Haustech 6-7/2019

Die Kombination machts

(Foto: TU Graz)
Antonio Suárez /

Um die klimapolitischen Ziele der Energiewende zu erreichen, ist eine effiziente und nachhaltige Energiespeicherung unabdingbar. Ein österreichischer Ingenieur bringt nun eine verblüffende Lösung ins Spiel. Diese kombiniert die hydroelektrische Pump- mit der Heisswasser-Wärmespeicherung.

Die Grundidee ist bestechend einfach: Man kombiniert zwei der bewährtesten und effizientesten Speichertechnologien – die Pump- und Wärmespeicherung – und entwickelt daraus ein hybrides Speichersystem für elektrische und thermische Energie: ein Heisswasser-Pumpspeicherkraftwerk. Es kann gleichzeitig Elektrizität, Wärme und Kälte speichern und bedarfsgerecht liefern. Das Konzept für diesen sektorkoppelnden Kombispeicher hat Diplomingenieur Franz Georg Pikl vom Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universität Graz gemeinsam mit seinem Team entwickelt.

Doppelnutzung des Wassers

Die Pumpspeichertechnologie ist die zuverlässigste, effizienteste und langlebigste Form der Speicherung von Elektrizität. Das Funktionsprinzip konventioneller Pumpspeicherkraftwerke ist einfach: In Zeiten hoher Stromproduktion wird mithilfe der überschüssigen Elektrizität das Wasser vom tiefer gelegenen in das höher gelegene Speicherbecken gepumpt, um es bei erhöhtem Strombedarf über Turbinen wieder zurückfliessen zu lassen und Strom zu generieren. «Die Pumpspeichertechnologie gibt es mittlerweile schon seit über hundert Jahren und ist die etablierteste Technologie für die elektrische Energiespeicherung. Weltweit sind aktuell rund 153 Gigawatt an Pumpspeicherleistung installiert; und 96 Prozent aller elektrischen Energiespeicher sind Pumpspeicherkraftwerke. Das unterstreicht, wie zuverlässig und technisch ausgereift diese Technologie ist», begründet Pikl den Grundansatz seines Konzepts.

Ebenfalls seit Jahrzehnten erprobt sind grosstechnische Heisswasser-Wärmespeicher. Beide Systeme werden zudem mit Wasser betrieben, das vorzügliche thermische Eigenschaften besitzt. Die Doppelnutzung dieses natürlichen Energieträgers durch die Kombination der Vorteile beider hydraulischen Energiespeichertechnologien sei daher naheliegend, meint der österreichische Wissenschaftler. «Wenn man beide Technologien mit alternativen Systemen vergleicht, dann gibt es einfach nichts Besseres. Was will man mehr?»

Rückgewinnung von Reibungswärme

Die Kombination hat weitere Vorteile, denn sie minimiert die Verluste durch 
die synergetische Nutzung des Wassers und erhöht damit die Wirkungsgrade. 
«Ein Pumpspeicherkraftwerk hat einen Wälzwirkungsgrad von etwa 80 Prozent. Man führt elektrische Energie zu, die als potenzielle Energie des Wassers gespeichert wird. Sobald diese gespeicherte Energie über Turbinen abgelassen wird, erhält man 80 Prozent dessen, was zuvor eingespeichert worden ist, wieder zurück. Die restlichen 20 Prozent sind grösstenteils Verluste aufgrund der Reibung des Wassers an Turbinen, Pumpen und Rohrleitungen», erklärt der Forscher. «Bei diesen Reibungsverlusten handelt es sich um thermische Energie. Die Reibungsenergie wird folglich direkt in Wärme umgewandelt. Und diese Wärme wird ohne weitere Betriebseinrichtungen zur Wärmespeicherung genutzt. Somit erhöht sich der Wirkungsgrad auf rund 98 Prozent bezogen auf die zugeführte elektrische Energie. Das entspricht einer deutlichen Steigerung gegenüber herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerken und ist unübertroffen.»

Unterirdische Errichtung

Zentraler Bestandteil der von Pikl vorgeschlagenen Kombination ist die komplett unterirdische Errichtung. Denn der untertägige Bau von grossvolumigen Speicherkavernen, Triebwassersystemen und der Kraftstation ermöglicht erst die energetische Nutzung von hydraulischen Strömungsverlusten des Kraftwerkbetriebs und damit die Rückgewinnung der thermischen Energie. Der Untergrund wirkt nämlich wie eine natürliche, wärmedämmende Masse und ist zugleich Speichermedium. Bei konventionellen oberirdischen Pumpspeicherkraftwerken wird das Wasser zwischen zwei künstlich angelegten Reservoirs entweder gepumpt oder turbiniert. Aufgrund der freien Wasseroberfläche würde die Wärme bei einer obertägigen Errichtung verloren gehen. «Aus diesem Grund verlegen wir das Prinzip der Pumpspeicherung an sich und das der hybriden Energiespeicherung in die Tiefe», sagt Pikl. «Und zwar sehr tief, vollkommen unterirdisch, sowohl die beiden Speicher als auch das Triebwassersystem und die Kraftstation.»

Ein weiteres Kernelement des unterirdischen Pumpspeichers bildet der Heisswasserkreislauf. Alimentiert wird dieser durch verschiedene Wärmequellen, die über Fernwärmeübertragungsleitungen verbunden sind. Das Temperaturniveau von etwa 90 Grad Celsius wird erreicht, indem thermische Energie in den Wasserkörper über Wärmetauscher oder Se-
kundärsysteme eingespeichert wird. Die Wärme gelangt dann über Leitungen und Verteilnetze direkt zum Endkunden. Zur Wärmespeicherung wird aber nicht nur der Wasserkörper und das umgebende Gebirge herangezogen, sondern auch das verbleibende Hohlraumvolumen in den Speicherkavernen. Aus dem hochtemperierten Wasser wird dort zusätzlich Wasserdampf erzeugt. Durch den Phasenübergang von flüssig zu gasförmig können auf diese Weise beträchtliche Wärmemengen auf einem Temperaturniveau von etwa 130 Grad Celsius vorgehalten werden. Und das rückläufige Kondensat kann dann für weitere Heizzwecke verwendet werden.

Gegenargumente bezüglich Kosten und Wirtschaftlichkeit der unterirdischen Errichtung entkräftet Pikl. «Es mag zwar auf den ersten Blick etwas teuer anmuten. Ist es aber nicht. Das Gegenteil ist der Fall.» Vor Kurzem publizierte Untersuchungen hätten gezeigt, dass optimierte Untertage-Pumpspeicher wirtschaftlicher gebaut werden könnten als neue klassische Pumpspeicherwerke mit obertägigen Speichern. Und auch die zusätzlichen thermischen und mechanischen Beanspruchungen des Heisswasserbetriebs könne man durch technische Adaptierungen meistern, meint der Wissenschaftler: «Natürlich sind diese 90 Grad unüblich, aber man kann die Bauwerke bzw. Maschinen baulich und konstruktiv an die hohen Wassertemperaturen anpassen. Dabei handelt es sich um eine geringe Mehrinvestition.»

Topografieunabhängig

Ein weiterer Vorzug des Baus untertage ist die Standortunabhängigkeit. Dadurch werden nämlich die für die Stromspeicherung und -erzeugung notwendigen Niveauunterschiede zwischen den Speichern topografieunabhängig erreicht, was wiederum den Flächenbedarf minimiert sowie die Standortfindung und die nötigen Genehmigungsverfahren vereinfacht. Damit können solche Pumpspeicher auch in Tallagen in der peripheren Umgebung von Ballungsräumen errichtet werden, was die Anbindung an bestehende Energienetze erleichtert. Pikl unterstreicht die Ausführungsflexibilität des Systems. Man könne es überall auf der Welt bauen, vorausgesetzt die geologischen Randbedingungen erlaubten es.

Das Pumpspeicher-Konzept ist so flexibel, dass es auch eine Erweiterung um die Fernkältetechnik zulässt. Diese Systemergänzung ist deshalb interessant, weil das Kühlen von Gebäuden immer wichtiger wird. Für die ständige Kälteversorgung kann das System gewissermassen in ein Kaltwasser-Pumpspeicherkraftwerk modifiziert werden, indem das Wasser im Kreislauf auf etwa null Grad Celsius gekühlt wird. Pikl denkt hier an tropische und subtropische Gebiete, wo die Kälte zu einem guten Teil aus stromfressenden Klimaanlagen bereitgestellt wird.

Grosstechnische Ausführung

Hinsichtlich der Ausführungsgrösse kann sich Pikl sehr grossmassstäbliche Anlagen vorstellen. Die oberen und unteren Speicherkavernen könnten übereinander angeordnet werden. Dadurch wäre ein kurzes, primär auf den Druckschacht als direkte vertikale Verbindung reduziertes Triebwassersystem möglich, womit die Anlage sehr kompakt ausgeführt werden könnte. Zudem könnten in einem solchen System die Fallhöhen unabhängig von natürlichen Gegebenheiten festgelegt werden. «Die Fallhöhe ist entscheidend für einen wirtschaftlich hydraulischen Energiespeicher, denn mit ihrer linearen Zunahme kann signifikant mehr an potenzieller Energie für die elektrische Energiespeicherung bei unverändertem Speichervolumen vorgehalten werden. Wenn man nun sehr grosse Fallhöhen unterirdisch herstellt und das gleichzeitig kombiniert mit grossen Speichervolumina, können gewaltige Energiemassen gespeichert werden», so der Diplomingenieur.

Die Fallhöhen haben einen direkten Einfluss auf die Investitionskosten. Pikl hat umfassende Berechnungen durchgeführt. Diese zeigen, dass die spezifischen Kosten bezogen auf die Kraftwerksleistung und den Energieinhalt ab Fallhöhen von zirka 600 Metern deutlich geringer ausfallen. «800 Meter sind unsere Zielvorgabe. Hinsichtlich der Turbinenleistung dagegen sind wir variabel. Wir rechnen hier mit Werten zwischen 100 und 2000 Megawatt und darüber. Da ist sehr viel möglich.» Auch das optimale Wasserspeichervolumen hat Pikl errechnet. Dabei zeigte sich, dass die Herstellungskosten 
ab einem Wasservolumen von 100 000 Kubikmetern deutlich sinken. Nach oben gebe es grundsätzlich keine Grenzen, versichert er.

Emissionsfreier Betrieb

Die grosse Trumpfkarte des thermischen Untertage-Pumpspeicherkraftwerks ist dessen Ressourceneffizienz. Über den gesamten Lebenszyklus betrachtet, gewährleistet es nämlich maximale Umwelt- und Naturverträglichkeit. Wertvolle Flächenressourcen bleiben unberührt und mit dem geschlossenen Wasserkreislauf im Untergrund wird weder in den natürlichen Wasserhaushalt eingegriffen noch die Gewässerökologie beeinträchtigt. Ausserdem ist der Betrieb frei von Emissionen. Der CO2-Ausstoss sei über die Lebensdauer hinweg so vernachlässigbar gering, versichert Pikl, dass es sich unbestritten um die ökologischste Speicherform elektrischer und thermischer Energie handle. «Es werden kein CO2 produziert, keine klimaschädlichen Luftschadstoffe, kein Feinstaub. Nur beim Bau fallen Emissionen an. Die sind aber im Vergleich zum Lebenszyklus anderer Speichertechnologien gering.»

Schlüssel für Systemwechsel

«Wenn der zum Schutz des Klimas unabdingbare Systemwechsel von fossilen und nuklearen zu erneuerbaren Energieträgern gelingen soll, braucht es nicht nur einen Umstieg beim elektrischen, sondern auch beim thermischen Energiesystem», stellt Pikl klar, der die etwas einseitige Fokussierung der Medien auf die elektrische Energiespeicherung kritisiert. «Es braucht hier überlegte und nachhaltige Investitionen, und zwar insbesondere bei effizienten Energiespeichern.» Für Pikl ist eine effiziente und langlebige Speicherung der Schlüssel für eine nachhaltige, sichere und sozialverträgliche Energiezukunft: «Energiespeicher sind das fundamentale Bindeglied in einem Energiesystem, die regenerative, aber fluktuierende Primärenergieerzeuger mit Konsumenten verbinden. Das brauchen wir im derzeitigen Energiesystem nur wenig oder gar nicht, weil wir mit den fossilen und nuklearen Energieträgern mehr oder weniger Energie per Knopfdruck erzeugen können.»

In der öffentlichen Diskussion gehe oft vergessen, dass mit der Pumpspeicherung bereits eine bewährte Technologie existiere, mit der sich der notwendige Energieumbau bewerkstelligen liesse, bedauert der Wasserbauingenieur. «Was ich derzeit erlebe, ist verwunderlich. Man forscht insbesondere an neuen Zukunftstechnologien, mit denen man Strom, aber 
auch Wärme speichern kann. Doch viele dieser Anstrengungen kommen seit Jahren nicht über das Forschungsstadium hinaus.» Es lägen nur wenige konkrete Ergebnisse vor, und die grossmassstäbliche Umsetzbarkeit sei in naher Zukunft nicht gegeben, behauptet Pikl. «Und wenn man an die Klimaziele von Paris und an die eindringliche Warnung des Weltklimarats vom Oktober vorigen Jahres denkt, dass bis 2030 viel getan werden müsse, um das 1,5-Grad-Ziel noch irgendwie zu erreichen, dann braucht es die Investitionen in verfügbare Technologien jetzt und nicht erst in zehn, zwanzig oder dreissig Jahren.»