Wie gut eignen sich Seen als Zwischenspeicher für elektrische Energie? - Martin Schmid, Abteilung Oberflächengewässer - Eawag
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Wie gut eignen sich Seen als Zwischenspeicher
für elektrische Energie?
Martin Schmid, Abteilung Oberflächengewässer
Eawag-Infotag, 3. September 2019
Gewässer in Zeiten der Energiewende
Funktionsweise eines Pumpspeicherkraftwerks Grafik: U. Kobler
Funktionsweise eines Pumpspeicherkraftwerks
Pumpen
Grafik: U. Kobler
Funktionsweise eines Pumpspeicherkraftwerks
Turbinieren
Grafik: U. Kobler
Stromproduktion in Deutschland
60
Solar
Leistung (GW)
Pumpspeicher
Wind
30 Gas
Steinkohle
Braunkohle
Kernenergie Pumpspeicherkraftwerke
Biomasse füllen Lücken morgens und abends
0
Wasserkraft 12. bis 18. August 2019
Quelle: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
https://www.energy-charts.de
Pumspeicherkraftwerke weltweit
>95% der weltweiten
Stromspeicherung (REN21)
in Betrieb
im Bau
geplant
angekündigt
Quelle: International Hydropower Association
https://www.hydropower.org/hydropower-pumped-storage-tool
Neue Pumpspeicherkraftwerke in der Schweiz
Veytaux (2015) Limmern (2016) Nant de Drance (2020)
1000 MW
420 MW 900 MW
Karten: Swisstopo (map.geo.admin.ch)
Auswirkungen von Pumpspeicherkraftwerken
1 Wasserspiegelschwankungen 3 Austausch von Organismen
2 Temperatur 1&4 Aufwirbelung von Sediment
Trübung
5 verminderte Eisbedeckung
Nährstoffe
Mischungsprozesse 1-5 ökologische Folgen
5
1
2 3
4
Grafik: U. Kobler
Fallbeispiel: Etzelwerk
Projekt bearbeitet
Sihlsee von Ulrike Kobler
Stausee
889 m ü.M.
11.3 km2
55 MW 135 MW Amphibienlaichgebiete
von nationaler Bedeutung
simuliertes Zürich-Obersee Ausbau Pumpspeicherung
Ausbauszenario natürlicher See wurde im Rahmen der
265 MW Pumpen 406 m ü.M.
525 MW Turbinen Neukonzessionierung
20.3 km2 geprüft und verworfen
Abbildung: U. Kobler, Hintergrundkarte: Swisstopo (map.geo.admin.ch)
Direkte Folge: Seespiegelschwankungen
natürlich reguliert
Beispiel Sihlsee, Ausbauszenario
max. Abfluss ~780 m3/s
Oberfläche ~11 km2
Seespiegel könnte innerhalb
von 4 Stunden um bis zu
1 Meter abgesenkt werden
Abbildung: nach Hirsch et al. (2016), Hydrobiologia, 794, 287–301
Bei natürlichen Seen oder Schutzgebieten an Stauseen:
Begrenzung der maximalen Seespiegelschwankungen und der
maximalen Absenkgeschwindigkeit zum Schutz der Uferzonen
10Vorgehen numerische Modellierung
Meteorologische Pumpspeicher-
Temperatur
Zeitreihen szenarien
Wasserqualität
Eisbedeckung
Numerisches
Hydrologische
Modell
Zeitreihen Messdaten
CE-QUAL-W2
Bathymetrie
der Seen Modellparameter KalibrationPumpspeicherszenarien Sihlsee
natürliche Referenz aktueller Zustand
Zuflüsse Zuflüsse
Sihl fliesst
oberflächlich ab Pumpspeicherbetrieb
135 MW
55 MW
Restwasser Sihl
ohne Pumpspeicher Ausbau Pumpspeicher
Zuflüsse Zuflüsse
Pumpspeicherbetrieb
525 MW
Tiefenwasser-
265 MW
Entnahme Restwasser Sihl
Kobler et al. (2018), Sustainability 10, 1968Auswirkung der Tiefenwasserentnahme
Tiefenwasser
Wegen Tiefenwasserentnahme
Temperatur (°C)
ohne wird warmes Oberflächenwasser
Pumpspeicher nach unten gezogen.
aktueller
Zustand
natürliche Referenz Tiefenwasser-
Entnahme
Kobler et al. (2018), Sustainability 10, 1968Auswirkung der Tiefenwasserentnahme
Tiefenwasser
Sauerstoff (mg/L)
aktueller ohne
Zustand
Folgen des wärmeren
Pumpspeicher Tiefenwassers:
• frühere Mischung im Herbst
• selteneres Auftreten von tiefen
natürliche Sauerstoff-Konzentrationen
Referenz
Kobler et al. (2018), Sustainability 10, 1968Fallbeispiel: Projekt Lagobianco
Projekt bearbeitet
Lago Bianco von Matteo Bonalumi
Stausee (ursprünglich
kleinerer, natürlicher See)
2234 m ü.M.
1.5 km2
hohe Trübung (Gletschermilch)
Lago di Poschiavo
natürlicher See
1000 MW 962 m ü.M.
2.0 km2 Projekt ist bewilligt,
wird aber momentan
nicht gebaut
Karten: Swisstopo (map.geo.admin.ch), Fotos: Google MapsVermeidung von Schwall und Sunk Aktuelle Situation turbiniertes Wasser erzeugt Schwall und Sunk im Poschiavino Abbildung: Repower
Auswirkungen des Wasseraustauschs
Beispiel: Trübung im Lago di Poschiavo
ohne Pumpspeicher mit Pumpspeicher
Mineralische
Partikel
(mg/L)
Hochwasser Auswirkung Hochwasser
Pumpspeicher-
siehe auch Bonalumi et al. (2012)
Water Resources Research, 48, W08508
KraftwerkKlimawandel und Pumpspeicherung
25
Euphotische Tiefe (Zone für Algenwachstum)
nimmt um 1 bis 3 m ab.
Euphotische Tiefe (m)
20 1988 2001 2005 2007
m m m m m m m m
ohne mit Ohne
ohne mitPumpspeicherbetrieb
ohne mit (trockenes
ohne mit Jahr)
PS PS % PS PS % PS PS % PS PS %
Januar 15
10.6 8.3 -22% 7.7 6.4 -17% 15.6 11.0 -30% 12.1 9.5 -22%
Februar 12.0 10.1 -16% 8.5 8.1 Mit-5%
Pumpspeicherbetrieb
15.7 11.9 -24% 13.2 (trockenes
10.9 -17% Jahr)
März 12.1 10.5 -13% 9.5 8.5 -11% 14.5 13.7 -6% 14.4 11.9 -17%
April 13.0 11.4 -12% 10.4 9.2 -11% 16.0 12.8 -20% 14.6 13.1 -10%
Mai 10
14.6 13.0 -11% 11.5 10.5 -8% 16.5 13.7 -17% 16.4
-8% 15.1
Juni 9.9 9.0 -10% 3.1 1.9 -37%
Ohne
14.5
Pumpspeicherbetrieb
14.2 -2% 13.8 14.0 1%
(regnerisches Jahr)
Juli 12.5 9.5 -24% 3.1 2.4 -24% 12.6 11.0 -13% 9.5 10.4 10%
August 10.2 8.6 -15% 6.1 4.9 -19% 13.3
Mit-16%
11.2
Pumpspeicherbetrieb
9.0 9.8 8%
(regnerisches Jahr)
September
5
12.9 8.7 -32% 7.2 7.0 -2% 15.2 10.8 -29% 10.7 11.5 8%
Oktober 11.2 10.8 -4% 8.1 7.2 -11% 16.1 13.9 -14% 11.3 13.6 20%
November 8.7 7.1 -19% 8.2 7.2 -12% 15.4 12.3 -20% 11.5 9.7 -16%
Dezember 10.5 7.0 -33% 7.0 5.5 -22% 14.8 9.5 -35% 11.6 8.3 -28%
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Partikelkonzentration (mg/L)Klimawandel: erwartete Erwärmung
übliche Konzessionsdauer
19
Quelle: Klimaszenarien CH2018Klimawandel und Pumpspeicherung
Winterschichtung
[%]
heutiges Klima Eisdecke Sommerschichtung
natürliche
Referenz
künftiges Klima Sauerstoff < 4 mg/L
(CH2011, IPCC A2 Szenario)
ohne
Eisdecke Pumpspeicher
Pumpspeicherung
Klimawandel
aktueller
Zustand
Sauerstoff
Pumpspeicherung
Klimawandel Ausbau
Pumpspeicher
Kobler et al. (2018)
Climatic Change Jan Jul Jan
152, 427-443Fazit
Nutzen Auswirkungen
• effiziente Energiespeicherung • Seespiegelschwankungen
(Wirkungsgrad ~80%) • Wasseraustausch
• ermöglicht Ausgleich von Wasserqualität
unregelmässiger • Tiefenwasserentnahme
Stromproduktion Temperatur, Schichtung, Sauerstoff
• Vermeidung Schwall/Sunk
Langfristige Perspektive
Lange Konzessionsdauer
• Klimawandel bei Beurteilung berücksichtigen
Hohe Investitionen
• Entwicklung anderer Speichermöglichkeiten?Sie können auch lesen
