Presseaussendung der TU Wien vom 09.03.2015

Für Speicherkraftwerke braucht man nicht immer gleich einen See: Eine patentierte Pumpturbinenentwicklung der TU Wien ermöglicht effiziente, Kleinkraftwerke.

Sonnenschein und Wind richten sich nicht nach den Bedürfnissen der Elektrizitätswirtschaft. Pumpspeicherkraftwerke eignen sich bestens dafür, die Schwankungen von Angebot und Nachfrage auszugleichen. Allerdings waren sie bisher nur in recht großem Maßstab wirtschaftlich sinnvoll. An der TU Wien wurde eine neue, flexible Pumpturbine entwickelt, die hydraulische Energiespeicher auch bei niedrigerer Leistung rentabel macht. Statt eines Stausees genügt in Zukunft auch ein kleines Wasserreservoir.

Lukrative Energiespeicher – auch im Kleinformat

Pumpspeicherkraftwerke gibt es schon lange: Überschüssiger Strom wird genutzt, um Wasser im Gebirge nach oben zu pumpen und in hochgelegenen Seen zu speichern. Bei Bedarf kann mit dem gespeicherten Wasser eine Turbine angetrieben werden, die wiederum Strom erzeugt.

Nachdem der Strom je nach Angebot zu unterschiedlichen Zeiten ganz unterschiedliche Preise erzielt, kann sich daraus ein durchaus lukratives Geschäft ergeben – vorausgesetzt das Kraftwerk ist groß genug: „Pumpspeicherkraftwerke sind heute Großanlagen, die oft eine Leistung von mehreren hundert Megawatt bringen“, sagt Prof. Christian Bauer vom Institut für Energietechnik und Thermodynamik der TU Wien. „Unser neues System lässt sich allerdings auch im niedrigen Megawatt-Bereich einsetzen.“

Das Herzstück des Systems ist eine Pumpturbine. Ein einziger Maschinenstrang kann – je nach Betriebsrichtung – sowohl Wasser nach oben pumpen als auch die Energie des herabfließenden Wassers in elektrischen Strom umwandeln. Neu an der Pumpturbine der TU Wien ist, dass sie modular aufgebaut ist. Baukastenartig kann man für unterschiedliche Anforderungen die richtige Anlage zusammenstellen. Jeder Maschinensatz besteht aus mehreren  Stufen. Ihre Zahl kann in dem an der TU Wien entwickelten System von eins bis fünf variiert werden – je nach Fallhöhe und benötigtem Durchfluss. Auf der elektrischen Seite gibt es ebenso eine Variationsmöglichkeit.

Mit diesem Konzept lassen sich die Investitionskosten senken und selbst kleinere Wasserreservoirs könnten als Energiespeicher genutzt werden – zum Beispiel Beschneiungsspeicher, in denen Wasser für Schneekanonen gesammelt wird, oder stillgelegte Kohleminen im europäischen Flachland. Viele kleine Anlagen statt wenige große Kraftwerke wären auch für das Stromnetz besser zu verkraften. „Große Pumpspeicherkraftwerke können nur dort errichtet werden, wo auch die entsprechenden Hochspannungsleitungen zur Verfügung stehen“, erklärt Bauer. „Kleinere Anlagen lassen sich problemlos in das bestehende Elektrizitätssystem einfügen.“

Wasser rauf und Wasser runter: Flexiblerer Betrieb

Die Anforderungen an Pumpspeicherkraftwerke haben sich über die Jahrzehnte deutlich verändert. „Ursprünglich waren sie dafür gedacht, tägliche oder jahreszeitliche Schwankungen auszugleichen“, sagt Bauer. Tagsüber wird mehr Energie benötigt als nachts, im Winter braucht man mehr Strom als im Sommer. Diese Schwankungen sind leicht prognostizierbar und das Kraftwerk musste nicht besonders häufig vom Pumpmodus auf Turbinenmodus umgeschaltet werden.

Heute sind die Anforderungen aber viel höher geworden. Durch stark fluktuierende erneuerbare Energieträger kann sich innerhalb kurzer Zeit ein Überschuss oder ein Mangel an elektrischer Energie ergeben. Die Pumpspeicherkraftwerke müssen viel schneller reagieren als früher. „Unsere Pumpturbine kann in weniger als vier Minuten zwischen Pumpbetrieb und Turbinenbetrieb wechseln“, betont  Bauer. „Dadurch wird sie zum idealen Gerät für eine dezentrale, flexible Energiespeicherung.“

Das Pumpturbinenkonzept der TU Wien ist bereits patentiert, und es gibt bereits konkrete Fallstudien über mögliche Anwendungsorte. Gerade im Gebirge gibt es eine Vielzahl kleineren Wasserreservoirs, für die eine Nutzung als Energiespeicher bisher völlig unmöglich schien. Für die neue Technologie wären sie aber genau richtig. „Wir sind zuversichtlich, dass unser Pumpturbinenkonzept in einigen Jahren einen Beitrag leisten wird, die Herausforderungen zu meistern, vor denen unsere Energiewirtschaft heute steht“, zeigt sich Bauer optimistisch. Für ihn ist das Projekt nun reif, von der Industrie aufgegriffen zu werden. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 20.02.2015

KIT-Wissenschaftler erarbeiten neue Betriebsstrategien, um Fahrzeuge effizient zu klimatisieren. Für ihre Tests entwickelten sie einen neuartigen Prüfstand, der sich zeit- und kostengünstig betreiben lässt.

Bis zu zehn Stunden verbringen Lkw-Fahrer täglich hinterm Steuer. Ein angenehmes Raumklima in der Fahrerkabine ist entscheidend für ihre Leistungsfähigkeit und die Fahrsicherheit. Doch können Klimaanlagen je nach Fahrzeugtyp, Art der Klimaanlage und Betriebsbedingung bis zu 10% Mehrverbrauch verursachen. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickeln daher effizientere Betriebsstrategien. Um diese mit vergleichsweise geringem Zeit- und Kostenaufwand unter realistischen Bedingungen testen zu können, haben sie einen neuartigen Prüfstand für Klimaanlagen entwickelt.

„Die meisten Autofahrer kennen das Gefühl: Ist die Klimaanlage an, läuft der Motor schwerer, der Wagen fährt weniger sportlich“, sagt Michael Frey vom Institut für Fahrzeugsystemtechnik (FAST) des KIT. Mit einer intelligenten Steuerung ließe sich beispielsweise die beim Ausrollen frei werdende Energie direkt nutzen, um die Klimaanlage mit höherer Leistung zu betreiben. Beim Anfahren hingegen wäre es effizienter, sie zu drosseln und dem Motor die volle Energie bereitzustellen. Um das komplexe Zusammenspiel von Fahrzeug, Klimasystem und Umweltfaktoren optimieren zu können, haben die Forscher zunächst einen neuen Prüfstand entwickelt. Damit können sie auch mehrwöchige Testreihen ohne hohen Kostenaufwand durchführen.

Wie viel Energie eine Klimaanlage tatsächlich verbraucht, lässt sich nicht isoliert ermitteln: „Ihre Effizienz hängt unter anderem vom Fahrbetrieb des Fahrzeugs und den klimatischen Umgebungsbedingungen wie Sonneneinstrahlung, Lufttemperatur und Luftfeuchte ab“, sagt Frey. In feucht-heißen tropischen Zonen müsse eine Klimaanlage viel mehr leisten als etwa im gemäßigten Skandinavien. Wesentlich sei aber auch die Größe der Fahrerkabine sowie das Einsatzprofil von Nutzfahrzeugen: Beispielsweise müssen Paketzusteller ihre Türen häufig öffnen, bei Ferntransporten läuft der Motor über längere Zeit nahezu ununterbrochen. Der neue Prüfstand für Klimaanlagen stellt die Bedingungen auf der Straße so realistisch wie möglich nach, aber mit so wenig technischem und energetischem Aufwand als nötig. „Auf die Temperatur in der Fahrerkabine wirkt sich hauptsächlich der klimatische Zustand der in die Kabine eingetragenen Luft aus, die Erwärmung des Daches und die durch die verglasten Flächen einfallende Sonnenstrahlung“, erklärt Michael Fritz, der den neuen Prüfstand in seiner Doktorarbeit am FAST entwickelte. Es reiche daher aus, nur um die Fahrerkabine – und nicht um den gesamten Lkw – Strahler zu platzieren, die das Lichtspektrum des Sonnenlichts simulieren.

Als Basis des Prüfstands für Klimaanlagen dient ein Allrad-Rollenprüfstand: Das Fahrzeug steht dabei auf vier individuell angetriebenen Rollen, die computergesteuert die auf das Fahrzeug wirkenden Kräfte bei verschiedenen Fahrsituationen wirklichkeitsgetreu nachbilden. „Nun schalten wir mehrere Luftführungskanäle zu: Sie blasen alle relevanten Fahrzeugteile mit dem gewünschten klimatisch konditionierten Fahrtwind an“, sagt Fritz. „Temperatur, Feuchte und das Volumen des Luftstroms können wir beliebig anpassen.“ Das Sonnenlicht, das durch die Kabinenscheiben eines Lkw fällt, ersetzen sechs Sonnensimulationsstrahler. Um das Kabinendach zu erwärmen, verwenden die Forscher kostengünstigeres Infrarotlicht.

Mit einem solchen Prüfstand lassen sich Klimaanlagen zeit- und kostengünstiger testen als auf der Straße oder in einem Klimawindkanal. „So können wir die Fahrerkabine anders als auf der Straße, sämtlichen wetterabhängigen und geografischen Bedingungen aussetzen“, erklärt Fritz. Das leisteten auch Klimawindkanäle. Diese seien jedoch auf Tests am gesamten Fahrzeug ausgelegt und benötigten daher bis zu zehnmal so viele Sonnensimulatoren und weitaus größere Gebläse. Entsprechend hoch seien die Energie- und Personalkosten. Mit der Konzentration auf die Fahrerkabine ließen diese sich am Prüfstand des FAST reduzieren.

Die Entwicklung des Prüfstands fand im Promotionskolleg Projekthaus „e-drive“ statt, das KIT, Daimler AG und Behr GmbH & Co. KG gemeinsam eingerichtet haben. (lcp)

Externer Link: www.kit.edu