Aufgabe Vorschlag B - Aufgabe 2 · Abitur Hessen Umwelttechnik LK 2021

2.1 Skizzieren Sie das Funktionsschaltbild eines Pumpspeicherkraftwerks und beschriften Sie es.

Lösung: Beschriftung der Komponenten: - Oberbecken - Druckrohr - Maschinenhaus / Krafthaus mit Francis-Turbine, Generator und Pumpe - Druckrohrverteilung - Unterbecken

2.1 Erklären Sie die Aufgaben und Funktionen eines Pumpspeicherkraftwerks.

Lösung: - Bei Stromüberschuss wird Wasser vom Unter- in das Oberbecken gepumpt und so in Form von potenzieller Energie gespeichert. Der Generator arbeitet dabei als Motor und treibt die Pumpe an. - Wird Strom benötigt, so fließt das Wasser vom Oberbecken in das Unterbecken und treibt eine Turbine an, die über eine Welle mit dem Generator verbunden ist. Der Generator erzeugt den Strom. - Pumpspeicherkraftwerke können innerhalb von sehr kurzer Zeit mit voller Leistung ans Netz geschaltet und auch wieder vom Netz genommen werden. - Pumpspeicherkraftwerke speichern überschüssigen Nachtstrom zur Abdeckung der Mittagsspitzen (Energiebedarf durch das produzierende Gewerbe und in den Haushalten zu dieser Zeit besonders hoch). - Hierdurch werden Pumpspeicherkraftwerke gut ausgelastet.

2.2 Erläutern Sie mithilfe von Material 3 die Aufgaben, die Pumpspeicherkraftwerke in den letzten Jahrzehnten hatten, und beschreiben Sie die Auswirkungen der stärkeren Nutzung der Photovoltaik auf die Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicherkraftwerken.

Lösung: Erläuterung: - Pumpspeicherkraftwerke speichern Energie, welche von den Grundlastkraftwerken in den frühen Morgenstunden erzeugt wird und nicht von den Verbrauchern abgenommen wird. - In den Spitzenlastzeiten, wenn Grund- und Mittellastkraftwerke aufgrund der benötigten kurzen Anfahr- und Abfahrtzeiten die Energieversorgung nicht mehr gewährleisten können, kommen Pumpspeicherkraftwerke zum Einsatz. - Durch ihre extrem kurzen Anfahr- und Abfahrzeiten können sie die Energie auch bei den schnellen Lastwechseln der Mittags- und frühen Abendstunden bereitstellen. Beschreibung: Durch den starken Ausbau der Photovoltaik, die in ihrer Energieproduktion in weiten Teilen dem Tagesbedarf folgt, ist das Stromangebot in der Mittagszeit wesentlich größer geworden, sodass auf die Stromeinspeisung aus Pumpspeicherkraftwerken an sonnigen Tagen häufig verzichtet werden muss. Das verringert deren Wirtschaftlichkeit.

2.3 Berechnen Sie die potenzielle Energie, die im Oberbecken insgesamt gespeichert werden kann (Material 3).

Lösung: $3549\,\text{MWh}$ / $12{,}8\,\text{TJ}$

2.3 Berechnen Sie die innerhalb von 6 Stunden geförderte Wassermenge zur Speicherung der Energie.

Lösung: $1{,}5 \cdot 10^6\,\text{m}^3$ / $1{,}50 \cdot 10^9\,\text{kg}$

2.3 Berechnen Sie die daraus resultierende Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung zum Unterbecken.

Lösung: $2{,}75\,\text{m/s}$

2.4 Erörtern Sie den Zusammenhang zwischen der stärkeren Nutzung regenerativer Energien, dem Stromnetzausbau und dem Ausbau von Speicherkraftwerken.

Lösung: - Die Stromerzeugung durch erneuerbare Energien, insbesondere durch Wind- und Sonnenkraft, ist wetterabhängig und kann stark schwankend sein. - Eine sichere Stromversorgung setzt eine gleichmäßige, dem Verbrauch angepasste, Stromerzeugung voraus. - Pumpspeicherkraftwerke können sehr schnell zugeschaltet werden, um kurzfristige Spitzenlasten oder kurzfristige Schwankungen im Stromnetz auszugleichen. Überschüssige Strommengen z.B. aus Windkraftanlagen können zwischengespeichert werden. - Mit dem weiteren Ausbau der Windenergie werden zusätzliche Speicherkapazitäten notwendig. Allerdings können diese in den wenigsten Fällen in unmittelbarer Nähe zu den Erzeugungsanlagen realisiert werden. Die Strommengen müssen daher über Fernleitungen transportiert werden.

2.4 Nennen Sie zwei weitere Möglichkeiten der Energiespeicherung und vergleichen Sie diese beiden miteinander hinsichtlich ihrer großtechnischen Realisierbarkeit.

Lösung: Nennung zweier Möglichkeiten, z.B.: - Batteriespeicher - Druckluftspeicher - Power-to-Gas Vergleich zweier genannter Möglichkeiten, z.B.: - Im Gegensatz zu Druckluftspeicher oder Power-to-Gas können Batteriespeicher nicht in großtechnischen Anlagen dazu genutzt werden, Energie zu speichern und in der Netzversorgung Lasten abzufangen oder auszugleichen. Sie besitzen, verglichen mit Druckluftspeicher oder Power-to-Gas, eine zu kurze Lebensdauer, haben aufgrund der zu kleinen realisierbaren Baugrößen eine zu geringe Speicherkapazität und sind viel zu teuer. In kleineren Verbrauchereinheiten, wie z.B. bei der E-Mobilität, sind sie gut großtechnisch realisierbar. - Im Vergleich zu Batteriespeicher haben Druckluftspeicher einen sehr geringen Wirkungsgrad, allerdings gibt es schon Verbesserungen hinsichtlich der Abwärmenutzung des Verdichtungsprozesses. Im Gegensatz zu Power-to-Gas können Druckluftspeicher nur an wenigen Standorten großtechnisch realisiert werden, da hierfür druckdichte natürliche Kavernen oder druckdichte künstliche unterirdische Hohlräume (z.B. einige Bergwerksstollen) mit sehr großem Volumen benötigt werden. - Bei Power-to-Gas ist der Wirkungsgrad, aufgrund der Verluste bei der Umwandlung von elektrischer in chemischer Energie, verglichen mit Batteriespeichern sehr gering. In Verbindung mit dem bereits bestehenden Erdgasnetz ergeben sich jedoch, anders als bei den anderen beiden Verfahren, landesweit gute Möglichkeiten der Energiespeicherung und der Energieverteilung. Die Möglichkeit der großtechnischen Realisierung ist daher gegeben.