Eine Möglichkeit, die Schwankungen der erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne zu überwinden, ist die Speicherung von Energie mit Hilfe von Wasserkraftwerken (PHES).

Die Idee der Pumpspeicherung ist nicht neu, aber ihre Stärken und ihre Praxistauglichkeit überzeugen immer mehr Länder, die die Widerstandsfähigkeit ihrer Energienetze verbessern und stärker auf erneuerbare Energien setzen wollen. PHES können Energie auf der Ebene von Regionen oder Ländern speichern, und zwar für Stunden oder Tage. Zum Vergleich: Das Pumpspeicherkraftwerk Bath County, eines der größten der Welt, hat eine Erzeugungskapazität von 3 GW und kann 24 GWh speichern, während die größten in Betrieb befindlichen Batteriespeicher vielleicht 1-2 GWh speichern.

Die Bereitstellung von Speicherkapazitäten mit hoher Kapazität und langer Lebensdauer erhöht die Netzstabilität, wenn sie in Kombination mit intermittierender oder stark schwankender Erzeugung genutzt wird. Die gespeicherte Energie kann bei Bedarf abgerufen werden, was die Zuverlässigkeit des Netzes verbessert, insbesondere in Zeiten hoher Nachfrage oder bei Ausfällen. Die Energiespeicherung verringert auch die Notwendigkeit, die Einspeisung erneuerbarer Energien in Zeiten hoher Leistung und geringer Nachfrage zu drosseln. Daher maximiert sie den Wert von mehr erneuerbarer,CO2-armer Energie.

Wie bei der Energiewende üblich, gibt es auch bei dieser Technologie, obwohl sie gut erprobt ist, viele Entwicklungshürden, die einen erfahrenen, multidisziplinären Ansatz und Zeit zur Überwindung erfordern. PHES-Anlagen erfordern eine Wasserspeicherkapazität mit geeigneter Topologie sowie eine günstige Geologie, Hydrologie und Nähe zu Netzinfrastrukturen und Nachfragezentren. Diese Anforderungen schränken die Zahl der potenziellen Standorte ein, und die Möglichkeiten für neue PHES-Anlagen scheinen begrenzt zu sein - wie also könnten PHES-Anlagen zu einem größeren Bestandteil der Energiewende werden?

Von der Wasserkraft zu PHES

Bei Arup haben wir uns die Frage gestellt, wie die Nutzung von PHES am besten ausgeweitet und die dringend benötigte langfristige Speicherung in Stromnetzen ermöglicht werden kann. Weltweit gibt es eine große Anzahl bestehender Wasserkraftanlagen, aber wie im IHA-Bericht zum Stand der Wasserkraft 2022 berichtet, bieten derzeit nur 12 % dieser Kapazität Pumpspeicherung.

Bei den verbleibenden 88 % beginnen die Kunden und Betreiber jedoch, die Nachrüstung bestehender Wasserkraftwerke mit PHES-Anlagen in Betracht zu ziehen. Dies könnte den Anbau eines neuen Oberbeckens und eines PHES-Kraftwerks an ein bestehendes Unterbecken oder die Einführung von Pumpanlagen in einer Reihe von Kaskadenspeichern zur Rückführung von Wasserströmen flussaufwärts beinhalten. Der Retrofit-Ansatz könnte Möglichkeiten bieten, den Wert von Wasserkraftanlagen als Erzeugungs- und Speicheranlagen zu erhöhen, während die Nutzung bestehender Stauseen dazu beitragen kann, die Umweltauswirkungen von PHES zu begrenzen und einige der mit neuen Infrastrukturprojekten verbundenen Entwicklungsprobleme zu überwinden.

Wir alle wissen, dass die Energiewende beschleunigt werden muss, daher ist alles, was eine potenzielle Verkürzung des Zeitrahmens für die Energiespeicherung ermöglicht, wichtig. Nicht jeder Standort wird sich für den Einbau von PHES-Anlagen eignen, aber dies könnte eine unglaublich wertvolle Möglichkeit zur Energiespeicherung sein, die es zu erkunden und zu berücksichtigen gilt.

In zweiter Linie bieten einige postindustrielle Standorte ebenfalls Potenzial für die Entwicklung von PHES. Bergwerke oder Steinbrüche, die umgewandelt werden könnten, oder Stauseen, die für die Bewässerung und die saisonale Wasserspeicherung genutzt werden, könnten für die Errichtung von PHES-Anlagen angepasst werden. Eine Nachrüstung an diesen Standorten kann viele der mit der Standortwahl verbundenen Herausforderungen verringern, wesentliche Änderungen der Flächennutzung begrenzen und Land, das nicht mehr für frühere Zwecke genutzt wird, neu nutzen.

Die Möglichkeiten der Pumpspeicherung von Energie aus Wasserkraft verstehen

Die Umrüstung von Wasserkraftanlagen auf PHES bringt Chancen (und Herausforderungen) in einer Reihe von Design- und Technikbereichen mit sich. So gehen wir jedes Projekt an:

PHES framework
PHES framework

Auswahl praktikabler Standorte

Wie bei jedem großen Energieinfrastrukturprojekt ist auch die Auswahl eines PHES-Standorts eine komplexe Aufgabe. Die Zusammenarbeit mit Kunden bei PHES-Projekten in verschiedenen Regionen hat uns gezeigt, wie wichtig es ist, die sozialen und ökologischen Merkmale eines Gebiets sowie die technischen Herausforderungen von PHES zu berücksichtigen. Man braucht ein gründliches technisches Verständnis der Topografie, der Geologie und des Hochwasserrisikos, aber die Entwickler müssen auch den Charakter und das Erbe der Landschaft zu schätzen wissen und ein tiefes Verständnis für die lokale Ökologie und Artenvielfalt haben, um sicherzustellen, dass jede Anlage so nachhaltig ist, wie wir sie gestalten können. Retrofit-Anlagen bieten die Möglichkeit, Standorte zu nutzen, die bereits für die Wasserkraft oder die industrielle Nutzung geeignet sind, und bringen zusätzliche Vorteile für die lokale Umwelt und die Gemeinden.

Diese Anlagen sind langfristige Investitionen, und es ist ein heikles Gleichgewicht, sicherzustellen, dass sie während ihrer gesamten Lebensdauer die Anforderungen der Energiemärkte, der Gesellschaft und der Umwelt erfüllen. Dabei sind wir oft auf die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse und Analysen angewiesen, z. B. auf hochwertige Klimaprognosen und komplexe Energiemodelle, um sicherzustellen, dass ein Standort auch in Zukunft effektiv und nachhaltig ist.

Unsere Pumped Hydro Roadmap für die Regierung von New South Wales, Australien, nutzte genau diese Art von Erkenntnissen, um ein Bild einer nachhaltigeren Zukunft für ein Land zu entwerfen, das versucht, sich von einer langen Abhängigkeit von Kohle zu lösen.

Positive Investitionen in die Natur

Umweltbelange werden bei PHES-Projekten immer eine zentrale Rolle spielen, da der Bau von Dämmen und neuen Überschwemmungsgebieten Auswirkungen auf bestehende Lebensräume hat, doch bei sorgfältiger Planung und Verwaltung können die Projekte auch positive Auswirkungen auf die lokale Ökologie, die Tierwelt und die Landschaft haben. Der Schutz der lokalen Umwelt und die Erhaltung des bestehenden Charakters und der Landschaft waren die wichtigsten Überlegungen bei unserer Arbeit an Phase 1 des Leeds Flood Alleviation Scheme, einem der größten seiner Art im Vereinigten Königreich. Und in noch größerem Maßstab werden Aufforstung, Neupflanzung und natürliche Erdarbeiten eingesetzt, um das Wasser zu verwalten und das Hochwasserrisiko an der Küste Perus im Rahmen unserer Initiative Peru Reconstruction with Changes zu verringern.

Die Nachrüstung von Minen, Steinbrüchen und Stauseen könnte wertvolle Möglichkeiten zur Verbesserung der lokalen Umwelt bieten - etwas, das wir in der Bendingo Underground Pumped Hydro Anlage erreicht haben. Möglichkeiten zur Schaffung neuer Lebensräume könnten ebenso in Betracht gezogen werden wie Investitionen, die eine positive Netto-Biodiversität in der Umgebung gewährleisten. Die Aufwertung eines ehemals produktiven Standorts durch eine neue Nutzung könnte dazu beitragen, die Sanierung des Standorts und die Wiederherstellung von Lebensräumen und der Ökologie zu finanzieren, die sonst nur schwer zu erreichen wären.

Kohlenstoffärmere Energiespeicherung

Während der Bau großer, neuer PHES-Anlagen unbestreitbar mit erheblichen Kohlenstoffemissionen verbunden ist, können PHES selbst andere Energiespeichertechnologien übertreffen, wenn man den Betrieb über die gesamte Lebensdauer betrachtet. Die Nachrüstung bestehender Infrastrukturen kann diese Emissionen erheblich reduzieren, was die Umweltfreundlichkeit der Technologie weiter erhöht.

Auch der betriebliche Kohlenstoff ist wertvoll. PHES-Systeme können einen Wirkungsgrad von bis zu 82 % erreichen, was im Vergleich zu anderen großen Energiespeichersystemen sehr vorteilhaft ist und gewährleistet, dass die Energieverluste beim Ein- und Auslagern gering gehalten werden.

Eine Investition in die Zukunft

Es stimmt, dass die für PHES erforderlichen Anfangsinvestitionen entmutigend erscheinen können, insbesondere im Vergleich zu anderen Speichertechnologien. Betrachtet man jedoch die gesamte Lebensdauer, so erweisen sich PHES als die kosteneffizienteste Speicherlösung und machen daher über 90 % der weltweiten Energiespeicherkapazität aus. PHES-Anlagen gehören mit einer Lebensdauer von über 80 Jahren zu den langlebigsten Energiespeichertechnologien. Diese Langlebigkeit in Verbindung mit der relativen Stabilität und den risikoarmen Erträgen, die durch PHES generiert werden, sollte sie zu einer attraktiven Option für langfristige Investitionen wie Pensionsfonds machen.

Außerdem ist die Funktionsweise von PHES von Natur aus flexibel, so dass sie sehr anpassungsfähig ist und auf die Dynamik des Energiemarktes reagieren kann. Die Betreiber können in Schwachlastzeiten pumpen, wenn die Energiepreise niedrig sind, und zu Zeiten mit Spitzenpreisen Strom erzeugen, wodurch sich neben potenziellen Marktanreizen für Ausgleichsleistungen und Hilfsdienste auch erhebliche Renditechancen ergeben.

Beschleunigung der Dekarbonisierung

Die Suche nach emissionsarmen Wegen zur Dekarbonisierung der Energie ist eine globale Priorität. Angesichts ihrer zahlreichen Stärken sollten PHES eine wichtige und wachsende Rolle bei der laufenden Energiewende spielen. Indem wir die Möglichkeiten zur Nachrüstung bestehender Infrastrukturen ausloten, können wir nicht nur Kosten und Emissionen minimieren, sondern auch potenziell produktive Verwendungsmöglichkeiten für vernachlässigte Industriebrachen finden und den Gemeinden neue wirtschaftliche Chancen bieten. Dies ist der Moment, mutig zu sein und kreativ über die vielen Möglichkeiten nachzudenken, die sich uns bieten.