Anpassung und Auslegung von Pumpspeicher-Kraftwerken

Durch die verstärkte Einbindung von erneuerbaren Energieträgern und die Liberalisierung des europäischen Strommarktes wurden die Rahmenbedingungen für die Erzeuger von elektrischer Energie zum Teil grundlegend geändert. Dabei ist der erheblich steigende Anteil der Windenergie eine wesentliche Veränderung. Allein in Deutschland sind bereits rund 15.000 Megawatt aus Windenergie am Netz. Dies sind bereits rund 1/8 der Gesamtleistung im deutschen Stromnetz. Für Österreich werden bis 2008 ca. 800 MW installierte Windkraftleistung prognostiziert. Windkraftwerke können nur in Abhängigkeit des Windaufkommens Strom erzeugen und reagieren nicht auf den Bedarf im Stromnetz. Somit ist es neben einem noch zu entwickelnden verbraucherseitigen Lastmanagements erforderlich, einerseits kurzfristig Strom aus anderen Kraftwerken zur Verfügung zu stellen und andererseits bei einem Überangebot die Energie zu speichern. Zu den markantesten Auswirkungen im europäischen Stromnetz zählt daher in jüngster Zeit die steigende Nachfrage nach Spitzenenergie, Regelenergie und v.a. Energiespeicherung. Es ist somit ein stark steigendes Interesse an der Errichtung von Pumpspeicheranlagen zu verzeichnen. Die Anforderungen an deren hydraulische Einrichtungen wie die Wasserwege und die maschinelle Einrichtung (Pumpen, Turbinen) sind jedoch gegenüber den bereits bestehenden Anlagen deutlich verschärft (Regelzeiten, etc).

Im Forschungsprojekt soll ein neues Wasserschlosssystem (Dreikammerwasserschloss) für Unterwassersysteme von Pumpspeicheranlagen mit getrennten Unterkammern entwickelt werden. Diese getrennten Unterkammern sind höhenversetzt angeordnet und über einen Überfallshöcker am unteren Ende des Steigschachtes verbunden. Auch die Wassersäule wird bei den maßgebenden Lastfällen getrennt und kann so zur verstärkten Beschleunigung des Wassers im Unterwasserstollen dienen und gleichzeitig die erforderliche Gegendruckhöhe für die Pumpe ohne deutliche Tieferlegung bereitstellen.

Es ist vorgesehen, die Untersuchungen an Hand von physikalischen Modellversuchen und eines eindimensionalen numerischen Modells durchzuführen.

Dieses Forschungsprojekt wird im Rahmen von vier Arbeitspaketen abgewickelt:

• Arbeitspaket 1 (AP 1): Numerische Berechnungen
  Mittels eines eindimensionalen Berechnungsprogramms sollen im Rahmen eines Variantenvergleichs die maßgebenden Parameter wie Kammervolumina, gegenseitige Höhenlage, etc. für den neuen Wasserschloss-Typus dargestellt werden. Zudem sollen - soweit vorhanden - Anwendungsgrenzen ermittelt werden. Untersuchungen zur Systemdämpfung sind ebenfalls enthalten.

• Arbeitspaket 2 (AP 2): Hydraulische Modellierung - Überfallhöcker
  In einer Detailuntersuchung an einem physikalischen Modell wird der Knotenpunkt zwischen den Unterkammern und dem Übergang zur Oberkammer optimiert (Fester Überfall oder steuerbare Einrichtung).

• Arbeitspaket 3 (AP 3): Hydraulische Modellierung - Gesamtsystem
  Es wird ein charakteristisches Modell eines Unterwassersystems aufgebaut und die generelle Funktion des Dreikammer-Wasserschlosses untersucht werden (z.B. Zusammenführen der Wassermassen, Schwallerscheinungen, Lufteinzug, Entlüftung, etc.).

• Arbeitspaket 4 (AP 4): Netzintegration, Bemessungsunterlage
  Für vorgegebene Lastganglinien des Netzes wird ein Vergleich zwischen dem neuen und einem konventionellen System durchgeführt. Ziel ist, eine Bemessungsunterlage für die allgemeine Anwendung zu erstellen.

Ziele des Projektes

• Kostenoptimierte Errichtung neuer Anlagen (Geringere Ausbruchsvolumina der Wasserschlosskammern und Schächte der Kraftstationen)
• Kostenoptimierte Adaptierung bestehender Anlagen
• Wesentliche positive Beiträge zum Lastmanagements der EVU's
• Kürzere Regelzeiten der Pumpspeicheranlagen
• Höhere betriebliche Verfügbarkeit der Pumpspeicheranlagen
• Erhöhte Dämpfungseigenschaften der Massenschwingungssysteme

Die wichtigsten Ergebnisse

• Da für diesen neuen Typus keine Bemessungsunterlagen existieren und Detailprobleme wie das Zusammenführen des Wassers in den Kammern ungeklärt sind, soll im Forschungsprojekt diese Wissenslücke geschlossen werden.
• Dazu kommt die Untersuchung der ordnungsgemäßen Be- und Entlüftung der beiden Kammern, v.a. der Pumpenkammer.
• Eine weitere Detailuntersuchung soll die Ausführung des Überfallhöckers betreffen. Hier ist vor allem aus wirtschaftlicher Sicht die Fragestellung interessant, ob durch einen gesteuerten Verschluss entscheidende Vorteile lukriert werden können bzw. in wie weit eine feste Einrichtung die Erfordernisse - und mit welchen Konsequenzen - erfüllen kann.

Die größten Herausforderungen des Projektvorhabens

• Sind grundsätzlich die instationäre Wasserbewegungen (Schwall und Sunk) in den Kammern beherrschbar?
• Ist die Einbeziehung der Unterkammern in den Triebwasserweg (d.h. Ersparnis an Stollenlänge) technisch möglich und sinnvoll?
• Wie muss eine ordnungsgemäße Be- und Entlüftung der Kammern hergestellt werden?
• Können die Kammervolumina durch einen steuerbaren Überfall zusätzlich reduziert werden?
• Welche Einsparungen an Volumina könne im Vergleich zu herkömmlichen Systemen erreicht werden.
• Welche netzbetrieblichen Verbesserungen ergeben sich durch das neue System (Verfügbarkeit der Anlage, Schwingungsdämpfung, etc.)?
• Inwiefern kann das neue System bei der Ertüchtigung bestehender Anlagen eingesetzt werden?

Projektstatus

laufend

ProjektleiterIn:
Dr. Dominik Mayr
TU Graz, Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft
Stremayrgasse 10/II, A-8010 Graz
Tel.: 0043/316/873-8859; Fax DW: 8357
E-Mail: Dominik.mayr@TUGraz.at
Internet: www.hydro.tugraz.at

Institut/Unternehmen:
TU Graz, Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft
Stremayrgasse 10/II, A-8010 Graz
Tel.: 0043/316/873-8851; Fax DW: 8357
Internet: www.hydro.tugraz.at

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen:

• EnBW Kraftwerke AG
• VERBUND Austrian Hydro Power AG
• Vorarlberger Illwerke AG