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Unzuverlässiger Solarstrom muss mit Speichern geglättet werden. Die Pumpspeicherwerke in den Alpen leisten das – aber nur kurzzeitig. Das saisonale Stromproblem wird dadurch nicht behoben.
Originalbeitrag im Online-Nebelspalter vom 28. Februar 2022.
Neben den Lauf- und Speicherkraftwerken (siehe hier) gibt es in der Schweizer Wasserstromproduktion noch die Pumpspeicherkraftwerke, die laut Statistik des Bundesamtes für Energie aber nur vier Prozent zur gesamten Erzeugung aus Wasserkraft beitragen. Insgesamt werden 15 Zentralen dieses Typs aufgelistet. Die grösste ist Limmern im Kanton Glarus.
Das Pumpspeicherwerk Limmern wurde 2016/17 vom Energiekonzern Axpo nach gut siebenjähriger Bauzeit in Betrieb genommen. Es erweitert die schon bestehenden Anlagen der Kraftwerke Linth-Limmern AG, die sich im Gebirge oberhalb Linthal, Ochsenstafel befinden. Die folgende Skizze aus einem Faktenblatt der Axpo (siehe hier) zeigt die Funktionsweise aller Seen und Kraftwerke dieses imposanten Wasserkraftsystems.
(Click auf Grafik vergrössert diese) Ein Speicherkraftwerk kann die potenzielle Energie des Wassers vorübergehend speichern und diese beim gezielten Ablassen für den Antrieb einer Turbine verwenden, wodurch zu einem gewünschten Zeitpunkt Strom erzeugt wird. Genau dasselbe ist auch mit einem Pumpspeicherwerk wie Limmern (in der Grafik rechts oben) möglich, wenn im höchstgelegenen Muttsee die Schleusen geöffnet und dadurch die Limmern-Turbinen angetrieben werden. Dadurch wird via Generator Strom erzeugt. Schliesslich wird das Wasser im Limmernsee wieder gespeichert.
Im Pumpspeicherwerk kann Wasser hochgepumpt werden
Dann aber zeigt sich die besondere Flexibilität eines Pumpspeicherwerks. Limmern ist durch seine eingebauten Pumpen imstande, Wasser aus dem Limmernsee wieder in den höher gelegenen Muttsee zu befördern, und damit die potenzielle Wasserenergie nochmals bereitzustellen. Mit einem unteren und oberen Speicherbecken ist ein Pumpspeicherwerk also imstande, abwechslungsweise zwischen Pumpen (Strom verbrauchen) und Turbinieren (Strom erzeugen) zu wechseln. Dabei entstehen aber Verluste: Nur 75 bis 80 Prozent der für den Pumpbetrieb zugeführten elektrischen Energie lässt sich bei der Turbinierung zurückgewinnen.
Wann kommt Limmern zum Einsatz? Wenn Stromüberflüsse im Netz vorhanden sind, oder generell, wenn der Strom billig ist, lohnt sich der Pumpbetrieb. Bei Strommangel im Netz, oder wenn der Strom teuer ist, lohnt sich das Turbinieren. Wenn dann die Preisdifferenz gross genug ist, können die Speicherverluste wettgemacht werden. Damit kann man das Werk wirtschaftlich betreiben. Pumpspeicherwerke reagieren also besonders stark auf Marktpreise.
Der Muttsee ist nach 34 Stunden leer
Darüber hinaus leisten sie auch einen wichtigen Beitrag zur Versorgungssicherheit und Netzstabilität. Gerade bei zunehmendem Ausbau stochastischer Energiequellen wie Wind und Sonne wird es immer wichtiger, grüne Energie speichern zu können, um sie bei Bedarf wieder einzuspeisen. Die bei der Fotovoltaik benötigte Tag/Nacht-Speicherung, kann durch Pumpspeicherwerke ideal erfüllt werden. Und auch tageweise Windflauten können so überbrückt werden.
Der zeitlich limitierende Faktor für die Speicherung ist die maximal abrufbare Energiemenge, die ein Pumpspeicherwerk hat. Für Limmern lässt sich diese leicht berechnen. Man nimmt das Gesamtvolumen des Muttsee von 23 Millionen Kubikmetern und teilt dieses durch die maximale Wasserdurchflussmenge pro Sekunde in den Turbinen. Daraus ergibt sich, dass der See bei Volllastbetrieb nach 34 Stunden leer ist. Bei einer Turbinenleistung von 1000 Megawatt ergibt sich daraus ein maximal möglicher Stromertrag von 34 Gigawattstunden. Nach Abzug der Verluste sind es noch 27 Gigawattstunden – das sind 0,05 Prozent des Schweizer Endverbrauchs.
Mit Pumpspeicherwerken kann die Winterstromlücke nicht gedeckt werden
Diese Berechnung zeigt, dass ein Pumpspeicherwerk die Winterstromlücke nicht füllen kann. Zwar weist es die notwendige Flexibilität der Steuerbarkeit auf, aber die maximal abrufbare Energiemenge ist viel zu klein, um das grosse saisonale Loch zu stopfen. Dies wird deutlich, wenn wir die Zahlen aus der neuesten Studie der Forscher der ETH Lausanne und der Empa vom Februar 2022 (siehe hier) zugrunde legen. Danach fehlen in einem total elektrifizierten Schweizer Stromsystem 18’000 Gigawattstunden im Winter. Verluste mitgerechnet wären also 666 Limmern-Werke notwendig, um im Winter genügend Strom zu haben.
Das ist aber aus mehreren Gründen eine absurde Rechnung. Erstens ist ein Pumpspeicherwerk darauf ausgelegt, seine Leistung kontinuierlich immer wieder abrufen zu können. Im hydrologischen Jahr 2019/20 hat Limmern insgesamt 1084 Gigawattstunden Elektrizität produziert, was theoretisch 32 vollständigen Leerungen entspricht. In Wirklichkeit wird aber natürlich ständig zwischen Pumpen und Turbinieren so abgewechselt, dass den wechselnden Bedarfsansprüchen Rechnung getragen wird. In dieser zeitlichen Flexibilität besteht ja der Sinn und Zweck eines Pumpspeicherwerks.
Limmern hat 2,1 Milliarden Franken gekostet
Und zweitens darf man nicht vergessen, welch gigantisches Bauwerk die Limmern-Erweiterung war: Erhöhung der Staumauer des Muttsees, Bau einer riesigen Kaverne, 600 Meter im Berginnern, mit vier grossen Turbinen und Pumpen, Erstellung von Druckleitungen und Unterwasserstollen sowie umfangreiche Netzanschlussarbeiten. Insgesamt hat das Kosten von 2,1 Milliarden Franken verursacht. Aus finanziellen aber auch topologischen Erwägungen ist es undenkbar, dass die Pumpspeicherkapazität in der Schweiz noch wesentlich ausgebaut wird – vor allem auch, weil mit Nant-de-Drance gerade jetzt ein fast gleich grosses Schwesterwerk im Wallis in Betrieb genommen wird.
Wie die Grafik zeigt, ist Limmern aber nicht ein für sich allein stehendes Kraftwerk. Unter dem Limmernsee, der als unteres Ausgleichsbecken von Limmern dient, arbeitet das Kraftwerk Tierfehd auch wieder als Pumpspeicherwerk. Dabei ist aber die maximale Durchflussmenge hier durch ein sehr kleines unteres Ausgleichsbecken Tierfehd stark begrenzt. Zudem gibt es im gleichen Gebäude auch noch das Pumpspeicherwerk Hintersand, das mit nochmals verkleinertem Wasserreservoir arbeitet und mit Tierfehd verbunden ist. Und ganz unten haben wir schliesslich noch das kleine Speicherkraftwerk Linthal.
Wasserkraftwerke sind viel weniger effizient als Atomkraftwerke
Der gesamte Stromertrag, den diese vier Kraftwerke der Linth-Limmern AG 2019/20 produziert haben, beträgt 1747 Gigawattstunden. Mit einer gesamten Turbinenleistung von rund 1500 Megawatt übertrifft Linth-Limmern das grösste Schweizer Kernkraftwerk Leibstadt, das auf knapp 1300 Megawatt kommt. Leibstadt hat aber 2020 9059 Gigawattstunden Strom produziert: Das heisst, aus knapp 90 Prozent der Leistung resultiert ein Ertrag von über 500 Prozent, verglichen mit Linth-Limmern. Mit aller Deutlichkeit zeigt sich hier die Systemrelevanz der Kernkraftwerke: Sie bilden das unerlässliche Versorgungsrückgrat unseres Stromsystems. Erstaunlicherweise wollen die Grünen ausgerechnet dieses amputieren.
Türme mit Betonblöcken sind 900 Mal weniger effektiv als Pumpspeicherwerke
Zum Schluss noch ein Hinweis auf eine moderne Alternative zu einem Pumpspeicherkraftwerk. Weil Pumpspeicherwerke nur dort möglich sind, wo die Topografie den Bau zweier Wasserstaubecken in verschiedenen Höhen zulässt, was zum Beispiel in Deutschland nur an wenigen Orten der Fall ist, hat die Firma Energy Vault eine Alternative entwickelt: Einen Turm, der via Kranausleger massive Betonblöcke nach oben zieht, und bei Bedarf wieder herunterfallen lässt, wodurch Strom erzeugt wird. Über einen ersten solchen Turm, der im Tessin erstellt worden ist, hat 2018 der «Stern» berichtet (siehe hier).
Die dort geschilderte Anlage, die über 100 Meter hoch ist und 5000 Betonblöcke umfasst, soll eine Gesamtkapazität von 0.035 Gigawattstunden haben. Es würde also mehr als 900 solche Riesentürme brauchen, um einen einzigen Wasserdurchfluss in Limmern zu ersetzen. In Anlehnung an den bekannten Spruch aus Clintons Wahlkampf «It’s the economy, stupid» kann man da nur sagen «Es sind die Dimensionen, Dummkopf».
Pumpspeicherwerke können im Schweizer Stromsystem also ausgezeichnete Dienste leisten bei der Lösung kurz- bis mittelfristiger Konfliktsituationen, die aus einem Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage entstehen, sie tragen aber nichts zur Lösung unseres grössten Problems bei, der Speicherung von Sommerüberschussstrom in den Winter.