10. März 2011
Potenzial und Wirtschaftlichkeit vonPumpspeicheranlagen mit Pumpspeicheranlagen mit kleinen Fallhöhen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Andreas SchlenkhoffgDipl.-Ing. Georg Heinz
Wasserwirtschaft und WasserbauFachbereich D - Bauingenieurwesen
Bergische Universität Wuppertal
Folie 2Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
EinleitungEinleitung
Grundlagen
o Nach Richtlinie 2009/28/EG„Anteil erneuerbare Energie am Bruttoendenergieverbrauch von 18% bis 2020‟
Standortfindung
Ausblick g(2005: 5,8%; 2008: 9,3%)
o Aktionsplan für erneuerbare Energien:„Der Anteil der erneuerbaren Energien im Stromsektor beträgt dabei 38,6%, […]‟(Umwelt Bundesamt: 2008: 14,8%)
Folie 3Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Motivation:Die Bundesregierung hat sich eindeutig für den Ausbau regenerativer
Einleitung
Grundlagen
Stromerzeugung ausgesprochen.
- verschiedene Studien zu möglichen Ausbauszenarien, z. B.:
Standortfindung
Ausblick g ,dena, UBA „100% Stromerzeugung aus erneuerbaren Energie 2050“ , DLR nd iele mehr (VDE C isch 2005 ) so ieDLR und viele mehr (VDE, Czisch 2005, …) sowieSRU (2010 und 2011, bezogen auf UBA und DLR)
SRU - Stellungnahme zu der Perspektive
100% Stromerzeugung aus erneuerbaren Energie 2050“„100% Stromerzeugung aus erneuerbaren Energie 2050
Folie 4Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
• Motivation // Strompreisbörse // Weiterer Ausbau der Windkraft
• Schwankende Nachfrage (Last) im Tages- und Wochenrhythmus
Einleitung
GrundlagenSchwankende Nachfrage (Last) im Tages und Wochenrhythmus
• Saisonale Schwankungen durch Witterung (Winter / Übergang / Sommer)
• Starke Schwankung der Windkraftleistung
Standortfindung
Ausblick
• Weiterer Ausbau der Windkraft bis 2020: Offshore / Onshore 10 bis 40 GW
• Keine wirtschaftliche Technologie zur Speicherung von Energie / Strom P mpspeiche anlagen de eit die günstigste Alte nati e nd ah scheinlich • Pumpspeicheranlagen derzeit die günstigste Alternative und wahrscheinlich auch in absehbarer Zeit !??
• Nachteile von Pumpspeicher: – hoher technischer und finanzieller Aufwand– Relativ großer Flächenbedarf
bl h ß j k “ i il d ölk– Ablehnung von „Großprojekten“ in Teilen der Bevölkerung
Folie 5Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Standardlastprofil eines Haushaltes (H0) im Winter Einleitung
Grundlagen
Standortfindung
Ausblick
Folie 6Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Tagesganglinie Sommer - WinterA i (RWE T t t St G bH)
Einleitung
Grundlagen
30000
von Amprion (RWE Transportnetz Strom GmbH)
Montag 08 06 2009
Standortfindung
Ausblick
24000
26000
28000
W]
Montag 08.06.2009
Montag 01.02.2010
Sonntag 07.06.2009
S 31 01 2010
18000
20000
22000
Leistung
[MW Sonntag 31.01.2010
12000
14000
16000
12000
00:0
0 -0
0:15
00:4
5 -0
1:00
01:3
0 -0
1:45
02:1
5 -0
2:30
03:0
0 -0
3:15
03:4
5 -0
4:00
04:3
0 -0
4:45
05:1
5 -0
5:30
06:0
0 -0
6:15
06:4
5 -0
7:00
07:3
0 -0
7:45
08:1
5 -0
8:30
09:0
0 -0
9:15
09:4
5 -1
0:00
10:3
0 -1
0:45
11:1
5 -1
1:30
12:0
0 -1
2:15
12:4
5 -1
3:00
13:3
0 -1
3:45
14:1
5 -1
4:30
15:0
0 -1
5:15
15:4
5 -1
6:00
16:3
0 -1
6:45
17:1
5 -1
7:30
18:0
0 -1
8:15
18:4
5 -1
9:00
19:3
0 -1
9:45
20:1
5 -2
0:30
21:0
0 -2
1:15
21:4
5 -2
2:00
22:3
0 -2
2:45
23:1
5 -2
3:30
Zeit [24 h]
Folie 7Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
EnergieerzeugungEinleitung
Grundlagen
z.B. WindkraftStandortfindung
Ausblick
Quelle: FH Aachen; Prof. Alt, Hilfsb58
Folie 8Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Einleitung
Grundlagen
Standortfindung
Ausblick
20000
Leistung in MW
EEG-Windenergie-Einspeisung in Deutschland im Januar 2009, Tagesminima und Tagesmaxima der 1/4-Stunden-Leistungsprofile
Stand: 10.02.2009
14000
16000
18000
20000
10000
12000
14000
4000
6000
8000
0
2000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31Datum (Januar 2009)
Folie 9Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Einleitung
Grundlagen
Standortfindung
Ausblick
20000
Leistung in MW
EEG-Windenergie-Einspeisung in Deutschland im Februar 2009, Tagesminima und Tagesmaxima der 1/4-Stunden-Leistungsprofile
Stand: 10.03.2009
14000
16000
18000
20000
10000
12000
14000
4000
6000
8000
0
2000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28Datum (Februar 2009)
Folie 10Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Einleitung
Grundlagen
Standortfindung
Ausblick
20000
Leistung in MW
EEG-Windenergie-Einspeisung in Deutschland im März 2009, Tagesminima und Tagesmaxima der 1/4-Stunden-Leistungsprofile
Stand: 09.04.2009Maximum
14000
16000
18000
20000
10000
12000
14000
4000
6000
8000
0
2000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31Datum (März 2009)
Folie 11Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Einleitung
Grundlagen
Standortfindung
Ausblick
20000
Leistung in MW
EEG-Windenergie-Einspeisung in Deutschland im April 2009, Tagesminima und Tagesmaxima der 1/4-Stunden-Leistungsprofile
Stand: 08.05.2009
14000
16000
18000
20000
10000
12000
14000
4000
6000
8000
0
2000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30Datum (April 2009)
Folie 12Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Windenergieleistung in der Regelzone der 50 HERTZ Gmbh (Vattenfall) in MW Dezember 2009
Einleitung
Grundlagen
8000
10000Standortfindung
Ausblick
6000
Prognose-WertIst-WertDiff-Wert
4000
2000
2000
0
-4000
-2000
Folie 13Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Einleitung
Grundlagen
Standortfindung
Ausblick
Folie 14Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Einleitung
Grundlagen
Standortfindung
Ausblick
Folie 15Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Einleitung
Grundlagen
Standortfindung
Ausblick
Folie 16Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Einleitung
Grundlagen
Standortfindung
Ausblick
Folie 17Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
PSKW – RönkhausenEinleitung
Grundlagen
PSKWRönkhausen
Standortfindung
Ausblick
Ausbauleistung: 140 MWEnergieinhalt OB: 690 MWhSpeicherinhalt: 950.000 m³Speicherinhalt: 950.000 mFallhöhe: 254 – 277 mDurchfluss: 44 m³/s
Text: Mark-E, Das Pumpspeicherwerk in Finnentrop-Rönkhausen, (Broschüre)
Bilder: Wikipedia, Dr. G. SchmitzFrank Vincentz
Folie 18Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
PSKW – RönkhausenEinleitung
Grundlagen
Standortfindung
Ausblick
Folie 19Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
PSKW – Herdecke Einleitung
Grundlagen
PSKWHerdecke
Standortfindung
Ausblick
Ausbauleistung: 153 MWEnergieinhalt OB: 590 MWhSpeicherinhalt: 1.600.000 m³Speicherinhalt: 1.600.000 mFallhöhe: 145 – 165 mDurchfluss: 110 m³/s (T)
101 m³/s (P)101 m /s (P)
Quelle: RWE Power, Pumpspeicherkraftwerk Herdecke, (Broschüre)
Folie 20Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
PSKW – HerdeckeEinleitung
Grundlagen
Standortfindung
Ausblick
Folie 21Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
PSKW – Geesthacht Einleitung
Grundlagen
PSKWGeesthacht (Elbe)
Standortfindung
Ausblick
o HEW-Energiepark
Ausbauleistung: 120 MWArbeitsvermögen: 534 MWhArbeitsvermögen: 534 MWhSpeicherinhalt: 3,8 Mio. m³Fallhöhe: ca. 80 m
Bilder: http://www.elbetreff.de/elbe/Bilder/kruemmel/pumpspeicherwerk_energiepark.htm (8.3.2011)
Folie 22Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Untersuchungsgebiet:Reg. Bez. Arnsberg (NRW)
Einleitung
Grundlagen
NRW500Standortfindung
Ausblick
DGM CLC2006
Geobasisdaten © Land NRW, Bonn 2011-03-02
Folie 23Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Talsperren als Unterbecken:Einleitung
Grundlagen
ÜbersichtStandortfindung
Ausblick
Folie 24Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
PSKW – Funktion und HauptgewerkeEinleitung
Grundlagen
Standortfindung
Kostenannahmen
Ausblick
Folie 25Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
• Grundlagen Pumpspeicherkraftwerke
• Anlagen:
Einleitung
GrundlagenAnlagen:– Oberes Speicherbecken
– Rohrleitungen / Druckstollen mit Einlauf- und Auslaufbauwerk
Standortfindung
Kostenannahmen
– Kraftwerk mit maschinentechnischen und elektrotechnischen Anlagen, wie:
• Turbine und Pumpen oder Pumpturbine
Ausblick
• Turbine und Pumpen oder Pumpturbine,• Armaturen,• Generator und Motor oder Motorgenerator• Transformator und Anschluss an das Netz (hier 10 kV, ggf. 110 kV)
– Unteres Speicherbecken
– Zufahrt und – Nebenanlagen
Folie 26Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
• Grundlagen Pumpspeicherkraftwerke
Auslegung der Anlagenleistung / Betriebsweise / Zahl der Lastwechsel:
Einleitung
GrundlagenAuslegung der Anlagenleistung / Betriebsweise / Zahl der Lastwechsel:
Dauer in Stunden des Pumpeneinsatzes/Turbineneinsatzes/Lastwechsel pro Jahr
Standortfindung
Kostenannahmen
12 / 8 2508 / 6 2508 / 4 250 Stundenspeicher
Leist ngs egel ng
Ausblick
Leistungsregelung
48 / 4 x 12 50 Wochenspeicher48 / 4 x 12 50 Wochenspeicher125 / 125 25250 / 250 12 Monatsspeicher
Energiespeicherung
Folie 27Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
• Kosten und Erträge
• Annahme zum Strompreis:
Einleitung
Grundlagen p
Pumpenstrom: Nachtstrom am Werktag: 5 bis 20 € / MWhPumpenstrom: Nachtstrom am Wochenende : 1 bis 20 € / MWh
Standortfindung
Kostenannahmen
Turbinenstrom: Spitzenstrom am Werktag: 60 bis 200 € / MWhTurbinenstrom: Spitzenstrom am Wochenende 50 bis 100 € / MWh
Ausblick
Folie 28Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
• Kosten und Erträge
• Annahmen zu Bau- und Investitionspreisen (globaler Ansatz):
Einleitung
GrundlagenAnnahmen zu Bau und Investitionspreisen (globaler Ansatz):
Spezifische Kosten für Wasserkraftanlagen (WKA): 1000 bis 10.000 € / kW install Spezifische Kosten für Pumpspeicheranlagen (PSA): 500 bis 2.000 € / kW install
davon ca. 40 bis 20 % für Maschinen und Elektroanlagendavon ca 60 bis 80 % für Bauanlagen
Standortfindung
Kostenannahmen
davon ca. 60 bis 80 % für Bauanlagen
Allgemein gilt:- je kleiner die Anlage, desto höher die spezifischen Kosten
Ausblick
Zum Vergleich:- Bau von Hochwasserrückhaltebecken: 5 bis 20 € / m³ Stauvolumen- Bau von großen Rohrleitungen / Druckstollen: 1000 € x DN / m Länge
• Annahmen zu Bau- und Investitionspreisen (Gewerke spezifisch):
Turbinenkosten => Umfrage bei über 20 Herstellern Antwort: interessiert, aber keine Richtpreisangabe möglicheigene Recherche bei WKAs ca. bis zu 1 Mio. € / MW install
Pumpenkosten => Recherche läuft nochStandard-Kreisel-Pumpen ca. bis zu 0,5 Mio. € / MW install
Folie 29Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
• Kosten und Erträge
• Annahmen zu Bau- und Investitionspreisen (Gewerke spezifisch):
Einleitung
Grundlagen p ( p )
Oberes Becken => Erdarbeiten Aushub / Planung: 5 bis 20 € / m³
Erdarbeiten Dammschüttung: 5 bis 20 € / m³
Standortfindung
Kostenannahmen
Erdarbeiten Dammschüttung: 5 bis 20 € / m³
Dichtung Asphaltbeton: 30 bis 100 € / m²Ausblick
Unteres Becken => Erdarbeiten Aushub / Planung: 5 bis 20 € / m³
E d b it D hütt 5 bi 20 € / ³Erdarbeiten Dammschüttung: 5 bis 20 € / m³
Dichtung Asphaltbeton: 30 bis 100 € / m²
Folie 30Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
• Kosten und ErträgeEinleitung
Grundlagen
• Kostenberechnung auf Basis von Jahreskosten:
- laufende Betriebskosten (ohne Kapitalkosten) und
Standortfindung
Kostenannahmen
- Basispreis für Pumpstrom p = 20 Euro / MWh,
- Ertrag in Euro pro Jahri i P i fü S i 80 E / MWh
Ausblick
- mit einem Preis für Spitzenstrom p = 80 Euro / MWh- 250 Tage mit Lastzyklen und - Einsatzdauer von 4 / 6 / 8 und 12 Stunden Turbinenbetrieb
•• bei einem Speichervolumen von V = 0,5 / 1,0 / 1,5 Mio m³ • und für eine Fallhöhe von H = 50 / 100 / 150 m
• Ergebnisdarstellung: Rendite zur Bedienung der Kapitalkosten
Folie 31Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Einleitung
GrundlagenKostenberechnung auf Jahreskosten:
Standortfindung
Kostenannahmen
Kostenberechnung auf Jahreskosten:
Maximal erzielbare Rendite bei 12 Stunden Turbinenbetrieb
Speichervolumen V = 0 5 / 1 0 / 1 5 Mio m³Ausblick
Speichervolumen V = 0,5 / 1,0 / 1,5 Mio. m³
Fallhöhe H = 50 m --- 1,9% 2,9%100 m 1,2% 3,1% 4,3%150 m 2 4% 4 5% 5 8%150 m 2,4% 4,5% 5,8%
Folie 32Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Einleitung
GrundlagenKostenberechnung auf Jahreskosten:
Standortfindung
Kostenannahmen
Kostenberechnung auf Jahreskosten:
Maximal erzielbare Rendite bei 12 Stunden Turbinenbetrieb
Speichervolumen V = 0 5 / 1 0 / 1 5 Mio m³Ausblick
Speichervolumen V = 0,5 / 1,0 / 1,5 Mio. m³
Fallhöhe H = 50 m --- 1,9% 2,9%100 m 1,2% 3,1% 4,3%150 m 2 4% 4 5% 5 8%150 m 2,4% 4,5% 5,8%
Kosten je umgelagerter MWh bei Pumpstromkosten von p = 20 Euro/ MWh,Kapitalzinskosten von 3 % und Betriebserhaltungskosten von 2 % der InvestionssummeKapitalzinskosten von 3 % und Betriebserhaltungskosten von 2 % der Investionssumme
Folie 33Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Kosten je umgelagerter MWh bei Pumpstromkosten von p = 20 Euro/ MWh,Kapitalzinskosten von 3 % und Betriebserhaltungskosten von 2 % der Investionssumme ,
und bei einem Speichervolumen von 0,5 bis 1,5 Mio. m³ und Fallhöhen von H = 50 bis 150m
Einleitung
Grundlagen
180
200
V = 0,5 Mio m³ - H = 50 m
Standortfindung
Kostenannahmen
141148
162
140
160
180
V = 0,5 Mio m³ - H = 100 m
V = 0,5 Mio m³ - H = 150 m
Ausblick
134
109114119
130
100
120
o / M
Wh
V = 1,0 Mio m³ - H = 50 m
V = 1,0 Mio m³ - H = 100 m
61657078
60
80Eur
V = 1,0 Mio m³ - H = 150 m
V = 1,5 Mio m³ - H = 50 m
V 1 5 Mi ³ H 100
20
40V = 1,5 Mio m³ - H = 100 m
V = 1,5 Mio m³ - H = 150 m
00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Einsatzdauer in Stunden an 250 Tagen im Jahr
Folie 34Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Fazit und Ausblick:- Kosten für kleine Pumpspeicher sind für die
Einleitung
Grundlagen p pLeistungsregelung und vor allem auch für die Energiespeicherung für den heutigen Markt zu hoch.
- Eventuell ein Marktanreizsystem schaffen
Standortfindung
Kostenannahmen
Eventuell ein Marktanreizsystem schaffen - Zum Beispiel RE in = RE out !!!
Ausblick
- Forschungsbedarf für Kostenreduzierung bei - Turbinen, Pumpen, Elektronik
Ob flä h di h R h l i- Oberflächendichtungen, Rohrleitungen,- Optimierung der Betriebsweise
- Ohne Speicher keine erneuerbare Energie !- Heute anfangen, sonst kommt das Jahr 2050 ohne
100 Prozent erneuerbare Energie !
Folie 35Potenzial und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen FallhöhenA. Schlenkhoff 10. März 2011
Fazit und Ausblick:- Kosten für kleine Pumpspeicher sowohl für
Einleitung
Grundlagen p pLeistungsregelung und vor allem auch für Energiespeicherung zu hoch für den heutigen Markt
- Eventuell Marktanreizsystem schaffen
Standortfindung
Kostenannahmen
Eventuell Marktanreizsystem schaffen - Zum Beispiel RE in = RE out !!!
Ausblick
- Forschungsbedarf für Kostenreduzierung bei - Turbinen, Pumpen, Elektronik
Ob flä h di h R h l i- Oberflächendichtungen, Rohrleitungen,- Betriebsweise
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!