke eine Kapazität von insgesamt nur 0,05 TWh, die allein schon aufgrund der sehr begrenzten Verfügbarkeit geeigneter Standorte nicht massiv ausgebaut werden könnte.

Hieraus wird klar, dass die skandinavischen Kapazitäten einen sehr wesentlichen Beitrag zur Energiewende in Europa beitragen könnten, wenn sie durch verstärkte Stromnetze (mit Hochspannungs-Gleichstromübertragung) zwischen Skandinavien und Mitteleuropa besser nutzbar gemacht würden. Dagegen ist das Potenzial der Alpenländer zwar nennenswert, aber doch relativ bescheiden, und das der deutschen Speicherkraftwerke irrelevant. Man beachte hierbei, dass der Ausbau der Hochspannungsleitungen weitaus geringere Kosten verursachen würde als die Schaffung ähnlicher Kraftwerkskapazitäten in Mitteleuropa, selbst wenn hierfür genügend Standorte existierten. Es gibt keine einzige andere Option für die Bereitstellung großer Speicherkapazitäten in Europa, die annähernd so kostengünstig und gleichzeitig verlustarm wäre – auch nicht unter Berücksichtigung neuer vorgeschlagener Technologien wie z. B. Power to Gas, die erst noch entwickelt werden.

Ökologische Aspekte

Grundsätzlich ermöglichen Speicherkraftwerke wie andere Wasserkraftwerke eine CO2-freie und damit klimafreundliche Stromerzeugung. In dieser Hinsicht sind allerdings Pumpspeicherkraftwerke separat zu diskutieren, da der verwendete Pumpstrom häufig sehr klimaschädlich erzeugt wird, z. B. in Kohlekraftwerken.

Der Bau von Speicherkraftwerken ist meist mit erheblichen Eingriffen in die Landschaft verbunden. Insbesondere werden beim Bau von Talsperren Täler überflutet, die womöglich ökologisch wertvolle Lebensräume enthielten. Solche Effekte versucht man teils mit ökologischen Ausgleichsmaßnahmen zu kompensieren. Die ökologischen Effekte sollten unter Berücksichtigung der erzeugten Strommengen beurteilt werden. Hier schneiden große (und entsprechend tiefe) Talsperren oft besser ab als kleinere, weil pro benötigtem Quadratmeter mehr Wasser gespeichert werden kann, umgekehrt also weniger Fläche für die gleiche gespeicherte Energiemenge benötigt wird.

Ein erhebliches Problem des Betriebs von Speicherkraftwerken ist, dass stark schwankende Abflussmengen, wie sie sich aus einer energiewirtschaftlich optimierten Betriebsweise ergeben, das Leben in tiefer liegenden Flussläufen schwer beeinträchtigen können. Wenn die Stromerzeugung zu Zeiten geringen Bedarfs ganz eingestellt wird, können Flussläufe völlig trocken fallen. Zu anderen Zeiten mit besonders hoher Leistung der Erzeugung (Schwallbetrieb) können Lebensräume ebenfalls zerstört und auch Menschen gefährdet werden.

Die Versandung und Verschlammung im Staubereich von Speicherkraftwerken wird meist mit regelmäßigen Stauraumspühlungen bekämpft. Dabei geraten diverse Ablagerungen wie z. B. Faulschlamm plötzlich über das Unterwasser abgeführt. Dies kann zu Fischsterben und zur Zerstörung von Habitaten in Flüssen führen. Mittlerweile wurde dieses Problem in einigen Regionen erkannt (teils durch Vorstöße von Fischern), und man versucht es durch sorgfältige Planung von Spülungen und flankierende Maßnahmen zu verringern. Hierzu kann gehören, Spülungen zu Zeiten hoher Wasserführung durchzuführen, die Abschlussorgane (Wehrklappen oder Grundablässe) schonend stufenweise zu öffnen und schließen, den Schwebstoffgehalt und die Sauerstoffkonzentration des abgehenden Wassers zu überwachen, Bestandsbergungen vorzunehmen und den Jungfischbesatz mit den Spülungen zu koordinieren. Unter Umständen kann Faulschlamm auch durch Ausbaggern beseitigt werden.

Da trotz der Stauraumspühlungen das gröbere Geschiebe (Erosionsmaterial) im Stausee verbleibt, gräbt sich der nachfolgende Fluss tiefer in sein Bett ein, und der Grundwasserspiegel kann in seiner Umgebung fallen.

Aus den genannten Gründen sind diverse Kompromisse zwischen einer energiewirtschaftlichen und ökologischen Optimierung des Betriebs von Speicherkraftwerken notwendig.

Ein positiver Aspekt von Speicherkraftwerken ist, dass sie oft dem Hochwasserschutz dienen. Die Abflussmengen können zu Zeiten starker Niederschläge so reguliert werden, dass Überschwemmungen flussabwärts weniger wahrscheinlich werden. Ebenfalls kann ein Teil der finanziellen Erträge für ökologische Ausgleichsmaßnahmen verwendet werden.

Literatur

[1]Studie “Bedeutung der internationalen Wasserkraft-Speicherung für die Energiewende”, Prognos AG, 09.10.2012, http://www.prognos.com/fileadmin/pdf/publikationsdatenbank/121009_Prognos_Bericht_Internationale_Speicherung_WEC__9_Oktober_2012.pdf

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Speicherkraftwerk, Pumpspeicherkraftwerk, Wasserkraftwerk, Wasserkraft, Spitzenlast, Regelenergie, Energiespeicher, Speicher für elektrische Energie
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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