WASSER ALS ENERGIESPEICHER

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1 WASSER ALS ENERGIESPEICHER Dipl.-Ing. Wolfgang Strasser Ingenieurbüro Alwin Eppler GmbH & Co. KG Gartenstraße 9, Dornstetten Tel , Fax Univ. Prof. em. Dr.-Ing. Hans-Burkhard Horlacher Hirschlanderstraße 36, Ditzingen Tel , Fax Wasserkraft im Zeichen der Energiewende Durch die Energiewende sind politische Vorgaben beschlossen worden, die das gesamte deutsche Energieversorgungssystem vor große Herausforderungen stellt. Die Ziele sind: Ausstieg aus der Kernenergie bis zum Jahr 2022, Reduktion des CO 2 -Ausstoßes bis zum Jahr 2050 um 80%, Steigerung der erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2050 an der Stromerzeugung auf 80% (am Bruttoenergieverbrauch auf 60%) und Reduzierung des Energiebedarfs je nach Sektor zwischen 25% und 80%. Die erneuerbaren Energieträger haben 2012 in der BRD mit 21,9% (1,6% mehr als 2011) zur Brutto-Stromerzeugung beigetragen. Die Stromerzeugung aus Windkraft hatte hieran einen Anteil von 7,3%, aus Biomasse von 6,6%, aus Fotovoltaik von 4,6 % und aus Wasserkraft von 4%. Durch die verstärkte Nutzung der regenerativen Energien mit volatilem Charakter, Wind und Fotovoltaik ist die Netzstabilität, d. h. ein Gleichgewicht zwischen Einspeisung und Last durch entsprechenden Einsatz von konventionellen Kraftwerken und durch Zwangsabschaltungen von erneuerbaren Energieanlagen nach EnWG 13.2 schon heute im verstärkten Maß zu gewährleisten, um einen Netzausfall zu verhindern. Die Energiewende hat durch die Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung u. a. folgende Konsequenzen: Flexibilisierung bestehender thermischen Kraftwerke sowie deren Neubau und die Bereitstellung weiterer Kurz- und Langzeitenergiespeicher. Neuere Speichermöglichkeiten, wie Batterien, Wasserstofferzeugung und -speicherung (Power to Gas) oder adiabatische Druckluftspeicher werden z. Z. in-

2 tensiv erforscht. Pumpspeicherkraftwerke sind derzeit die einzige, lang erprobte (sichere) Technologie, um große Mengen von elektrischer Energie zu speichern. Der verstärkte Einsatz von erneuerbaren Energiequellen hat einen deutlichen Einfluss auf die Lastabdeckung eines Netzes. So werden Tagesspitzen durch PV- Anlagen mit garantierter Vergütung häufig kompensiert, es kann sogar zu einem Stromüberschuss kommen. Diese Tendenzen werden zukünftig noch zunehmen. Die Folge davon ist, dass sich der ursprünglich bekannte Unterschied zwischen den Strompreisen von Grund- und Spitzenstrom merklich verringert hat. Dadurch ist die Wirtschaftlichkeit von neuen thermischen Kraftwerken und Pumpspeicherkraftwerken nicht mehr gegeben. Das in Talsperren gespeicherte Wasser wird häufig auch zur Energiegewinnung genutzt. Vielfach werden mit Talsperren mehrere Zwecke erfüllt, z. B. Trinkwasserdeckung, Niedrigwassererhöhung, Hochwasserschutz, Freizeitanlagen und Energiegewinnung. Um alle Nutzen konfliktfrei zu bedienen, ist neben einer Priorisierung ein optimiertes Betriebskonzept erforderlich. In dem Beitrag wird auf die Energiegewinnung aus der Trinkwassertalsperre Kleine Kinzig näher eingegangen und dargelegt, wie diese weiter optimiert werden kann. Bei der Wasserkraftanlage an der Talsperre Kleine Kinzig handelt es sich um eine im Sinne des Anwenderforums kleine Anlage. Diese ist aber für die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage von großer Bedeutung. Durch die Energiewende werden die Strompreise weiter steigen. Unternehmen, die die Möglichkeit haben, Strom aus Wasserkraft zu erzeugen, sind bestrebt, dies bestmöglich auszunutzen. Die Autoren wollen dies beispielhaft für die Trinkwassertalsperre Kleine Kinzig darstellen. 2. Fallbeispiel Trinkwassertalsperre Kleine Kinzig 2.1 Beschreibung der Anlage Bereits bei der Planung des Wasserwerks Kleine Kinzig im Schwarzwald, die bis heute einzige Trinkwassertalsperre in Baden-Württemberg, wurde die Ausnutzung des vorhandenen Wasserkraftpotentials mit berücksichtigt. Der Bau der Trinkwassertalsperre erfolgte in den Jahren 1978 bis 1982.

3 Seit Inbetriebnahme vor 30 Jahren erfüllt die Trinkwassertalsperre Kleine Kinzig wie viele Talsperren mehrere Aufgaben. Neben dem eigentlichen Zweck der Bevorratung von Rohwasser zur Trinkwasserversorgung, die eindeutige Priorität hat, dient sie dem Hochwasserschutz und der Stromerzeugung. Abb. 1: Blick auf die Trinkwassertalsperre Kleine Kinzig Das aus der Talsperre entnommene Wasser wird in zwei voneinander getrennten Rohrleitungen durch den Entnahmestollen und das Verteilerbauwerk der Turbine T1 (Trinkwasserturbine) sowie der Turbine T2 zugeleitet. 1 Entnahmeturm 3 Vorreinigungsstufe 5 Tosbecken 2 Damm 4 Turbinenanlage 6 Entspannungstulpe Wasserwerk A Speicherraum zur Trinkwasser- und Energiewasserentnahme B Speicherraum zur Trinkwasserentnahme Abb. 2: Schema der Wasserentnahme

4 Von der Turbine T1 fließt das Wasser zum Entspannungsbecken im Wasserwerk. Der Durchfluss dieser Turbine beträgt im Regeljahr an ca. 11 Monaten 300 l/s sowie in 1 Monat ca. 450 l/s. Die durch die Turbinen abzuarbeitende Fallhöhe ist vom Wasserstand in der Talsperre abhängig. Der Wasserspiegel im Entspannungsbecken bleibt nahezu konstant auf einer Höhe von 546 m ü. NN. Von der Turbine T2 erfolgt der Abfluss über das Tosbecken in die Kleine Kinzig. Die Beaufschlagung liegt über das Jahr im Mittel zwischen 380 und 400 l/s. In Zeiten eines großen Wasserdargebots und bei Wasserständen in der Talsperre über 601 m ü. NN wird die Turbine mit bis zu 650 l/s beaufschlagt. Die Kenndaten der beiden Turbinen sind: Turbine 1: max. Durchfluss 500 l/s Drehzahl 1000 U/min Leistung 200 kw Turbine 2: max. Durchfluss 700 l/s Drehzahl 1000 U/min Leistung 360 kw 2.2 Speicherbewirtschaftung In der Abbildung 3 sind die Speicherkennlinien der Trinkwassertalsperre Kleine Kinzig dargestellt. Hieraus sind die verschiedenen Speicherräume erkennbar. Abb. 3: Speicherkennlinien der Trinkwassertalsperre Kleine Kinzig Das Speicherbewirtschaftungskonzept wurde im Jahr 1991 von Prof. Giesecke und Prof. Horlacher, TU Stuttgart, für verschiedene Entnahmeszenarien entwickelt (s. Abb. 4)

5 Abb. 4: Bewirtschaftungskennlinien der Trinkwassertalsperre Kleine Kinzig Die tatsächliche Entwicklung der jährlichen Trinkwasserabgabemengen hat sich jedoch langsamer entwickelt als damals prognostiziert. Man ging davon aus, dass die jährlichen Entnahmemengen von ca. 6 Mio. m³/a (1990) deutlich zunehmen würden. Der von Anfang an richtige Ansatz, möglichst viel Strom zu erzeugen, hat sich in diesem Zusammenhang bisher bewährt. In den letzten Jahren betrug die mittlere jährliche Trinkwasserabgabe 5,1 Mio. m³, d. h. ca. 80% des bewirtschaftbaren Speicherinhalts kann für eine gezielte Wasserkraftnutzung verwendet werden. Durch die sinkenden Wasserverkaufszahlen auf der einen Seite und durch die Energiewende auf der anderen Seite gibt es heute jedoch neue Möglichkeiten, ohne Verlassen einer sicheren Trinkwasserversorgung wesentlich mehr regenerativen Strom zu erzeugen. Durch eine optimierte Bewirtschaftungsstrategie kann die Wasserkraftnutzung erhöht werden. 2.3 Energiebilanz des Wasserwerks kwh Regenerative Energieerzeugung - Wasserwerk und Außenstationen Gesamt : davon im Wasserwerk: kwh Wasserwerk kwh HB Winterhalde HB Hirschkopf in den Außenstationen: kwh HB Hofberg HB Hausach PW Haslach HB Brunnenteich Abb. 5 WKK Energieerzeugung aus Wasserkraft (Wasserwerk und Hochbehälter)

6 Gesamtenergieverbrauch im WW kwh davon für Wasserförderung kwh Wasserförderung m³ Regenerative Energieerzeugung Wasserwerk kwh Außenstationen kwh Gesamt kwh Tabelle 1: Energiebilanz mittleres Jahr In Tabelle 1 ist für ein typisches Jahr der Gesamtenergieverbrauch im Wasserwerk mit dem mit Abstand größten Anteil für die Wasserförderung dargestellt. Es wird deutlich, dass die Turbinen im Wasserwerk ca. 2 Mio. kwh/a, die Turbinen in den Außenstationen (meist rückwärts laufende Pumpen) ca kwh/a erzeugen. Damit wird gut die Hälfte des gesamten Energiebedarfs mit Wasserkraft gedeckt. 3. Optimierungsmöglichkeiten zur Stromerzeugung Durch Umbauten im Wasserwerk, insbesondere durch den Bau der Vorreinigung, haben sich die ursprünglichen Betriebspunkte der Turbinen verschoben. Wie deutlich aus Abb. 6 zu erkennen ist, läuft die Turbine T1 jetzt nicht mehr in den optimalen Betriebspunkten. Abb. 6: Ursprüngliche Betriebspunkte Betriebspunkte nach Bau der Vorreinigung

7 Derzeit stagniert der Wasserverbrauch bei ca. 5 Mio. m³/a, sodass hierfür in einem neuen Bewirtschaftungskonzept eine Optimierung zu entwickeln ist, um möglichst bei gutem Wirkungsgrad der Turbinen viel regenativen Strom zu erzeugen und dabei den Wasserspeicher hochzuhalten. Es liegen nun Daten von nahezu 30 Betriebsjahren vor, die für eine Überarbeitung der ursprünglichen Bewirtschaftungsstrategie herangezogen werden können. Im Auftrag des Zweckverbandes Kleine Kinzig wird von den Autoren dieses Beitrags eine neue Betriebsführung unter Beachtung langjähriger Zufluss- und Entnahmeganglinien mit dem Ziel entwickelt, die Stromgewinnung aus Wasserkraft zu optimieren. Bei diesen Überlegungen wird auch die Anordnung weiterer Turbinen bzw. die Modernisierung der vorhandenen Turbinen untersucht. Die ersten Ergebnisse dieser Untersuchungen werden beim Vortrag im September 2013 vorgestellt. Schrifttum: Eppler, A.: Die Talsperre Kleine Kinzig Verlag Eppe GmbH Aulendorf/Bergatreute, 2004 Giesecke, J.; Horlacher, H.-B.: Speicheranalyse für die Trinkwassertalsperre Kleine Kinzig, 1991, unveröffentlicht