Aufgabe HT 2 - a, b) Kraftwerke und Energieversorgung · Abitur NRW Technik GK · Haupttermin 2023

Thema: Kraftwerke und Energieversorgung · Aus der Prüfung GK · Haupttermin (2023)

Aufgabenstellung

Aufgabenstellung: Analyse des Pumpspeicherkraftwerks am Silvrettasee

Das Pumpspeicherkraftwerk Obervermuntwerk II in Vorarlberg (Österreich), das im Juni 2019 in Betrieb ging, speichert Energie mithilfe des Wassers im Silvretta-Stausee (vgl. M 1). Im Turbinenbetrieb fließt ein Teil dieses Wassers in den tiefer liegenden Vermuntsee.

M 1: Bild des Silvrettasees

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Silvretta-Stausee#/media/Datei:Silvrettasee.jpg (Zugriff: 12.01.2022)

M 2: Technische Daten des Pumpspeicherkraftwerks Obervermuntwerk II

Stauziel Silvrettasee: · 2030 m.ü.A. 2

Baukosten: · 500.000.000 €

Elektrische Engpassleistung: 3 · 360 MW

Turbinenzahl: · 2

Pumpenanzahl: · 2

Nutzbares Volumen Silvrettasee: · 38,6⋅106 m338{,}6 \cdot 10^6\text{ m}^3

Mittlere Fallhöhe: · 311,2 m

Wirkungsgrad Motor/Generator: · 0,96

Wirkungsgrad Turbine (Volllast): · 0,88

Wirkungsgrad Pumpe (Volllast): · 0,85

Oberfläche Silvrettasee: · 1,3 km21{,}3\text{ km}^2

Mittlere Höhe des Vermuntsees: · 1718,8 m.ü.A. 2

2 In Österreich wird – im Gegensatz zu Deutschland – die Meereshöhe auf den mittleren Pegelstand der Adria am Molto Sartorio von Triest bezogen: m.ü.A. In Deutschland wird als mittlere Pegelhöhe NHN (auch verallgemeinert NN) verwendet und bezieht sich hier auf einen im Jahre 1674 gemessenen Pegel in Amsterdam, NL.

3 Die Engpassleistung wird vom schwächsten Glied der gesamten Leistungskette bestimmt. Einzelne Baugruppen könnten somit theoretisch mehr Leistung erbringen, werden aber von schwächeren Baugruppen daran gehindert. Die Engpassleistung ist somit der erreichbaren Maximalleistung gleichbedeutend.

M 3: Einsatzbereiche der Turbinen

Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kennfeld_Wasserturbinen_Francis.svg (geändert; Zugriff: 12.01.2022)

a)

Grundlagen und Querschnittsbild

[15 Punkte]

Erläutern Sie, nach welchem Grundprinzip ein Pumpspeicherkraftwerk arbeitet.

Zeichnen Sie den Querschnitt eines Pumpspeicherkraftwerks. Ordnen Sie in Ihrer Zeichnung die Teilsysteme Turbine, Generator, Absperrschieber, Wasserschloss, Einlauf, Stauziel, Unterwasser und zusätzlich zwei weitere Teilsysteme den passenden Stellen zu.

b)

Bewertung regenerative Energiequelle

[6 Punkte]

Diskutieren Sie ausgehend von der Aussage „Wenn sich der Energiemix ausschließlich aus regenerativen Energiequellen zusammensetzt, sind Pumpspeicherkraftwerke auch regenerative Energiequellen.“, inwiefern Pumpspeicherkraftwerke den regenerativen oder den nicht-regenerativen Energiequellen zugeordnet werden dürfen.

Aufgabenstellung: Aufgabe HT 2 - a, b) Kraftwerke und Energieversorgung · Abitur NRW Technik GK · Haupttermin 2023

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

a) Erläutern Sie, nach welchem Grundprinzip ein Pumpspeicherkraftwerk arbeitet.

Lösung: Ein Pumpspeicherkraftwerk dient zur Speicherung elektrischer Energie in Form von Lageenergie. Dazu wird in Zeiten geringen Verbrauchs oder Überproduktion durch regenerative Energiequellen das Wasser in das Oberbecken gepumpt. In Zeiten erhöhten Bedarfs kann das Wasser kurzfristig durch die Turbinen geleitet werden. Die Lageenergie des Wassers wird zunächst in mechanische Energie (Turbine) und anschließend wieder in elektrische Energie überführt.

a) Zeichnen Sie den Querschnitt eines Pumpspeicherkraftwerks. Ordnen Sie in Ihrer Zeichnung die Teilsysteme Turbine, Generator, Absperrschieber, Wasserschloss, Einlauf, Stauziel, Unterwasser und zusätzlich zwei weitere Teilsysteme den passenden Stellen zu.

Lösung: Die Querschnittszeichnung stellt schematisch das Oberbecken (Speicherbecken mit Stauziel und Absenkziel), den Einlauf, das Wasserschloss, den Druckstollen/die Druckleitung, den Absperrschieber, das Maschinenhaus (mit Turbine und Motor/Generator) sowie den Zulaufstollen zum Unterwasser/Talsee dar. Zusätzlich zu den vorgegebenen Teilsystemen können z. B. Druckstollen/Druckleitung, Absenkziel oder Zulaufstollen zugeordnet werden.

b) Diskutieren Sie ausgehend von der Aussage „Wenn sich der Energiemix ausschließlich aus regenerativen Energiequellen zusammensetzt, sind Pumpspeicherkraftwerke auch regenerative Energiequellen.“, inwiefern Pumpspeicherkraftwerke den regenerativen oder den nicht-regenerativen Energiequellen zugeordnet werden dürfen.

Lösung: Man könnte Pumpspeicherkraftwerke gleichermaßen als regenerativ bzw. nicht-regenerativ ansehen, je nach Anteil der regenerativen Energien im Energiemix. Dem steht allerdings deutlich entgegen, dass Pumpspeicherkraftwerke prinzipbedingt mehr Energie zur Speicherung aufwenden müssen als sie zurückgewinnen können. Pumpspeicherkraftwerke gehören daher streng genommen gar nicht zu den „Energiequellen“, sondern stellen immer eine „Energiesenke“ dar. Pumpspeicherkraftwerke sind somit lediglich Energiespeicher. Ausnahmen bilden Pumpspeicherkraftwerke, die natürliche Zuläufe in das Oberwasser besitzen. Diese Anteile sind dann regenerativ.

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