Pumpspeicher: Innovative Konzepte für eine erprobte Technik. Dr. Klaus Krüger, Voith Hydro Holding GmbH & Co. KG Berlin

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1 Pumpspeicher: Innovative Konzepte für eine erprobte Technik Dr. Klaus Krüger, Voith Hydro Holding GmbH & Co. KG Berlin

2 Wie funktioniert ein Pumpspeicherkraftwerk? PSW speichern Strom in Form von Lageenergie 2

3 Was zeichnet Pumpspeicherkraftwerke aus? Pumpspeicher (PSW) sind seit 100 Jahren technisch bewährt Langlebig und extrem zyklenfest: Jahre mit Auslegungen > Ladezyklen Hoher Wirkungsgrad von 78% - 82% und geringe Speicherenergiekosten Aus diesen Gründen und wegen ihrer Flexibilität sowie Schwarzstartfähigkeit sind PSW weltweit praktisch unverzichtbarer Bestandsteil aller Stromversorgungssysteme 99 % der weltweiten Stromspeicherkapazität wird durch Pumpspeicherung bereitgestellt (142 GW) PSW helfen die steigenden Flexibilitätsanforderungen in Deutschland zu erfüllen Voith-IAEW & Argonne Studien haben PSW als Haupt- Flexibilitätsoption genau untersucht 3

4 Neue Pumpspeichertechnologien A) Drehzahlvariable reversible Pumpturbine, zwei Drehrichtungen Converter B) Ternärer Satz: separate Turbine und Pumpe, Anfahrwandler zwischen Motorgenerator und Pumpe, eine Drehrichtung MG Investitionen Umschaltzeiten P T P Hydraulischer Kurzschluss Hohe Fallhöhen T MG Investitionen Umschaltzeiten P T P Hydraulischer Kurzschluss Hohe Fallhöhen PT P Zusätzliche Flexibilisierung der Maschinen für Drehzahlvariabilität heute durch Leistungselektronik (Converter / Umrichter) möglich 4

5 Vergleich der Betriebsübergangszeiten A) reversible Pumpturbine B) ternärer Satz (Pelton + Wandler) reversible PT: Start in Luft Betriebsart 1 Stillstand TU - Betrieb 90 s 60 s 2 Stillstand PU - Betrieb 340 s 120 s 3 Stillstand PS - Betrieb 120 s 60 s 4 TU - Betrieb PS - Betrieb 80 s 20 s 5 PS - Betrieb TU - Betrieb 70 s 20 s 6 PS - Betrieb PU - Betrieb 70 s 30 s 7 PU - Betrieb PS - Betrieb 140 s 30 s 8 TU - Betrieb PU - Betrieb 420 s 30 s 9 PU - Betrieb TU - Betrieb 190 s 30 s 10 TU - Betrieb Stillstand 200 s 110 s 11 PU - Betrieb Stillstand 160 s 50 s 12 PS - Betrieb Stillstand 200 s 100 s MG A PT P MG B T St n = 0% P = 0% 12 3 PS n = 100% P 0% TU P = 100% 9 8 PU P = -100% St: Stillstand (Laufrad ist mit Wasser gefüllt) PS: Phasenschieberbetrieb mit ausgeblasene PT PU: Pumpbetrieb Volllast TU: Turbinenbetrieb Volllast 5

6 neg. Ausgleichenergie Pumpbetrieb ( MW) pos. Ausgleichenergie Turbinenbetrieb ( MW) 9 Tage Lastgang 2012 des Pumpspeicherkomplexes Lünersee im Auftrag der TransNet BW Mit Batterien oder DSM (Demand Side Management) Lastmittelwerte über 15 Minuten lassen sich diese häufigen und kurzen Zyklen praktisch nicht abbilden PSW ist die einzige ausgereifte Technologie für einen hochzyklischen und hochdynamischen Ausgleichsbetrieb zur Systemstabilisierung Erreichbar mit Demand Side Management??? EE Abregeln? Aufgrund weltweiter Nachfrage wird die PSW Technologie weiterentwickelt Vorarlbeger Illwerke EG in Österreich Pumpspeicherkomplex: Werksgruppe Obere Ill Lünersee: Obervermuntwerk (29 MW), Obervermuntwerk II (360 MW) im Bau Vermuntwerk (156 MW) Kopswerk I (247 MW) Kopswerk II (525 MW) Lünerseewerk (232 MW), Rodundwerk I (198 MW), Rodundwerk II (276 MW) Quelle Peter Matt, Vorarlberger Illwerke AG: Defining the Role of Hydropower in the European Energy Mix. Conference paper during the Hydropower Development, Porto, 17th-18th September

7 VOITH-IAEW Studie Wie können Speicher zur Energiewende beitragen Basiert auf dem IAEW *) Kraftwerksmodell und der IAEW Kraftwerkseinsatzplanung sowie der ETG Studie 2012 **) bei Betrachtung von Deutschland als Insel Es wurden dabei folgende Szenarien betrachtet: 2030 mit einem 60 % - Anteil von EE in der Erzeugung 2050 mit einem 80 % - Anteil von EE in der Erzeugung Bewertung der Pumpspeicher als Multifunktionskraftwerke : Kurzzeitspeicher, Gesicherte Leistung, Portfolioeffekt mit thermischen Kraftwerken und erneuerbaren Energien Flexibilität (Ausgleich, Regelung, Versorgungsqualität) nicht vollumfänglich berücksichtigt (Prognosefehler fehlt) *) Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft, Prof. Moser, RWTH Aachen **) ETG, Energiespeicher für die Energiewende, Studie des VDE ev, Frankfurt am Main,

8 Versorgungssicherheit Beitrag zur gesicherten Leistung durch PSW Energiebedarf zur Bereitstellung sicherer Leistung E [GWh] PSW können sichere Leistung zur Verfügung stellen. Die Bereitstellung sicherer Leistung aus allen PSW steigt 2030 auf 13 GW 2050 auf 16,6 GW 0 sichere Leistung P [GW] 20 EE Energie 40% 40 % EE Energie 60% 60% EE Energie 80% 80 % und vermeidet den Zubau einer fossil vorzuhaltenden KW-Reserve um die gleichen Werte! Deutschland heute, 7 GW Leistung & 40 GWh 7 GW gesicherte Leistung aus PSW 2030, PSW-Zubau von 8 GW Leistung & 96 GWh 13 GW gesicherte Leistung aus PSW 2050, PSW-Zubau von 16 GW Leistung & 152 GWh 16,6 GW gesicherte Leistung aus PSW 8

9 Wochenlastgang 2050 (80% EE mit und ohne PSW) ohne PSW Abregeln von EE MO DI MI DO FR SA SO mit PSW Einspeichern EE Reduktion der Abregelung Ausspeichern EE Reduktion Spitzenlast Thermisch Einspeichern Abregeln Glättung MO DI MI DO FR SA SO Erneuerbare Ausspeichern Last PSW reduzieren Brennstoffverbrauch sowie die Beanspruchung thermischer KW durch Starts und Gradienten Präsentationstitel Ort oder Vortragender YYYY-MM-DD Schutzklasse 0-3 9

10 Hauptergebnisse der Studie für das 80% - Szenario (2050) 23 GW Pumpspeicherkraftwerke mit einem Speichervolumen von 152 GWh ersetzen bis zu 16 GW an Gaskraftwerken 64,5 % der Überschüsse aus der EE Erzeugung werden von der Pumpspeicherflotte aufgenommen (17,6 TWh EE) Reduzierung der CO 2 -Emissionen um 2 Mio. Tonnen pro Jahr durch das Recyceln von nicht-abgeregeltem EE-Strom Die gesamte Pumpspeicherflotte ist sehr gut ausgelastet und reduziert die Stromerzeugungskosten PSW-Zubau muss flexible Lösungen vorsehen, also drehzahlvariable Pumpturbinen und ternäre Sätze, die den hydraulischen Kurzschluss beherrschen 10

11 U.S: Department of Energy: Bewertung neuer Pumpspeicher in den USA Wesentliche Ziele: Verbesserte Modellierung neuer Pumpspeichertechnologien Quantifizierung der Fähigkeit neuer Pumpspeicher Systemdienstleistungen bereitzustellen (drehzahlvariable Pumpturbinen & ternärer Sätze) Bewertung des Nutzens von Pumpspeichern DOE Projekt Team Arbeitsgruppe Beratung Verbesserte Modellierung Technische Modellierung Kosten/Nutzen Simulation Marktanalyse Simulation Webseite: 11

12 Bewertung neuer Pumpspeicher in den USA: Betrachtete Szenarien Geografisch Western Interconnection (WECC): California Sacramento Municipality Utility District (SMUD)... Zeitlich Szenarien für 2022 Stündlich für ein ganzes Jahr Stündlich und 5 Minuten für Betrachtungen zum dynamischen Verhalten Technisch Pumpspeicherkapazität inkl. Zubau bei 3% Erzeugungskapazität (ca. 3,3 GW Bestand, 3,2 GW Zubau) Knoten, Energieberdarf Strom: 990 TWh, Spitzenlast 170 GW 6 Szenarien: (14% EE (Basis), 33% EE (viel Wind)) x (Ohne PSW, nur PSW Bestand, Bestand + Zubau) 12

13 Bewertung neuer Pumpspeicher in den USA: Reduktion der variablen Stromgestehungskosten Reduktion variabler Stromgestehungskosten 9 8 [%] Basis viel Wind Basis viel Wind Bestand Western Interconnection Zubau Kalifornien 50 [%] Reduktion Abregeln von EE (WI) Basis viel Wind Basis viel Wind Bestand Zubau Bestehende Pumpspeicher sind für niedrige Stromgestehungskosten wichtig Ein Ausbau von Pumpspeichern reduziert variable Stromgestehungskosten der thermischen KW Im Szenario viel Wind rechnet sich der Ausbau (480 Mio. $/a Ersparnis finanzieren 6,5 GW PSW Bestand + Zubau) Pumpspeicher verhindern Abregeln von EE 13

14 Pumpspeicherkraftwerke und Umweltschutz Pumpspeicher leisten einen wesentlichen Flexibilitätsbeitrag zur Energiewende Ein wesentliches PSW-Merkmal ist die Entkopplung von Erzeugung und Verbrauch Aber: Großprojekte haben in D teilweise den Ruf von Pumpspeicherkraftwerken beschädigt Pumpspeicher gelten (unberechtigterweise) nicht überall als umweltfreundlich und nachhaltig Neue Konzeptideen adressieren die Sorgen der Bevölkerung 14

15 Nabenhöhe: 178m Gaildorf: Pilotprojekt eines umweltfreundlichen Windenergiespeichers 132 m Kombination von: a) Windenergie (= Stromerzeugung) + b) Pumpspeicher (= Stromspeicher) + c) Umweltschutz durch: Teilintegration der Oberbecken in den Sockeln der Hybridwindtürme, Unterbecken ist eine vorhandene Flutmulde am Kocher, Minimierung von Eingriffen in die Naturräume 15

16 Lageplan und technische Daten Leistung der Windgeneratoren: 4 x 5 MW = 20 MW Integriertes Wasservolumen: m 3 Gesamtleistung der drehzahlvariablen Pumpturbinen 16 MW (3 x 5,3 MW) Nettofallhöhe: 200 m elektrische Speicherkapazität: 70 MWh Die CO 2 Emissionen sind gleich Null (Windkraft & Pumpspeicher erzeugen keine Emissionen) Erzeugt nahezu den gesamten Jahresstromverbrauch der Stadt Gaildorf (ca Einwohner) Einsparung von ca Tonnen Steinkohle oder Tonnen Braunkohle 16

17 Konzeption Naturstromspeicher Standardisierte Pumpspeicherkraftwerke (16 / 24 / 32 MW) Integration der Oberbecken in die Bauwerke der Windkraftanlagen reduziert den Eingriff in die Naturräume wesentlich, daraus ergeben sich einfachere Genehmigungsverfahren Kürzere Projektumsetzungszeit: 3-5 Jahre gegenüber Jahren wie für große Pumpspeicherkraftwerke Projektsynergie mit einem Windpark (Umspannwerk, Zuwegung, Projektierung, Grundstücke, Betriebsführung, Projektvolumen) Zertifiziertes bankable Kraftwerkskonzept als Zielstellung 17

18 Fazit Portfolioeffekt unterstreicht die Wirksamkeit von Pumpspeichern als Multifunktionskraftwerke: Kurzzeitspeicher Beitrag zur gesicherten Leistung Flexibilität: Laständerungsgeschwindigkeit, Regelreserve und Ausgleich von Prognosefehlern Entlastung thermischer Kraftwerke (Laständerungsgeschwindigkeit, Starts) Nachhaltige Technologie, die sich durch hohe Zyklenfestigkeit und lange Lebensdauer auszeichnet Neue Produktentwicklungen adressieren steigende Flexibilitätsanforderungen Neue umweltfreundliche Einsatzkonzepte eröffnen neue Opportunitäten am Standort D Pumpspeicher sind die umweltfreundlichsten und günstigsten Stromspeicher für die Energiewende 18

19 Kontakt: Dr. Klaus Krüger Leiter F&E Grundlagenentwicklung, Voith Hydro Holding Tel