Entwicklung eines Kleinstpumpspeichersystems mit Pumpe-als-Turbine (PATmiPS)

Zusammenfassung

Energiespeicher sind wichtige Bausteine, um den Anteil an regenerativer Energie bei der Stromversorgung zu erhöhen. Nur so kann die Volatilität erneuerbarer Energieerzeugung ausgeglichen werden. Um dem daher verstärkten Interesse sowie den vielfältigen Anforderungen an Speichertechnologien gerecht zu werden, braucht es einer gewissen Vielfalt mit jeweils besonderen Vor- und Nachteilen. Im dem vom Freistaat Bayern geförderten Projekt PATmiPS hat Prof. Dr. Josef Kainz von der Professur für Energietechnik in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Pfeffer untersucht, wie sich ein Mikropumpspeicher mit Pumpe als Turbine (= Kreiselpumpe, die auch als Turbine verwendet werden kann) für die dezentrale Speicherung elektrischer Energie eignet. Dabei wurde unter anderem erarbeitet, welche Standorte und Anlagenkomponenten vorteilhaft sind und unter welchen Voraussetzungen ein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist.
Einschlägige Publikationen:

https://www.mdpi.com/1996-1073/14/2/425

https://www.mdpi.com/2071-1050/14/2/653

Hintergrund und Zielsetzung

Energiespeichertechnologien gewinnen zunehmend an Bedeutung, um den gewünschten Ausbau der erneuerbaren Energieerzeugung weiterhin voranzutreiben. Ein Grund dafür ist die erheblich fluktuierende Leistungsbereitstellung durch Wind und Photovoltaik. Zur Entlastung der Netze und für einen flexiblen Einsatz regenerativ erzeugten Stroms rücken Energiespeichertechnologien wie Batteriespeicher in Zukunft immer weiter in den Fokus. Ein Mikropumpspeicherkraftwerk könnte in diesem Kontext eine Ergänzung zu bereits verwendeten Speichertechnologien für die dezentrale und verbrauchsorientierte Speicherung regenerativ erzeugter Energie darstellen. Für eine wirtschaftliche Realisierung dieses Systems ist die Verwendung einer standardisierten Kreiselpumpe, welche als Pumpe wie auch als Turbine (PAT: Pumpe als Turbine) zusammen mit weiteren standardisierten Komponenten wie z. B. einem Frequenzumrichter angedacht. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die hohen Kosten bei der Einzelfertigung von Bauteilen deutlich zu reduzieren.

Vorgehensweise

Eine vielversprechende Anwendung eines solchen Mikropumpspeicherkraftwerkes ist der Einsatz zur Eigenstrom-Optimierung in Kombination mit einer bestehenden Photovoltaik (PV)-Anlage. Im Pumpbetrieb wird bei niedrigem Energieverbrauch und hoher Solarenergieproduktion das Wasser durch die Pumpe in ein höher gelegenes Oberbecken gepumpt und somit Energie für einen späteren Zeitpunkt gespeichert. Im Turbinenbetrieb fließt das Wasser nun bei hohem Energieverbrauch und geringer PV-Leistung zurück in das Unterbecken und treibt die Kreiselpumpe an, welche nun als Turbine fungiert. Dadurch kann sowohl der Eigenstromverbrauch optimiert als auch der Energiebezug aus dem Netz verringert werden, was zu einer Entlastung des Netzes führt. Die Turbine soll durch einen Frequenzumrichter drehzahlgeregelt werden. Damit wird sichergestellt, dass die Turbine unter Einhaltung ihrer Grenzen (Mindest- & Maximaldurchfluss) über einen möglichst großen Betriebsbereich effizient betrieben werden kann.

Zur Realisierung des Projekts wird ein Prüfstand zum Vermessen von Turbinenkennfeldern verschiedener Kreiselpumpen aufgebaut. Mit Hilfe der Ergebnisse wird durch ein Simulationstool eine optimale Betriebsweise der Pumpe als Turbine erarbeitet. Für die verschiedenen Turbinenkennfelder soll eine Datenbank erstellt werden, mit welcher eine geeignete Prototypenanlage projektiert werden kann.

Publikationen

Roadmap to Profitability for a Speed-Controlled Micro-Hydro Storage System Using Pumps as Turbines

Lugauer, F.; Kainz, J.; Gehlich, E.; Gaderer, M. (2022)

Sustainability 14, 653 (2).
DOI: 10.3390/su14020653

Open Access

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Techno-Economic Efficiency Analysis of Various Operating Strategies for Micro-Hydro Storage Using a Pump as a Turbine

Lugauer, F.; Kainz, J.; Gaderer, M. (2021)

Energies 14, 425 (2).
DOI: 10.3390/en14020425

Open Access

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Vorträge

Präsentation des wissenschaftlichen Projektes „Leitfaden zur Rentabilität eines Kleinstpumpspeichersystems mit Pumpe als Turbine“

Kainz, J. (2021)

Vortrag beim 2. VWB und LVBW Wasserkraftseminar am 05. Oktober 2021.

Vorstellung eines Forschungsprojektes über die Verwendung eines Kleinstpumpspeicher mit Pumpe zur Optimierung der Eigenversorgung

Kainz, J.; Lugauer, F. (2019)

Vortrag beim Ersten Wasserkraftseminar am TUM-Campus, 11.09.2019.

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