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Prototypen für effiziente Stromspeicher

12.10.2016 | FoE Sustainable Systems |

Von Ulrike Keller

Pumpspeicherkraftwerke speichern Strom effizient und speisen ihn in Sekundenschnelle ins Netz ein. Dahinter steckt ausgeklügelte Ingenieurskunst, wie ein Besuch im Wasserbaulabor der TU Graz zeigt.

Im Wasserbaulabor am Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU Graz. Im Bild zu sehen ist das Wasserfall-Dämpfungselement des Modell-Wasserschlosses für das Pumpspeicherkraftwerk Obervermuntwerk 2 in Vorarlberg.

Für uns Europäerinnen und Europäer scheint es die normalste Sache der Welt zu sein, dass wir jederzeit die Leselampe einschalten können und der Kühlschrank ohne Unterbrechung läuft. Dass in jeder Sekunde so viel Strom erzeugt wird, wie gerade verbraucht wird, ist eine der großen technischen Meisterleistungen des 20. Jahrhunderts – besonders wenn man an die steigende Integration der erneuerbaren Energien denkt. Denn die Natur hat einen eigenen Rhythmus: Wind- und Solarkraftwerke können Strom nicht immer in den geforderten Mengen und zum gewünschten Zeitpunkt liefern. Im Winter gibt es auch Tage, an denen weder der Wind bläst noch die Sonne scheint – aber über 10 000 000 Kilowatt Leistung im österreichischen Stromsystem, und über 80 000 000 Kilowatt im deutschen Stromsystem gebraucht werden. "Die überschüssige Energie der ertragreichen Tage muss daher gespeichert werden, damit sie in den wind- und sonnenarmen Zeiten zur Verfügung steht. Im großen Stil ist das nach heutigem Stand der Technik nur mit Hilfe von Pumpspeicherkraftwerken möglich", erklärt Gerald Zenz, Leiter des Instituts für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU Graz.

Wasserkraftwerk und Energiespeicher kombiniert

Die österreichischen Pumpspeicherkraftwerke tragen wesentlich zu einem stabilen Stromnetz in Österreich und Deutschland bei, indem sie in kürzester Zeit auf Netzschwankungen reagieren: Wenn Strom gebraucht wird, wird Wasser vom Oberbecken über den Druckstollen zu Krafthaus oder Kraftkaverne geleitet und versetzt dort die Turbinen in Bewegung. Diese treiben dann massive Generatoren an, die den wertvollen Strom erzeugen. So kann innerhalb von Sekunden Strom produziert und ins Netz eingespeist werden. Das Besondere an Pumpspeicherkraftwerken ist, dass das Wasser vom Unterbecken wieder zurückgepumpt werden kann, wenn im Netz Stromüberschuss herrscht. "Bei neuen Pumpspeicherkraftwerken wird im Hinblick auf die Stromspeicherung ein Gesamtwirkungsgrad von etwa 80 Prozent erreicht – dies ist die effizienteste Art, um große Mengen Strom zu speichern. Die derzeit vieldiskutierte Stromspeicherung mittels Power to Gas, bei der unter Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energiequellen Methangas erzeugt wird, das dann im Erdgassystem eingespeist werden kann, hat im Vergleich dazu einen Gesamtwirkungsgrad von unter 30 Prozent", sagt Wolfgang Richter, Mitarbeiter am Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU Graz.

Foto des Vermuntsees im Vorarlberger Montafon mit dem Wasserkraftwerk Obervermuntwerk 1.

Der Vermuntsee im Vorarlberger Montafon mit dem Wasserkraftwerk Obervermuntwerk 1 der Vorarlberger Illwerke AG. 2014 startete die Errichtung von Obervermuntwerk 2 zwischen den zwei bestehenden Speicherseen Silvrettasee und Vermuntsee. Es ist komplett unsichtbar im Berginneren.

Ein Wasserschloss für das Obervermuntwerk 2

Jedes Pumpspeicherkraftwerk ist einzigartig und muss an die Gegebenheiten vor Ort angepasst werden. Der Bau von neuen Pumpspeicherkraftwerken mit steigenden Ausbauwassermengen und immer größer werdenden Anforderungen an die Anlagenflexibilität erfordert die Expertise aus Bauingenieurwesen, Maschinenbau und Elektrotechnik. Die Vorarlberger Illwerke AG, die das derzeit flexibelste Pumpspeicherkraftwerk der Welt – Kopswerk 2 – betreiben, setzen in Sachen Forschung und Rekrutierung von ausgebildeten Ingenieurinnen und Ingenieuren bereits seit vielen Jahrzehnten auf die TU Graz. Und auch beim aktuellsten Projekt – dem Pumpspeicherkraftwerk Obervermuntwerk 2, das neue Maßstäbe in der Kraftwerkstechnik setzen und voraussichtlich 2018 in Betrieb gehen wird – ist die TU Graz maßgeblich beteiligt.

Zwei Arbeiter, die in den Steigschacht des Pumpspeicherkraftwerks Obervermuntwerk 2 blicken.

Einblick in die Bauarbeiten am Pumpspeicherkraftwerk Obervermuntwerk 2. Die Aufnahme zeigt Arbeiter, die gerade in den großen Steigschacht blicken.

Im Forschungsmittelpunkt der TU Graz steht das Wasserschloss, eine Anlage im Triebwasserweg von Wasserkraftwerken. Bei einer Wassermasse im Druckstollen von 105.000 Tonnen ist ein Wasserschloss notwendig, um die immense kinetische Energie zu bändigen und eine volle Regelfähigkeit des Kraftwerks zu ermöglichen: Das schnell fließende Wasser weicht beim Schließen der Turbinen in das Wasserschloss aus, und der Wasserspiegel kann sich dort frei auspendeln. So werden die Druckschwankungen in den Rohrleitungen des Wasserkraftwerks ausgeglichen.

Foto des Modellbauteams beim Wasserschloss im Wasserbaulabor der TU Graz.

Das Modellbauteam der TU Graz und das Team der Vorarlberger Illwerke AG im Wasserbaulabor der TU Graz. Das gesamte Wasserschloss wurde hier im Maßstab 1:30 aufgebaut. Sowohl das Stahlgerüst als auch die Plexiglasteile wurden in den Werkstätten des Instituts für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU Graz hergestellt.

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU Graz wurde das Wasserschloss von Obervermuntwerk 2 durch ein- und dreidimensionale numerische Strömungssimulationen optimiert und ausgelegt, sowie anhand physikalischer Modellversuche überprüft. Dafür haben das Modellbauteam der TU Graz und das Team der Vorarlberger Illwerke AG das gesamte Wasserschloss, dessen wahre Höhe von 292 Metern fast jener des Pariser Eiffelturms entspricht, im Maßstab 1:30 im Wasserbaulabor der TU Graz nachgebaut. Ein Video zeigt das Wasserschloss-Modell "in Aktion". Hier geht es zum 3D-Modell des Wasserschlosses für das Obervermuntwerk 2.

Die TU Graz beherbergt zwei Wasserbaulabore mit einer Gesamtfläche von 3.500 Quadratmetern für hydraulische Versuchsanordnungen mit maßstabsgetreuen Modellen von Kraftwerksanlagen und anderen Wasserbauten.

Der an der TU Graz speziell für das Obervermuntwerk 2 entworfene und getestete Wasserschloss-Prototyp weist zwei Besonderheiten auf: ein Wasserfalldämpfungselement, das erstmals gebaut wird und die Energie eines massiven Wasserfalls gleichmäßig auf den Querschnitt verteilt, sowie eine optimierte hydraulisch asymmetrische Drossel. Die Fachzeitschrift "Geomechanics and Tunnelling" erläutert diesen besonderen Prototypen näher. 

Dieses Forschungsgebiet ist an der TU Graz im Field of Expertise "Sustainable Systems" verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern.

Information

Ein Video gibt Einblicke vom Baufortschritt des Obervermuntwerk 2.

Kontakt

Gerald ZENZ
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft
gerald.zenznoSpam@tugraz.at
https://www.tugraz.at/institute/iwb/home/

Wolfgang RICHTER
Dipl.-Ing.
Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft 
Tel.: +43 316 873 8352
wolfgang.richternoSpam@tugraz.at