Inhalt des Artikels
Was ist ein Pumpspeicherkraftwerk?
Ein Pumpspeicherkraftwerk ist eine Sonderform des Wasserkraftwerks, die elektrische Energie in Form von Lageenergie speichert. Dazu pumpt es in Zeiten niedriger Stromnachfrage Wasser von einem tiefer gelegenen Unterbecken in ein höher gelegenes Oberbecken. Steigt die Nachfrage, öffnen Ventile den Druckstollen, das Wasser fließt zurück und treibt Turbinen an, die Generatoren zur Stromerzeugung in Rotation versetzen.
Der entscheidende Unterschied zum reinen Speicherkraftwerk liegt im bidirektionalen Betrieb: Während ein Speicherkraftwerk ausschließlich natürlich zugeführtes Wasser einmalig nutzt, pumpt das Pumpspeicherkraftwerk dasselbe Wasser immer wieder zwischen Ober- und Unterbecken hin und her. Einen Überblick über alle Wasserkrafttypen bietet unser Artikel zu den Arten von Wasserkraftwerken im Überblick.
📌 Good-To-Know: Die Begriffe Pumpspeicherkraftwerk, Pumpspeicherwerk und Pumpwasserkraftwerk beschreiben dieselbe Technologie. Pumpenspeicherkraftwerk ist ebenfalls eine verbreitete Schreibvariante. Im Fachjargon ist die Kurzform PSW gebräuchlich.
Funktionsweise & Aufbau eines Pumpspeicherkraftwerks
Ein Pumpspeicherkraftwerk besteht aus mehreren aufeinander abgestimmten Komponenten, die im Turbinen- und Pumpbetrieb zusammenarbeiten. Die allgemeinen Grundlagen der Wasserkrafttechnik erklärt unser Artikel zum Aufbau und Funktionsweise eines Wasserkraftwerks.
Ober- und Unterbecken
Das Oberbecken liegt auf einer Anhöhe und dient als Energiespeicher. Je höher es über dem Unterbecken liegt, desto mehr potenzielle Energie steht zur Verfügung. Goldisthal in Thüringen etwa hat einen Höhenunterschied von rund 300 Metern zwischen Ober- und Unterbecken. Das Oberbecken fasst dort 13 Millionen Kubikmeter Arbeitswasser, ausreichend für rund neun Stunden Volllastbetrieb.
Das Unterbecken nimmt das abfließende Wasser auf und hält es für den nächsten Pumpdurchgang bereit. Bei einigen Anlagen dient ein natürlicher Fluss oder ein vorhandener Stausee als Unterbecken.
Pumpen und Turbinen
Im Turbinenbetrieb fließt Wasser vom Oberbecken durch den Druckstollen bergab und treibt Turbinen an. Dabei kommen je nach Fallhöhe Francis-, Pelton- oder Kaplan-Turbinen zum Einsatz. Goldisthal nutzt sogenannte Pumpturbinen, die in beide Richtungen arbeiten. Im Pumpbetrieb drehen sich dieselben Maschinen als Pumpen und fördern Wasser zurück ins Oberbecken.
Goldisthal setzt als erste Anlage Europas drehzahlgeregelte Pumpturbinen ein. Zwei der vier Maschinensätze arbeiten mit variabler Drehzahl, was sowohl beim Turbinieren als auch beim Pumpen einen optimalen Wirkungsgrad ermöglicht.
Maschinenhalle, Rohrleitungen und Steuereinheit
Die Maschinenhalle beherbergt Turbinen, Generatoren und die gesamte Leittechnik. Bei modernen Anlagen liegt sie unterirdisch in einer Kaverne, was sie vor Witterung schützt und den Landschaftseingriff minimiert. Die Druckstollen verbinden Ober- und Unterbecken mit der Maschinenhalle. Ein Wasserschloss gleicht Druckschwankungen aus, die beim Öffnen und Schließen der Absperrventile entstehen.
Die Steuereinheit koordiniert den Wechsel zwischen Pump- und Turbinenbetrieb. Moderne Anlagen reagieren innerhalb von Sekunden auf Signale aus dem Stromnetz und können vom Stillstand auf Volllast in unter zwei Minuten hochgefahren werden.
🌱 Green-Fact: Pumpspeicherkraftwerke erzeugen im Betrieb keine CO₂-Emissionen. Ihr eigentlicher Beitrag zur Energiewende liegt nicht in der Stromerzeugung, sondern in der zeitlichen Entkopplung von Erzeugung und Verbrauch: Überschüssiger Solarstrom vom Mittag wird als Abendstrom verfügbar gemacht.
Wirkungsgrad eines Pumpspeicherkraftwerks
Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel der eingesetzten Pumpenergie beim Turbinieren zurückgewonnen wird. Moderne Pumpspeicherkraftwerke erreichen im Gesamtzyklus 70 bis 80 %. Von 100 kWh Strom, die zum Hochpumpen eingesetzt werden, stehen beim Abruf also 70 bis 80 kWh als nutzbarer Strom zur Verfügung. Der Rest geht als Wärme in Turbinen, Pumpen, Generatoren und Leitungen verloren.
Das klingt nach Verlust, ist aber bewusst kalkuliert. Pumpspeicherkraftwerke kaufen Strom dann, wenn er günstig und im Überfluss vorhanden ist, etwa nachts oder bei Solarspitzen am Mittag. Sie verkaufen ihn dann, wenn die Nachfrage und damit der Preis hoch sind. Der Wirkungsgradverlust ist dabei der wirtschaftlich akzeptierte Preis für Flexibilität und Netzstabilität.
Ergänzung um Photovoltaik
Wer sich fragt, ob ein Pumpspeicherkraftwerk sinnvoll ist, wenn beim Zyklus Energie verloren geht, hat richtig gedacht. Eine interessante Antwort darauf liefert die Kombination von Pumpspeicher und Photovoltaik.
Ein Solarpark erzeugt nach Amortisation der Anlage „quasi kostenfreien“ Strom, welcher dann für den Betrieb der Pumpen genutzt werden kann. Das Pumpspeicherkraftwerk gibt sie dann zum benötigten Zeitpunkt ab, beispielsweise abends oder bei Stromspitzen im Winter. Der Wirkungsgradverlust fällt kaum ins Gewicht, wenn die Eingangsenergie nahezu kostenfrei produziert wurde.
Ein konkretes Beispiel aus Deutschland ist das Pumpspeicherwerk Markersbach im Erzgebirge. Vattenfall hat dort im Rahmen des Projekts „pv@hydro“ eine Photovoltaikanlage mit 4,3 Megawatt am Damm des Oberbeckens installiert, bestehend aus rund 11.000 Solarmodulen. Zusätzlich wurden Dachflächen nachgerüstet, sodass beide Standorte Markersbach und Geesthacht zusammen auf 7 Megawatt Photovoltaikleistung kommen. Die Solaranlage erzeugt jährlich so viel Strom, wie etwa 1.500 deutsche Durchschnittshaushalte verbrauchen.
📌 Good-To-Know: Die Kombination aus Pumpspeicher und Photovoltaik gilt als Blaupause für die nächste Generation hybrider Kraftwerke. Solarüberschüsse am Mittag werden direkt in Lageenergie umgewandelt und stehen abends als sauberer Regelstrom bereit.
Pumpspeicherkraftwerk: Vorteile und Nachteile
Vorteile
- Einzige Großspeichertechnologie im GW-Bereich
- Netzstabilisierung in Sekunden
- Kaum Emissionen im Betrieb
- Jahrzehnte Lebensdauer (Goldisthal seit 2003)
- Bidirektionaler Betrieb (Pumpen und Erzeugen)
- Ergänzt Wind und Solar optimal
Nachteile
- Wirkungsgradverlust von 20-30 % pro Zyklus
- Hohe Investitionskosten (mehrere hundert Mio. Euro)
- Standortabhängig: braucht großen Höhenunterschied
- Ökologische Eingriffe durch Stauseebau
- Lange Genehmigungsverfahren bei Neubau
- Wirtschaftlichkeit abhängig von Strompreisdifferenz
Kosten und Wirtschaftlichkeit
Der Bau eines Pumpspeicherkraftwerks gehört zu den kapitalintensivsten Infrastrukturprojekten überhaupt. Goldisthal kostete rund 620 Millionen Euro, das grenzüberschreitende Kraftwerk Vianden an der luxemburgisch-deutschen Grenze wurde mit rund 1,5 Milliarden Euro beziffert. Die Kosten entstehen hauptsächlich durch den Stollenbau, die Kaverne für das Maschinenhaus und die Beckeninfrastruktur.
Die Wirtschaftlichkeit hängt direkt von der Preisdifferenz zwischen günstiger Pumpenergie und teurem Spitzenstrom ab. Geringe Spreads im Strommarkt, wie sie in den 2010er-Jahren durch Überkapazitäten entstanden, senkten die Rentabilität vieler Anlagen. Mit dem weiteren Ausbau von Wind und Solar und den damit verbundenen häufigeren Preisspitzen steigt die wirtschaftliche Attraktivität von Pumpspeicherkraftwerken wieder.
Pumpspeicherkraftwerk für zuhause: geht das?
Ein klassisches Pumpspeicherkraftwerk im eigenen Garten ist technisch nicht realisierbar. Der Grund liegt in der Physik: Die speicherbare Energiemenge hängt vom Volumen und der Fallhöhe des Wassers ab. Um 1 kWh Energie zu speichern, braucht es bei 100 Metern Fallhöhe rund 3.700 Liter Wasser. Selbst kleine Hausbatterien mit 10 kWh würden also 37.000 Liter und einen zehnstöckigen Höhenunterschied erfordern.
Für private Stromspeicherung sind Lithium-Ionen-Batteriespeicher in Kombination mit einer Photovoltaikanlage die praktische Lösung. Pumpspeicherkraftwerke bleiben eine Technologie für den industriellen und volkswirtschaftlichen Maßstab.
✓ Dran gedacht? Mini-Pumpspeicher in sehr kleinem Maßstab werden erforscht, etwa mit unterirdischen Schächten oder Gewichten statt Wasser. Kommerziell verfügbare Haushalts-Pumpspeicher gibt es bislang nicht.
Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland
Deutschland verfügt über rund 30 Pumpspeicherkraftwerke mit einer installierten Gesamtleistung von ca. 9,4 bis 10 GW und einer Speicherkapazität von rund 37 bis 40 GWh. Damit ist Deutschland europaweit einer der wichtigsten Standorte für Pumpspeichertechnologie, hinter Österreich und der Schweiz, die je nach Hochgebirgstopographie noch höhere spezifische Kapazitäten aufweisen.
| Kraftwerk | Bundesland | Leistung | Besonderheit |
|---|---|---|---|
| Goldisthal | Thüringen | 1.060 MW | Größtes Wasserkraftwerk Deutschlands; erste drehzahlgeregelte PSW-Einheit in Europa |
| Markersbach | Sachsen | 1.050 MW | Eines der größten PSW im Osten Deutschlands; Projekt pv@hydro mit 7 MW Photovoltaik |
| Vianden | Grenzanlage DE/LU | 1.296 MW | Größte Pumpspeicheranlage Westeuropas an der Our |
| Waldeck | Hessen | Ca. 480 MW | Einer der ältesten Pumpspeicherstandorte Deutschlands am Edersee |
| Happurg | Bayern | Ca. 160 MW | Unterirdische Kaverne und Betrieb seit 1965 |
Beim weiteren Ausbau stehen lange Genehmigungsverfahren, ökologische Auflagen und die Frage der Wirtschaftlichkeit im Vordergrund. Mehr zur Entwicklung der Wasserkraft in Deutschland bietet unser Artikel zu Wasserkraftwerken in Deutschland.
