Pumpspeichertechnologie kombiniert mit thermischer Energiespeicherung

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1 Pumpspeichertechnologie kombiniert mit thermischer Energiespeicherung Kraftwerks- und Druckstollenkonzept Franz Georg Pikl Technische Universität Graz Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft Salzburg, 13. Oktober 2017

2 Inhalt Aktuelle Situation und zukünftige Herausforderungen der Energiebereitstellung Projektvorstellung Potentieller und thermischer Energieinhalt Hydraulische Auswirkungen hoher Wassertemperaturen Kraftwerks- und Druckstollenkonzept Erweiterungsprojekte Ausblick 2

3 Aktuelle und zukünftige Herausforderungen an die Energieversorgung Umbruch von fossil und nuklear geprägter Energiebereitstellung zu erneuerbarer Energienutzung Reduktion der Treibhausgasemissionen Abkommen für nachhaltige Klima- und Energiepolitik Technische Funktionsfähigkeit Wirtschaftlichkeit Energiewirtschaftliche Effizienz Sozial verträgliche Nutzung Inländische Wertschöpfung 3

4 Aktuelle Energiebereitstellung Globale Primärenergieerzeugung im Jahr 2015: 87 % aus fossilen und nuklearen Energieträgern 13 % aus erneuerbaren Energieträgern 4

5 Projektidee Wasser als Wärmespeicher: hohe spezifische Wärmekapazität c p = J/(kg. K) 2-in-1 System: energetische Doppelnutzung des Wassers Wasserkraft: umweltfreundliche elektrische Energiegewinnung und effiziente Energiespeicherung 5

6 Saisonale thermische Energiespeicherung Sonnenenergie als potentialreichste erneuerbare Energiequelle Saisonale Entkopplung von Erzeugung und Bedarf Transferierung der Sommerwärme in bedarfsintensive Wintermonate 6

7 Pumpspeichertechnologie kombiniert mit thermischer Energiespeicherung Jährlicher potentieller und thermischer Energieinhalt Margaritzenspeicher, Kärnten: 3,2 Mio. m3 Nutzinhalt fiktive Fall- und Förderhöhe: 600 m Elektrische Energie: MWh (wöchentliche Umwälzung) à Stromversorgung von Haushalten unter Annahme von kwh/jahr/haushalt Thermische Energie: MWh (ΔT = 100 C) à Wärmeenergieversorgung von Haushalten unter Annahme von kwh/jahr/haushalt 7

8 Pumpspeichertechnologie kombiniert mit thermischer Energiespeicherung Jährlicher potentieller und thermischer Energieinhalt Margaritzenspeicher, Kärnten: 3,2 Mio. m3 Nutzinhalt fiktive Fall- und Förderhöhe: 600 m Um den thermischen Energieinhalt des Speichers zu entsprechen, müsste der Speicherinhalt 71 Mal für die elektrische Energiespeicherung umgewälzt werden! 8

9 Hybrides Kraftwerkskonzept Pumpspeicherkraftwerk mit geschlossenem Wasserkreislauf Wärmetauscher in den Toträumen der Speicher Reduktion thermischer Energieverluste Geschlossener Luftkreislauf Fernwärmeübertragungsleitung 9

10 Referenzprojekt Fallhöhe: 800 m Ausbaudurchfluss: Q T = Q P = 50 m 3 /s Nutzinhalt: m 3 Leistung: 392 MW Potentieller Energieinhalt: MWh Thermischer Energieinhalt: MWh* * bei saisonaler Nutzung eines Temperaturbereiches von ΔT = 80 C 10

11 Auswirkungen der Wassertemperaturzunahme zwischen 10 und 90 C Reduktion der Wasserdichte um 3,4 % (minus 34,4 kg/m 3 ) Vergrößerung des Wasservolumens um 3,6 % Referenzprojekt: Volumenzunahme um m 3 Leistungsreduktion um 12,1 MW Der potentielle Energieinhalt der Speicher ist unveränderlich! Verringerung der Zähigkeit (bzw. Viskosität) Zunahme der Nettofallhöhe um 4,1 cm Geringe Wärmeleitfähigkeit des Wassers λ W = 0,6 W/mK (vgl.: Kupfer: 500 W/mK, Beton: 2,1 W/mK) Kurzes Triebwassersystem und kompakte Speicherbeckenausführung für effiziente Wärmespeicherung 11

12 Unterdruck, Kavitation & Strömungsabriss Druckhöhe abhängig von Atmosphärendruck Dampfdruck des Wassers Wasserdichte Bei hohen Wassertemperaturen besondere Vorsicht bei: Pumpenzulaufleitungen Saugrohren nach den Turbinen Hydraulischen Strömungsmaschinen Lösung: Vergrößerung der Einbautiefe 12

13 Maschinen- und Speicherkaverne Speicherkaverne: optimale Strömungsvorgänge, reduzierte wasserbenetzte Oberflächen Maschinenkaverne: außerhalb des maximalen Wärmeausbreitungsbereiches 13

14 Saisonale Wärmeausbreitung ins Gebirge Eindringtiefe δ [m] ist abhängig von thermischen Gebirgseigenschaften und der Periodenlänge äußerer Temperatureinwirkung: Wärmeleitfähigkeit Spezifische Wärmekapazität Rohdichte 14

15 Konzept der Druckschachtauskleidung Ausbruch Primärsicherung Konsolidierungs- und Abdichtungsinjektionen Foliendichtung Ortbetonring Vorspannung des Ortbetonrings Inbetriebnahme 15

16 Bemessung der Druckschachtauskleidung Temperaturerhöhung: zusätzliche Druckspannung der Auskleidung Kein Innendruck bei zuvor höchster Wassertemperatur: größte Beanspruchung der Auskleidung 16

17 Hydraulische Strömungsmaschinen Überdruckturbinen und Speicherpumpen Vergrößerung des Laufradringspalts Wirkungsgradeinbußen von etwa 0,5 % Höhere Einbautiefe und Anpassung der hydraulischen Formgebung 17

18 Hydraulische Strömungsmaschinen Überdruckturbinen und Speicherpumpen Vergrößerung des Laufradringspalts Wirkungsgradeinbußen von etwa 0,5 % Höhere Einbautiefe und Anpassung der hydraulischen Formgebung Gleichdruckturbinen Pelton: Kavitation an Düse und Bechern Lösung: Druckluftaufbringung im Turbinengehäuse Keine Reduktion des Wirkungsgrades 18

19 Energetischer Erntefaktor: Pumpspeicherkraftwerk Verhältniszahl: erzeugte Energie über die Nutzungsdauer zu kumulierten Energieaufwendungen für Herstellung, Betrieb Rückbau 19

20 Pumpspeicher kombiniert mit Wärmespeicher Plus [-] gegenüber konventionellen Pumpspeichern Zunahme abhängig von: Speicherinhalt Fallhöhe Pumpspeichereinsatz 20

21 Erweiterungsprojekt Ausgangsprojekt: Pumpspeicherung kombiniert mit Wärmespeicherung 21

22 Erweiterungsprojekt Pumpspeicherung kombiniert mit Wärmespeicherung + Tiefengeothermische Energienutzung als windund wetterunabhängige Wärmeenergiequelle 22

23 Erweiterungsprojekt Pumpspeicherung kombiniert mit Wärmespeicherung + Tiefengeothermische Energienutzung + Adiabatische Luftdruckenergiespeicherung (AA-CAES) 23

24 Zusammenfassung und Ausblick Kombinierte Strom- und Wärmespeicher: technisch machbar und energiewirtschaftlich effektiv Herausforderung: thermischer Energietransport zu urbanen Gebieten bzw. Realisierung hybrider Speicher in urbaner Nähe Unterirdische Speicher und Übertragungsinfrastruktur Nähe zum Konsumenten, sozial-verträglicher Bau und Betrieb Forschung: Gesamtwirtschaftliche Betrachtung Quantifizierung von speicherbarer Wärmeenergie im Gebirge 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Glück Auf! 25