Energiewende: Pumpspeicherwerke – ein perfekter Speicher für Windstrom?

Im letzten Artikel ließ ich die Frage offen, ob Speicher für elektrische Energie diese überhaupt auch schnell genug aufnehmen könnten. Windenergie als Hauptquelle „erneuerbarer Energie“ steht nur in geringen Zeiten mit hoher Stärke zur Verfügung und müsste dann schnell genug gespeichert werden, um später die Zeiten mit geringeren Windstärken ausgleichen zu können. Das verdeutlicht sehr gut die Leistungsdauerlinie von Windstrom:

Windstrom, Leistungsdauerlinie 2011, Quelle: Windreport Deutschland 2011, S.19

Bildquelle: Windenergie Report Deutschland 2011

Speicher müssten also in der Lage sein, schnell hohe Energiemengen aufnehmen zu können. Aber geht das überhaupt? Für Speichermethoden, die momentan erst im Entwicklungsstand sind (Windgas- und Druckluftspeicher), lässt sich das momentan noch nicht eindeutig sagen, für die aktuell einzig verfügbare Speichertechnologie Pumpspeicherkraftwerk (PSW) dagegen schon.

Wie schnell könnte ein PSW das leergelaufene Oberbecken mit einem plötzlichen Überangebot von Windstrom wieder füllen? Zunächst einmal können das alle dort eingesetzten Pumpen nur exakt mit derselben Geschwindigkeit, mit der sie auch sonst betrieben werden. Weder schneller noch langsamer, denn Pumpen in PSW sind nicht regelbar (Ausnahme siehe Nachtrag vom 10.Okt.). Sie haben feste Leistungen und (abgesehen von strömungstechnischen Aspekten) hängt davon die Füllgeschwindigkeit ab. Im bei Dresden gelegenen PSW Niederwartha sind momentan 40MW Pumpleistung verfügbar. Exakt diese Energie kann das PSW aufnehmen und nicht mehr (zu geringen Windstrom übrigens auch nicht). Wenn also aus umliegenden Windenergieanlagen (WEA) mehrere hundert MW geliefert werden, kann das PSW diese höhere Leistung nicht verbrauchen, und damit nicht speichern. An diesem Prinzip ändert sich auch nichts, wenn man andere PSW mit stärkeren Pumpen betrachtet. Sollte man dann einfach überall stärkere Pumpen einbauen? Das ist u.a. eine simple Geld-Frage, denn extra teurere Anlagen zu kaufen, die dann seltener eingesetzt werden, ist schlicht unökonomisch. (Es stellt sich auch die Frage, ob das dem PSW nächstgelegene Umspannwerk diese höhere Leistung überhaupt zuleiten könnte.)

Aber kann man das Oberbecken wenigstens in ausreichend kurzer Zeit wieder auffüllen? Wie viele Stunden brauchen deutsche PSW dafür? PSW brauchen zum Speichern zugeführter Energie länger, als sie Energie liefern können. Das passt schlecht zur Windenergie, denn hierfür müsste es genau umgekehrt sein. Sicher kann man durch intelligente Zeitauswahl der Pump- und Generatorzeiten einiges anpassen, aber grundsätzlich kommt man um diese Tatsache nicht herum. Übrigens kann man sich auch fragen, ob das bei anderen Speichermethoden grundsätzlich anders sein wird: Z.B. bei Windgasherstellung muss erst eine Elektrolyse und dann eine chemische Reaktion stattfinden, anschließend wird das so entstandene Gas unter Druck in die Behälter gepumpt. Kann das schneller ablaufen als in der Geschwindigkeit, mit der das Gas später wieder aus dem Behälter entströmt? Schwer vorstellbar, aber das wird die Zukunft zeigen.

Pumpspeicherwerke jedenfalls können zwar durchaus einen Teil des Windstroms aufnehmen, aber die energiereichen Spitzen in der Windstromerzeugung bleiben auch mit ihnen ungenutzt. PSW sind also nicht die perfekten Partner von WEA. Abgesehen davon ist es ohnehin fraglich, ob sie in  der Praxis tatsächlich nur dann in den Pumpbetrieb versetzt werden, wenn gerade Wind weht. PSW wurden bisher immer mit billigem Nachtstrom gefüllt – warum sollte der Betreiber eines PSW nachts, wenn der Strom ohnehin durchgängig billig ist, erst noch warten, bis zusätzlich Wind aufkommt? Technisch einfacher wäre es für ihn, die Anlage durchgängig laufen zu lassen, statt sie mehrfach ein- und auszuschalten. An unterschiedliche Windstärken lässt sich die Pumpleistung eines PSW, wie bereits erwähnt, ohnehin nicht anpassen. Nachts ist es also fraglich, ob tatsächlich nur speziell Windstrom gespeichert wird, aber tagsüber ergibt sich immerhin ein Grund, wegen ihm gelegentlich die Pumpen anzuwerfen: Nämlich dann, wenn zu viel eingespeister Strom aus WEA und Solaranlagen die Preise nach unten treibt. Strom dann zu speichern, wenn er durch zu hohe Produktion billig ist – dafür wurden PSW immerhin erfunden. Da scheinen plötzlich einmal einige Details unserer Energiewende halbwegs zueinander zu passen. Aber warum selbst das nur scheinbar passt, ist ein anderes Thema* und ich wollte mich heute einmal halbwegs kurz fassen.

(* Senkt die Rentabilität nach wie vor  benötigter konventioneller Kraftwerke und erhöht für Verbraucher die EEG-Umlage)

Nachtrag 10. Okt 2012, Information von Vattenfall (an der Stelle noch einmal vielen Dank für die Informationen):

… anbei eine Ergänzung zum regelbaren Pumpen. Im PSW Goldisthal besteht diese Möglichkeit::

„Die bedeutendste Neuerung auf der elektrischen Seite ist der erstmalige Einsatz von zwei drehzahlvariablen Asynchronmaschinen als Motorgeneratoren in einem europäischen Pumpspeicherwerk. Sie sind als doppelt gespeiste Asynchron-Motor-Generatoren ausgeführt. Bei diesen drehzahlvariablen Maschinensätzen ist es möglich, auch im Pumpbetrieb eine Leistungsregelung je Maschinensatz von zirka 100 Megawatt durchzuführen. Zusätzlich wird im Turbinenteillastbetrieb eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht. Die Drehzahländerung beim Asynchron-Motor-Generator erfolgt durch statische Direktumrichter (Thyristorstromrichter) im Läuferstromkreis.“ (Quelle leider nicht mehr online – Nachtrag 2013)

Nachtrag 14.Okt 2012: Es wird immer absurder – nun stellt sich auch noch heraus, dass Ökostrom sogar schädlich ist für den Betrieb von PSW: Die Pumpspeicher nutzten früher nachts billigen Strom, um Wasser nach oben zu pumpen und es bei höheren Preisen zur Mittagszeit aus den Speicherseen abzulassen und damit Strom zu produzieren. „Jetzt lohnt sich das immer weniger, denn Solarstrom kommt zur Mittagszeit ins Netz und drückt die Preise“ (Quelle: Freie Presse, Vattenfall hat Probleme mit Pumpspeicherkraftwerken)

„Ausgerechnet  die  Energiewende  hat  dazu  geführt,  dass  sich  Speicheranlagen  kaum noch wirtschaftlich betreiben lassen, ähnlich wie die konventionellen Kraftwerke. Früher  nutzten  die  Betreiber  billigen Nachtstrom, um mit der Energie ihre Wasserspeicher  vollzupumpen.  Am  Mittag, wenn der Strompreis hoch war, ließen sie das Wasser ab und setzten ihre Turbinen in Gang. Es war ein gutes Geschäft. Doch inzwischen sind mitunter nachts die Preis hoch und mittags niedrig. Der Betrieb  der  Anlagen  lohnt  sich  nicht mehr. Vattenfall kündigt an, sein Pumpspeicherkraftwerk im sächsischen Niederwartha in drei Jahren zu schließen. Eine notwendige  Sanierung  wäre  zu  teuer.“ (Quelle: Spiegel Nr.41 2012, „Merkels Blackout“, S. 28/29 Printausgabe)

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Nachtrag zur Recherche:

Ich habe wirklich lange gesucht und sehr viel Phantasie in die Suchbegriffe gesteckt und nicht nur Google benutzt – meinen ersten Treffer hatte ich übrigens mit Bing. Ich schrieb dann den Betreiber der sächsischen PSW an: Vattenfall. Bei drei offiziell angegebene Adressen versuchte ich es – die für das PSW Niederwartha, die für das PSW Markersbach und zum Schluss noch den allgemeinen Pressekontakt von Vattenfall Deutschland. Von letzterem kam heute sogar eine Antwort. Zwar nicht mit den konkreten Zahlenwerten, aber immerhin mit ein paar Unterlagen, die zum Ziel führten.

Die einzige konkrete Zeitdauerangabe zu einem deutschen PSW fand ich zum Hornbergbecken: Max. 6,8 h Stromerzeugung im Volllast-Turbinenbetrieb, dafür sind anschließend 7,9 h Pumpbetrieb nötig. Eine zweite Angabe (allerdings nur für das Wiederbefüllen, Nachtrag Okt. 2013: Nicht mehr online) gibt es zum PSW Wendefurth: 10 Stunden dauert es. Wie lange kann es Strom liefern? Das kann man errechnen, wenn man nach dem Begriff „Arbeitsvermögen“ für diese Anlage sucht. Diese Größe wird in MWh angegeben und ergibt (geteilt durch die Gesamtnennleistung der installierten Turbinen) die maximale Laufzeit. Im Fall von Wendefurth sind das 6,5 h. Informationen zu anderen PSW fand ich erst, als ich auch Kraftwerke im Ausland mit einbezog. Fazit: Die Zeitdauer, in der PSW Strom verbrauchen ist in jedem Fall höher als die Zeit, in der sie Strom liefern. Bei einigen nur ein wenig, teilweise liegt sie aber auch deutlich darüber, vor allem wenn die installierte Pumpleistung auch noch geringer ist als die Generatorleistung (Beispiel Kaprun, Österreich). Wie ist es nun mit den anderen deutschen PSW? Herleiten kann man sich die Zeitverhältnisse, wenn man „Turbinen-Nenndurchfluss“ und „Pumpen-Nennförderstrom“ vergleicht, denn diese sagen aus, welche Wassermengen pro Sekunde hoch- bzw. herunterfließen. Kann man aus dem Pumpen-Nennförderstrom errechnen, wie lange das PSW zum kompletten Füllen des Oberbeckens benötigt? Im Fall von Wendefurth ergibt sich mit errechneten 7,2 h eine deutliche Abweichung zu den angegebenen 10 h – möglicherweise sind hier noch irgendwelche Verlusteffekte einzuberechnen, andererseits stammt die Angabe 10 h auch nur von einer privaten website und kann einfach falsch sein. Von Vattenfall erhielt ich noch die Information, dass man in Goldisthal 10 h benötigt, um das Oberbecken wieder komplett zu füllen – hier würde die Rechnung fehlerlos funktionieren. Aber letztlich muss man die Stundenzahlen auch gar nicht erst ausrechnen, denn es reicht zu wissen, ob der Pumpen-Nennförderstrom geringer ist als der Turbinen-Nenndurchfluss – in dem Fall dauert das Hochpumpen länger als die Phase der Energiegewinnung. Aus den Dokumenten, die ich von Vattenfall erhielt (1,2), ergeben sich für die darin beschriebenen PSW folgende Verhältnisse Turbinen-Nenndurchfluss/Pumpen-Nennförderstrom:

Markersbach: 70/60 (1, Seite 23), Niederwartha: 18/11 (1, S.24), Wendefurth 40/36 (1, S.25), Geesthacht: 40/32 (1, S.26), Hohenwarte 2: 16,1/ 11,1 (2), Goldisthal: 100/80

Das Wiederbefüllen des Oberbeckens ist also in jedem Fall die längere Phase.

Quellen:
(1) Energie aus Wasserkraft – Strom erzeugen nach Bedarf (Vattenfall)
(
2) Pumpspeicher-Kraftwerk-Hohenwarte-II (Vattenfall)

6 Kommentare:

  1. Fein, so ein sorgfältig recherchierter Artikel!

  2. Hm… da der Wirkungsgrad von PSKW zwar ganz gut ist, aber selbstverständlich unter 100 % liegt, ist es logisch, dass es zumindest etwas länger dauert, das Wasser wieder hochzupumpen als die Energie zu entnehmen, wenn man Pumpe und Turbine mit gleicher Leistung betreibt (ich würde vermuten, dass man meist dieselben Maschinen einmal im Generator- und einmal im Pumpmodus betreibt).
    In Niederwartha sind zur Zeit noch zwei Maschinensätze in Betrieb, ich würde tippen, dass man diese getrennt voneinander betreiben kann, man könnte also die Leistung in den Stufen 0, 20 und 40 MW schalten (vielleicht könnte man die Anlage sogar im Umwälzbetrieb fahren, wenn das Oberbecken voll ist, es gibt ja Zeiten mit zuviel Energieangebot und negativen Preisen, man könnte über den Wirkungsgrad Energie vernichten – wird meines Wissens aber in Niederwartha nicht gemacht).
    Aber im Pumpspeicherwerk Goldisthal [1], ein kleines technisches Wunderwerk, kann die Leistung geregelt werden (und dort wird manchmal auch der Umwälzbetrieb genutzt).
    Jedenfalls sind Energiespeicher dringend nötig, in einer unvorstellbaren Dimension, nur bei den Grünen gibt es offenbar überhaupt keinen Sachverstand [2].
    Ansonsten finde ich die Datenlage nicht so schlecht, zu Niederwartha findet man zum Beispiel die Angabe Speichervermögen 560 MWh, bei 40 MW Leistung bedeutet das ungefähr 14 Betrieb, bis leer. Prinzipiell ist Niederwartha heutzutage aber nur noch Spielzeug.

    [1] http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherwerk_Goldisthal
    [2] http://web.archive.org/web/20081208093015/http://www.grueneliga.de/service/archiv/pm260903.htm

  3. @keinschaf2: Nur weil der Wirkungsgrad nur rund 2/3 beträgt, ist es m.E. nicht logisch, dass das Hochpumpen entsprechend länger dauert. Dann müsste es ja 3/2x so lange dauern.

    Das, was Du mit Umwälzbetrieb meinst, gibt es. Das nennt sich Hydraulischer Kurzschluss. Das ist aber nur eine Notlösung, wenn nicht genügend Energie für die Pumpe bereit steht. Denn ansonsten wäre dieser Betrieb der absurdeste, den man sich in einem PSW vorstellen kann: Es wird Wasser im Kreis gepumpt. Das was soeben hochgepumpt wurde, fließt gleich wieder herunter, um im Generator 2/3 der Strommenge zu erzeugen, die gleichzeitig zum Hochpumpen verbraucht wird.

    Der Link auf diesen Text der Grünen Liga ist leider ein trauriges Beispiel für diese Zurechtdreherei von Fakten, damit sich eigentlich positive Dinge* irgendwie gegen die bösen Kohle- und Atomstromproduzenten verwenden lassen.

    (* Wobei man gerade bei PSW eben deutlich sieht, dass hier vieles Ansichtssache ist. Denn dass der Bau zumindest von Goldisthal tatsächlich ein „schwerwiegender Eingriff in Natur und Landschaft“ war, sehe ich genauso. Und dass man PSW auch als „Energiefresser“ bezeichnen könnte, ist zwar eine etwas verdrehte Herangehensweise, aber lässt sich auch nicht ganz wegdiskutieren. Wenn Wind zum Auffüllen eines PSW verwedet würde, dann würde immerhin jede dritte WEA umsonst laufen, wenn man an den resultierenden Wirkungsgrad denkt. Aber insofern könnte man das Argument „Energiefresser“ auf jede Speichertechnologie ganz genauso anwenden, was natürlich irgendwie Blödsinn wäre.)

  4. Der Begriff »Energiefresser« ist ohnehin Blödsinn, denn Energie kann nicht gefressen, sondern nur umgewandelt werden 😉

    Ich wage die Prophezeiung, dass man PSW in naher und mittlerer Zukunft allenfalls sanieren und modernisieren, aber nicht neu bauen wird. Ringwallspeicher und dergleichen wird es erst recht nicht geben. Wenn die Akku-Technik oder die Brennstoffzelle in absehbarer Zukunft weit genug entwickelt sind, wird es vernünftigere Möglichkeiten zum Speichern von Energie geben.

  5. @stefanolix: Ja, bei dem Thema sind einige unsinnige Begriffe im Gebrauch, die wahrscheinlich alle Physiklehrer zur Verzweiflung bringen – z.B. „erneuerbare“ Energien.

    Oder auch in dem heute erschienenen Aufruf vom BUND: „Nur wenn die Energiewende gelingt, können wir schnell aus der Atomkraft aussteigen und erfolgreich Klimaschutz betreiben.“

    Das Eine (Atomausstieg) hat mit dem Anderen (Klimaschutz) absolut gar nichts zu tun! Und das schreibe ich nicht, weil ich vielleicht Atomenergiefan bin, sondern nur, weil ich gern logisch denke.

  6. Es wird immer absurder – nun stellt sich auch noch heraus, dass Ökostrom sogar schädlich ist für den Betrieb von PSW: Die Pumpspeicher nutzten früher nachts billigen Strom, um Wasser nach oben zu pumpen und es bei höheren Preisen zur Mittagszeit aus den Speicherseen abzulassen und damit Strom zu produzieren. „Jetzt lohnt sich das immer weniger, denn Solarstrom kommt zur Mittagszeit ins Netz und drückt die Preise“ (Quelle: „Vattenfall hat Probleme mit Pumpspeicherkraftwerken“)

    „Ausgerechnet die Energiewende hat dazu geführt, dass sich Speicheranlagen kaum noch wirtschaftlich betreiben lassen, ähnlich wie die konventionellen Kraftwerke. Früher nutzten die Betreiber billigen Nachtstrom, um mit der Energie ihre Wasserspeicher vollzupumpen. Am Mittag, wenn der Strompreis hoch war, ließen sie das Wasser ab und setzten ihre Turbinen in Gang. Es war ein gutes Geschäft. Doch inzwischen sind mitunter nachts die Preis hoch und mittags niedrig. Der Betrieb der Anlagen lohnt sich nicht mehr. Vattenfall kündigt an, sein Pumpspeicherkraftwerk im sächsischen Niederwartha in drei Jahren zu schließen. Eine notwendige Sanierung wäre zu teuer.“ Quelle: Spiegel Nr.41 2012, „Merkels Blackout“, S. 28/29 Printausgabe)

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