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Thermische Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke sind das robuste Nonplusultra für ausgeglichene und stabile elektrische Energiesysteme, denn sie stellen nicht nur auf Knopfdruck Energie bereit und regeln Schwankungen im elektrischen Netz aus, ...

.... sondern sorgen auch für die wichtige Netzstützung. Unterirdische Pumpspeicherkraftwerke werden zum vielversprechenden Ansatz für die Bewältigung verschiedener Herausforderungen des ökologischen Zeitalters und ermöglichen zudem topographieunabhängige und vollkommen neue, multifunktionale Anlagenkonzepte. Thermische Pumpspeicherkraftwerke, als elektrisch und thermisch vereinte Energiespeicher, bilden die innovative technologische Evolution für eine universelle und ressourceneffiziente En­ergie­­­­­versorgung. Im vorliegenden Artikel wird ein Überblick des aktuellen Forschungsstands über unterirdische Pumpspeicherkraftwerke am Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft an der Technischen Universität Graz gegeben, wobei der Fokus auf die neu entwickelte, duale Energiespeicherung gelegt wird.

Seit über 100 Jahren sind Pumpspeicherkraftwerke unabdingbares und zuverlässiges Rückgrat des elektrischen Energiesystems. Aufbauend auf dem bewährten Prinzip der hydroelektrischen Potenzialspeicherung werden Pumpspeicherkraftwerke stets an die veränderlichen Bedürfnisse der Elektrizitätswirtschaft angepasst, wodurch sie mit hochflexiblen Betriebsweisen auch den Herausforderungen einer zusehends erneuerbar basierten, intermittierenden Primärenergieerzeugung gerecht werden. Mit der notwendigen Ökologisierung und De­­­­­­karbonisierung der Energiewirtschaft, der Industrie und des Transportsektors steigt zudem der Bedarf an jederzeit abrufbarer Kraftwerksleistung und effizient gespeicherter elektrischer Energie. Am thermischen Sektor sind Energiespeicher von ebenso zentraler Bedeutung, um den klima- und umweltgerechten Energieumbau zu ermöglichen. Unter anderem sind großtechnische saisonale Wärmespeicher die forcierte Technologie für die bedarfsgerechte Fernwärmeversorgung von urbanen Gebieten und Städten. Aufgrund idealer thermischer Eigenschaften des Wassers spielt auch hier der natürliche Energieträger eine tragende Rolle. Hocheffizient ist die seit Jahrzehnten erprobte Heißwasser-Wärmespeicherung in großvolumigen, unausgekleideten Felskavernen mit saisonalen Wirkungsgraden von über 90 Prozent. Es ist naheliegend, die Vorteile beider etablierter hydraulischer Energiespeichertechnologien durch die energetische Doppelnutzung des Wassers in sogenannten thermischen Pumpspeicherkraftwerken zu vereinen. Zusammen mit physikalischer Vernetzung von elektrischer und thermischer Energieinfrastruktur erlaubt diese technologische Errungenschaft die sektorenübergreifende Kopplung von verschiedenen erneuerbaren Primärenergieerzeugern mit diversen Energieabnehmern zur nachhaltigen und gesamtintegrativen Energieversorgung.

Untertägige Pumpspeicherkraftwerke
Zentrales Fundament der entwickelten Kombination ist die vollkommen unterirdische Errichtung von Pumpspeicherkraftwerksanlagen mit geschlossenem Wasserkreislauf. Die Unabhängigkeit gegenüber topographischen und geographischen Gegebenheiten ermöglicht nicht nur die standortvariable Errichtung in vorab erkundeten, geeigneten geologischen Gebieten in Tallagen bzw. in der peripheren Umgebung von Ballungsräumen und Städten, sondern erleichtert auch die Erschließung und die Logistik für den Bau und den Betrieb. Die Nähe zu vorhandenen Energienetzen und Energieinfrastruktur stellt eine einfache und wirtschaftliche Eingliederung in das Bestandssystem sicher, wobei unter Umständen eine direkte Integration ins Niederspannungsnetz eine Option darstellt. Die übereinanderliegende, unterirdische Anordnung der oberen und unteren Speicherbauwerke erlaubt eine kompakte Ausführung der Pumpspeicheranlage mit einem, primär auf den Druckschacht als direkte vertikale Verbindung reduziertem Triebwassersystem. Die kurze Lotschachtverbindung zwischen Speicherkavernen und Maschinenkaverne, sowie große, bei unterschiedlichen Stauspiegellagen auch wenig veränderliche Fallhöhen vermindern zudem sämtliche Beschleunigungsvorgänge des Betriebsdurchflusses drastisch, wodurch kurze hydraulische Anlaufzeiten die Regelfähigkeit stark begünstigen und sich auch die dynamischen Kräfte auf die Maschinensätze vermindern. Mit der Realisierung von sehr großen, und von topographischen Gegebenheiten unabhängigen Potenzialdifferenzen können sowohl auszubrechende Hohlraumvolumina, als auch die Dimensionen der Triebwasserführung, sowie die der Maschinen für festgelegte Speicherkapazitäten bzw. installierte Kraftwerksleistungen signifikant vermindert werden. Dadurch werden Investitionen und die Wirtschaftlichkeit von Projekten optimierbar und gezielt steuerbar. Die optionale zwei- gegebenenfalls auch mehrstufige Ausführung ermöglicht außerdem die nahezu uneingeschränkte Skalierbarkeit von Pumpspeicherkraftwerken in die Tiefe, sodass mit der nun zusätzlichen seriellen Stufenaufteilung, neben der üblichen Parallelschaltung von Maschinensätzen in den Kraftstationen, auch erhöhte flexible Betriebsweisen der Gesamtanlage einhergehen.
Außerdem wird maximale Umwelt- und Naturverträglichkeit über den gesamten Lebenszyklus gewährleistet. Wertvolle oberirdische Flächen und Naturräume bleiben unberührt, mit dem künstlich geschaffenen Wasserkörper wird nicht in den natürlichen Wasserhaushalt sowohl von Grund- als auch Oberflächenwässern eingegriffen, noch spielen Schwall- und Sunkerscheinungen oder Auswirkungen von Thermopeaking als gewässerökologische Beeinträchtigungen eine Rolle. Der geschlossene, von natürlichen Gewässern und der obertägigen Biosphäre entkoppelte unterirdische Wasserkreislauf schließt den Sedimenteintrag, Verlandungen und Verdunstungsverluste vollkommen aus und sichert gleichbleibenden Speicherinhalt, sowie uneingeschränkten Betrieb über die gesamte Lebensdauer. Der Kraftwerksbetrieb ist außerdem frei von Emissionen jeglicher Art.

Thermische Pumpspeicherkraftwerke
Basierend auf der unterirdischen Errichtung werden die energetisch hybrid genutzten Pumpspeicherkraftwerke für bis zu 90 °C ­heiße Wassertemperaturen technisch und ­hydraulisch ausgelegt, denn die gegenüber konventioneller Ausführung von Wasser­kraftanlagen hohen Betriebstemperaturen des Fluids bedingen mechanische Beanspruchungen beziehungsweise physikalisch veränderte Wassereigenschaften. Das hohe Temperaturniveau wird mit der Vernetzung von verschiedenen Wärmequellen über Fernwärmeübertragungsleitungen und der effizienten Wärme­­­pumpentechnologie erreicht, wobei Ein- und Ausspeichervorgänge thermischer Energie mit Wärmetauschern beziehungsweise Sekundärsystemen erfolgen. Die umgebenden Gebirgsbereiche der heißwasserbeaufschlagten Bauwerke sind nicht nur natürliche Wärmedämmung und schützen vor äußeren Einflüssen, sondern sind auch zusätzliche und beachtliche wärmespeichernde Massen. Der Luftdruckausgleichsschacht stellt konstanten Luftdruck im Speicherkavernensystem unabhängig von den Staupegeln sicher und das geschlossene Luftsystem verhindert Wärme- und Verduns­tungsverluste an die Umwelt. Der Luftstrom ausgleichender Luftmassen zwischen den Speichern kann mit einer bidirektional anströmbaren Luftturbine zur additionalen Energiegewinnung genutzt werden. Untertägige Heißwasser-Pumpspeicherkraftwerke mit geschlossenem Wasserkreislauf ermöglichen darüber hinaus die energetische Nutzung von hydraulischen Strömungsverlusten des Kraftwerkbetriebs. Denn die größtenteils in Wärme resultierenden Reibungsverluste werden ohne weitere Bet­­­­­­­­riebsein-i richtungen verlustfrei direkt für die thermische Energiespeicherung verwertbar, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Heißwasser­-Pumpspeichers auf über 98 Prozent in Bezug auf die elektrische Energie gesteigert werden kann.  Die Wärmespeicherung erfolgt aber nicht nur im Wasserkörper und in den umgebenden Gebirgsbereichen der Speicherkavernen, sondern auch im verbleibenden Hohlraumvolumen des Speicherkavernensystems. Vergleichsweise geringe Mengen hoch­temperier-i ten Wassers werden dazu aus dem Pumpspeichersystem entnommen, um daraus mit ­energieeffizienten Technologien, insbesondere Hochtemperatur-Wärmepumpen, Wasserdampf zu erzeugen, der anschließend im Hohlraumvolumen der unterirdischen Speicherbauwerke, unabhängig von den anderen Energiespeichermöglichkeiten, vorgehalten wird. Aufgrund des energieintensiven Phasenüberganges können beträchtliche thermische Energiemengen in der Gasphase des Wassers gespeichert werden, die über einen eigenen geschlossenen Kreislauf sowohl für Industrieprozesse als auch für das regenerative Beheizen von Gewächshäusern zur lokalen, jahreszeitlich unabhängigen Nahrungsmittelpro-i duktion eingesetzt werden können. Rückläufiges Kondensat kann für weitere Heizzwecke verwendet werden, bevor es letztlich wieder dem Pumpspeichersystem zugeführt wird.
In untertägigen Kaltwasser-Pumpspeicherkraftwerken, dem Pendant zur Heißwasser-Innovation, wird der Wasserkörper, nun umgekehrt, mit Kältemaschinen auf etwa 0 °C gekühlt. Über Fernkälteübertragungsleitungen kann in entsprechenden Regionen großtechnisch Kälte u.a. zur Raumkühlung bereitgestellt werden. Die Kombination von Pumpspeichern mit Wärme- und Kältespeichersystemen ermöglicht eine flexible Anpassung an die jeweiligen geographischen und versorgungstechnischen Bedürfnisse.

Wirtschaftlichkeit
Unterirdisch errichtete Pumpspeicherkraftwerke weisen bei hochwertiger Auslegung, regelmäßiger Wartung und konsequenten Instandhaltungsarbeiten technisch unbegrenzte Lebensdauern auf. Sie sind beständige Vermögenswerte eines sich stets wandelnden Energiesystems mit steigendem Energiebedarf. Untersuchungen zeigen, dass neue und vollständig unter Tage projektierte Pumpspeicherkraftwerksanlagen nicht nur sehr kosteneffizient realisiert werden können, sondern auch wirtschaftlicher sind als die konventionelle Alternative mit oberirdischen Speichern (Bild 2). Ausschlaggebend dafür ist, dass bei vorgegebenen Investitionsvolumina durch adaptierbare und sehr große Fallhöhen gezielt wirtschaftlich maßgeschneiderte Anlagenkonzepte ausgeführt werden können. Eine besonders ökonomische Option bietet zudem das unterirdische Pumpspeicher-Upgrade von bestehenden, obertägigen Speichern durch tiefliegende Speicherkavernen, um eine signifikante Erhöhung des Energieinhalts herbeizuführen und gleichzeitig bereits vorhandene Speicherpotenziale effizient zu erschließen. Die neuen, multienergetischen Pumpspeicherkraftwerke erfahren durch die innovative Kombination mit thermischer Energiespeicherung bei nahezu unverändertem Ressourcenverbrauch gegenüber klassischen Pumpspeicherkraftwerken durch den signifikant gesteigerten Energieumsatz einen bedeutenden gesamtökonomischen Wertzuwachs, der nicht nur in markant reduzierten arbeitsspezifischen Investitionskosten resultiert (Bild 2).

Fazit und Ausblick
Für die unabdingbare und schnellstmögliche Umstellung aller energiezehrenden Sektoren auf effiziente Nutzung erneuerbarer Primärenergieträger sind Energiespeicher unerlässliche Schlüsseltechnologie. Die entwickelte, großtechnische und umweltfreundliche Speichertechnologie ermöglicht durch die interdisziplinäre Vereinigung Synergien durch die gesamtsystematische Interoperabilität des Energiesystems wirtschaftlich und effizient nutzbar zu machen. Mit der Vereinigung etablierter und verfügbarer Technologien können nicht nur neue ökonomische Potenziale erschlossen werden, sondern regenerative Energien für verschiedenste Anwendungszwecke und Energiesektoren höchst effizient aus einem fusionierten hydraulischen Energiespeicher zur Verfügung gestellt werden.

Referenzen
•Pikl, F. G. (2017). Kombination der Pumpspeichertechnologie mit thermischer Energiespeicherung. Masterarbeit. Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, Technische Universität Graz.
•Pikl, F. G. et al. (2019). Großtechnische, wirtschaftliche und effiziente untertägige Energiespeicher. Geomechanics and Tunnelling 12 (2019), No. 3, S. 251 - 269.


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