In Spanien ist Wasserkraft eine der am weitesten verbreiteten Formen der erneuerbaren Energieerzeugung und deckt jährlich 8 bis 16 % des Strombedarfs. Die Steigerung der Effizienz der Wasserkraftnutzung bei gleichzeitiger Kostensenkung ist jedoch weiterhin ein zentrales Ziel der Forschung.

Eine Studie unter Beteiligung von Forschern der Polytechnischen Universität Madrid (UPM) zeigt, dass die kombinierte Nutzung netzgekoppelter Energiespeichersysteme – mittels elektronischer Frequenzumrichter (Batterien, Schwungräder und Superkondensatoren) – und Pumpspeicherkraftwerke die Effizienz von Pumpspeicherkraftwerken verbessern und gleichzeitig den Verschleiß der Anlagen reduzieren kann, wodurch die Prozesskosten sinken. Ziel

dieser Arbeit, an der auch das Zentrum für Energie-, Umwelt- und Technologieforschung (CIEMAT) und die Firma Schwungrad Energie Ltd. beteiligt waren, war die Untersuchung der Vorteile des koordinierten Betriebs von Schwungrädern (einer Technologie zur Speicherung großer Energiemengen) und Pumpspeicherkraftwerken. Im letzteren Fall wird bei sinkendem Energiebedarf und dem daraus resultierenden Energieüberschuss im Netz Wasser aus dem unteren Speicherbecken in das obere gepumpt (Pumpvorgang), um diese überschüssige Energie zu nutzen.

„Schwungräder zeichnen sich einerseits durch hervorragende Wirk- und Blindleistungsregelung und eine hohe Leistungsdichte aus; ihre Dimensionierung ist hinsichtlich Leistung und Energie flexibel, und sie halten einer hohen Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen stand. Andererseits verfügen Pumpspeicherkraftwerke über eine elektrische Energiespeicherkapazität, die derzeit alle anderen Speichertechnologien übertrifft, und bieten eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit“, erklärt Juan Ignacio Pérez Díaz, Forscher in der Gruppe Hydroinformatik und Wassermanagement an der Fakultät für Bauingenieurwesen, Kanäle und Häfen der UPM (Technische Universität Madrid).

Eine mögliche und vorteilhafte Integration.
Die Forscher fanden heraus, dass die kombinierte Nutzung beider Technologien nicht nur die Prozesseffizienz steigert, sondern auch den Verschleiß der Anlagen reduziert und die Frequenzqualität des Stromnetzes verbessert.

„Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass der koordinierte Betrieb von Schnellspeichersystemen (die über Leistungselektronik mit dem Netz verbunden sind), Wasserkraft und Pumpspeicherkraftwerken durch geeignete Regelungsstrategien und Erzeugungsplanungsalgorithmen zu höheren Erträgen von Wasserkraft- und Pumpspeicherkraftwerken auf den Energie- und Regelleistungsmärkten beitragen kann“, so Pérez Díaz. „Darüber hinaus fördert er die Integration nicht steuerbarer erneuerbarer Energiequellen (Wind, Photovoltaik und Laufwasserkraft) und erleichtert somit den Übergang zu einem vollständig auf erneuerbaren Energien basierenden Stromsystem.“

Für die Forscher liegt die Bedeutung dieser Arbeit auch in den Möglichkeiten, die sie zur Förderung interdisziplinärer Zusammenarbeit und zur Schaffung von Arbeitsplätzen bietet, ganz zu schweigen von ihrem Potenzial, die Entwicklung erneuerbarer Energien und den Umweltschutz voranzutreiben.

„Im Dezember 2018 betrug die weltweit installierte Leistung von Wasserkraftwerken und Pumpspeicherkraftwerken 1.292 GW bzw. 160 GW, wobei Pumpspeicherkraftwerke 2016 99 % der an das Stromnetz angeschlossenen Speicherkapazität ausmachten“, erklärt der Forscher der UPM. „Da die Umsetzung dieses Forschungsvorhabens die Zusammenarbeit von Ingenieurbüros, Herstellern von Energiespeichersystemen, Leistungselektronik sowie Mess- und Regeltechnik erfordern würde, wären die sozialen Auswirkungen in Bezug auf die Beschäftigung, die der koordinierte Betrieb eines kleinen Prozentsatzes der installierten Leistung von Wasserkraftwerken und Pumpspeicherkraftwerken mit Schnellspeichersystemen hätte, außerordentlich. Darüber hinaus hätte dies positive Auswirkungen auf den Sektor der erneuerbaren Energien, würde dessen Verbreitung fördern und somit die Umwelt schonen“, schließt Juan Ignacio Pérez

. Pérez-Díaz, M. Lafoz, F. Burke, „Integration of fast acting energy storage systems in existing pumped-storage power plants to enhance the system's frequency control“, Wiley Interdisciplinary Energy Reviews, 2019; e367. https://doi.org/10.1002/wene.367