Stand und Potenziale zur Energieerzeugung aus Wasserkraft Energietag Wasserwirtschaft 16. Mai 2013
Dr. Torsten Frank www.WUPPERVERBAND.de
Stellenwert der Wasserkraft Wasserkraft hat im Vergleich zu anderen Verfahren der regenerativen Energiegewinnung die Vorteile der Grundlastfähigkeit und ist führend in Wirkungsgrad und Anlagen Lebensdauer. Ausgereifte Technologie. Durch Bewirtschaftung von Stauräumen und durch Pumpspeicherkraftwerke trägt die Wasserkraft wesentlich zur Stabilisierung des elektrischen Netzes bei. Zuverlässige Energiequelle mit hoher Vorhersagbarkeit. Vorteil Mehrfachnutzung in Form von Trink u. Brauchwasserbereitstellung, Hochwasserschutz, Schiffahrt, Kulturstaue etc. Nutzung als Energiespeicher (Pumpspeicher) sehr gut möglich. Langlebige Technik, daher effizienter Einsatz von Ressourcen Erschließbares Wasserkraftpotenzial nicht nur in Form von Neubauten, sondern insbesondere an existierenden Anlagen (Modernisierungsmaßnahmen und Nachrüstungen). Weiterhin große Anzahl existierender Querbauwerke in NRW ohne Wasserkraftnutzung. optimierte Kleinwasserkraftkonzepte oder Neuentwicklungen von Turbinentypen zur Nutzung besonders geringer Fallhöhen. www.WUPPERVERBAND.de
Stellenwert der Wasserkraft Wie bei jeder Technik müssen aber auch bei der Wasserkraft Zielkonflikte gelöst werden. Sie bestehen zwischen der klimafreundlichen und nachhaltigen Energieerzeugung einerseits und dem Erhalt von freien Fließgewässern andererseits. Es gilt, die Nutzung der Wasserkraft mit dem geforderten Ziel eines guten ökologischen Zustands der Bäche und Flüsse in Einklang zu bringen. Und Wasserkraft auch dort zu nutzen, wo in oder an technischen Infrastruktureinrichtungen keinerlei / bzw. keine neuen Eingriffe in natürliche System erforderlich sind: Speicher / Stauanlagen Kläranlagenausläufe Abwassersysteme Trinkwassersysteme
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Stellenwert der Wasserkraft Heute besteht vielerorts wieder mehr denn je berechtigtes Interesse, umweltfreundliche, regenerative Energie durch Wasserkraftnutzung zu erzeugen und beispielsweise im Rahmen des Erneuerbare Energien Gesetz in das Netz einzuspeisen bzw. für den Eigenbedarf zu nutzen.
Anzahl, installierte Leistung und Jahresarbeit deutscher Wasserkraftanlagen (Floecksmühle et al. 2010)
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Wasserkraftstandorte im Wupperverbandsgebiet WKA Wupperverband WKA Wupperverband in Bau
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Wasserkraftstandorte im Wupperverbandsgebiet WKA Wupperverband WKA Wupperverband in Bau WKA Dritter an WV Anlage
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Wasserkraftstandorte im Wupperverbandsgebiet WKA Wupperverband WKA Wupperverband in Bau WKA Dritter an WV Anlage WKA Dritter
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Wasserkraftstandorte im Wupperverbandsgebiet WKA Wupperverband WKA Wupperverband in Bau WKA Dritter an WV Anlage WKA Dritter Mühlen in Denkmalsbetrieb
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Wasserkraftstandorte im Wupperverbandsgebiet WKA Wupperverband WKA Wupperverband in Bau WKA Dritter an WV Anlage WKA Dritter Mühlen in Denkmalsbetrieb
22 stromerzeugende Anlagen rd. 5300 kW Ausbauleistung (2295 kW WV) rd. 17,7 Mio kWh/a durchschnittliche Erzeugung (8,2 Mio kWh/a WV) www.WUPPERVERBAND.de
Wasserkraftstandorte im Wupperverbandsgebiet WKA Wupperverband WKA Wupperverband in Bau WKA Dritter an WV Anlage WKA Dritter Mühlen in Denkmalsbetrieb
KA GDT Neubau W /a ,3 Mio kWh 1 + W k 0 8 +2
23 stromerzeugende Anlagen rd. 5580 kW Ausbauleistung (2575 kW WV) rd. 19 Mio kWh/a durchschnittliche Erzeugung (9,5 Mio kWh/a WV) www.WUPPERVERBAND.de
Wasserkraftstandorte im Wupperverbandsgebiet WKA Wupperverband WKA Wupperverband in Bau WKA Dritter an WV Anlage WKA Dritter Mühlen in Denkmalsbetrieb Fischaufstiegsanlagen
Heute: 26 Anlagen mit 5,3 MW Erhebung 1914: 45 Anlagen mit 6,9 MW (Preußenstudie Keller et al. 1914 nach Floecksmühle et al. 2010)
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Anlagenbeispiele
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WKA Klärwerk Buchenhofen WKA am Klärwerk Buchenhofen
Laufwasserkraftanlage
Fallhöhe: 7 m
Kaplan –Rohrturbine
Schluckvermögen: 10 m³/s
Baujahr 1965 / Inbetriebnahme 1966
Nennleistung: 560 kW
2006 und 2011 Ertüchtigung Elektrotechnik sowie Teilen der Maschinentechnik & Modernisierung der Steuerung
Jahreserzeugung ca. 2,2 Mio. kWh
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Eigenverbrauch
WKA Wupper7Talsperre
Speicherwasserkraftanlage
Fallhöhe: 25 m (in Abhängigkeit Stauhöhe)
Kaplan Turbine
Schluckvermögen: 4,4 m³/s
Inbetriebnahme 1987
Nennleistung: 1,25 MW Jahreserzeugung ca. 5 7 Mio. kWh EEG Einspeisung
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WKA Bever7Talsperre WKA am Klärwerk Buchenhofen
Speicherwasserkraftanlage
Fallhöhe: 32 m (in Abhängigkeit Stauhöhe)
2 Durchströmturbinen
Schluckvermögen: 1,9 m³/s
Inbetriebnahme 2005
Nennleistung: 400 + 40 kW Jahreserzeugung ca. 2,0 Mio. kWh EEG Einspeisung
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Bau Wasserkaftanlage – Große Dhünn7Talsperre
2 Durchström Turbinen mit je 140 kW Leistung zu erwartende Jahresstromerzeugung rd. 1,3 Mio kWh gleichzeitige ökologischer Verbesserung der Dhünn durch Temperaturerhöhung
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Potenzialkategorien
Neustandort Reaktivierung Altstandort Nutzung von bestehenden Querbauwerken Nutzung von bestehenden Stauanlagen / Talsperren Effizienz / Verfügbarkeitssteigerung bestehender Anlagen Wasserkraft in / im Auslauf von technischen Systemen Kläranlagenausläufe Trinkwassersystem Abwassersystem Pumpspeicherpotenziale
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Potenziale Neustandort
keine neuen Querbauwerke Verschlechterungsverbot EU WRRL Nur bei sehr speziellen / vorteilshaften Rahmenbedingungen und ohne Behinderung der Gewässerdurchgängigkeit denkbar Konzepte zur Nutzung der „fließenden Welle“ / der kinetischen Energie ohne Fallhöhe Nutzungsmöglichkeit äußerst beschränkt, da entweder große Abmessungen und somit große Wassertiefe und zusätzlich sehr hohe Fließgeschwindigkeiten benötigt werden
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Potenzialermittlung für WKA im Verbandsgebiet
Abfluss, Gelände Höhendifferenz und spezifische Linienleistung (pro 10 km Fließlänge) ermittelt aus Rasterdaten, Floecksmühle 2010 *) *) Floecksmühle 2010: Schlussbericht „Potentialermittlung für den Ausbau der Wasserkraftnutzung in Deutschland als Grundlage für die Entwicklung einer geeigneten Ausbaustrategie“
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Potenzialermittlung für WKA im Verbandsgebiet
Linienpotenzial Wupper „Preußenstudie (KELLER et al. 1914): 20,4 MW (bis km 109) Floecksmühle 2010: 22 MW technisches Potenzial vor ökologischen und anderen Restriktionen Einzelstandort Analyse notwendig
Berechnete Linienleistungen, aggregiert für 10 km Abschnitte; Abstufung von gelb nach rot: Zunahme der Linienleistung, Floecksmühle 2010 *)
*) Floecksmühle 2010: Schlussbericht „Potentialermittlung für den Ausbau der Wasserkraftnutzung in Deutschland als Grundlage für die Entwicklung einer geeigneten Ausbaustrategie“
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Potenziale Reaktivierung von Altstandorten Potenziale Nutzung von bestehenden Querbauwerken Recherche noch vorhandener Querbauwerke bzw. alter Obergräben oder Resten Dieser. Potentialabschätzung in Verbindung mit ökologischer Verbesserung des Fließgewässers unter Beachtung der Durchgängigkeit.
Die Herausforderung besteht allerdings in der Anpassung an oftmals geänderte Rahmenbedingungen des Gewässers, an der baulichen Situation vorhandener Anlagen wie Obergraben, Wehre etc. sowie an den aktuellen Auflagen und Vorgaben der Genehmigungsbehörden im Sinne der ökologischen Verträglichkeit.
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Querbauwerke und Fischaufstiege Herstellung der Durchgängigkeit für Fische
Fischaufstiege in der Unteren Wupper:
Fischaufstiege in der 8
Dhünn 9 10
11
1 Absturz Haberlandstadion 2 Pegel Manfort 3 Pegel Schlebusch 4 Wehr Auermühle 5 Wehr Freudenthal 6 Wehr Osenau 7 Wehr Burscheider Talsperre
12 1 4
7
2
3
5 7
6 5a
Fischaufstiege in der Oberen Wupper:
8 9
5
10
3
11 12
4
13
14 15 16
17
7
20
21
18 19 2 1 2 3 4 1
5
6
X X X X
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1 Wehrschwelle Dhünnmündung 2 Wehr Reuschenberg 3 Wehr Auer Kotten 4 Wehr Glüder 5 Wehr Schaltkotten 5a Einstieg Morsbach 6 Wehr Jagenberg 7 Wehr Buchenhofen 8 Wehr Heizkraftwerk Barmen 9 Wehr Pfälzer Steg 10 Wehr Akzo 11 Wehr Vorwerk 12 Wehr Erfurt
zurück gebaut / vollständig durchgängig Fischaufstieg gebaut noch zu bearbeiten
1 Wehr Beyenburger Stausee 2 Wehr Oedeschlenke 3 Grundwehr Dahlerau 4 Wehr Vogelsmühle 1 5 Wehr Vogelsmühle 2 8 Wehr Neuhückeswagen 9 Wehr Schlossfabrik 10 Wehr Wipperhof 11 Wehr Radium 12 Wehr Leiersmühle 13 Wehr Klaswipper/Böswipper 14 Wehr Kerspe 15 Wehr Krommenohl 16 Wehr Tannenbaum 17 Wehr Oberwipper 18 Wehr Wirth 19 Wehr Köser 20 Wehr Gebske 21 Stauweiher Holzwipper
Potenziale bestehender Stauanlagen / Talsperren Talsperrenpotenziale / Vorsperrenpotenziale Energieerzeugung als Nebenprodukt der Trink und Brauchwasserbevorratung Potenziale (teilweise bereits gehoben) durch Verbundsystem der Talsperren im Verbandsgebiet In Zukunft mehr und mehr erforderlich: Steuerung auf Basis eines Entscheidungs /Unterstützungssystems zu berücksichtigende Aspekte: Trinkwasserversorgung Hochwasserschutz Wasserrahmenrichtlinie – Ökologie Gewässergüte Energiegewinnung Freizeit und Erholung Badegewässer
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15 Talsperren Eschbach / Neye • • • • • • • • • • • • • • •
Bever Talsperre Brucher Talsperre Eschbach Talsperre Große Dhünn Talsperre Herbringhauser Talsperre Kerspe Talsperre Lingese Talsperre Neye Talsperre Panzer Talsperre Ronsdorfer Talsperre Schevelinger Talsperre Sengbach Talsperre Stauanlage Dahlhausen Stausee Beyenburg Wupper Talsperre
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Eigentümer: Energie und Wasser Remscheid GmbH (ewr) Betreiber: Wupperverband
Kerspe / Herbringhauser Eigentümer / Betreiber: WSW AG Sengbach Eigentümerin / Betreiber: Stadtwerke Solingen
15 Talsperren • • • • • • • • • • • • • • •
Bever7Talsperre Brucher7Talsperre Eschbach7Talsperre Große Dhünn Talsperre (WKA in Bau) Herbringhauser Talsperre Kerspe7Talsperre Lingese7Talsperre Neye Talsperre Panzer Talsperre Ronsdorfer Talsperre Schevelinger Talsperre Sengbach Talsperre Stauanlage Dahlhausen (priv. Betreib.) Stausee Beyenburg (priv. Betreiber) Wupper7Talsperre
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Talsperren mit Wasserkraftanlagen
15 Talsperren • • • • • • • • • • • • • • •
Bever7Talsperre Brucher7Talsperre Eschbach7Talsperre Große Dhünn7Talsperre (Vorsperre und Hauptsperre) Herbringhauser Talsperre Kerspe7Talsperre Lingese7Talsperre Neye7Talsperre Panzer Talsperre Ronsdorfer Talsperre Schevelinger Talsperre Sengbach Talsperre Stauanlage Dahlhausen Stausee Beyenburg Wupper7Talsperre (Vorsperre)
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Talsperren mit geplanten Wasserkraftanlagen
Potenziale durch Effizienz7 / Verfügbarkeitssteigerung bestehender Anlagen Ausfall von leistungsstarken Anlagen kostet Geld / ist entgangener Gewinn •
Beispiel Wuppertalsperre: 53 Ausfalltage (Stillstand, Wartung, Reparatur) in einem Jahr = 1.272 Stunden
•
Bei einer Durchschnittsleistung von ca. 400 kW:
•
4 fache der mittlere Jahresproduktion der WKA Lingese Talsperre
ca. 500.000 kWh
Verfügbarkeit weiter verbessern
Des Weiteren ungenutzte Potenziale nicht nur bei Stillstand, sondern auch beiT •
Abgaben oberhalb Schluckvermögen der vorhandenen Turbine
•
Sauerstoffanreicherung (RKV 0,2 bis 1 m³/s)
•
Kleine Abgabemengen unter 1,7 m³/s Potenzialstudie Einbau einer zusätzlichen Maschine
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Potenziale Wasserkraft in technischen Systemen Trinkwassersystem / Kläranlagenausläufe / Abwassersystem Keine Anforderungen hinsichtlich Durchgängigkeit Möglichkeit ungenutzter Potenziale (Fallhöhe, Druckminderungen etc.) Potenzialanalyse zur WK an Kläranlagenausläufen (BA Arbeit 2013) liefert Leistungsabschätzungen zwischen meist 4 – 8 kW bis 24 kW (je nach Klärwerk)
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Potenziale Wasserkraft in technischen Systemen Beantragtes Verbundforschungsvorhaben ENERWA 12 Verbundpartner (+3 im Unterauftrag) Energetische Optimierung des wasserwirtschaftlichen Gesamtsystems Talsperren/Fließgewässer Trinkwasseraufbereitung Transport Speicherung Verteilung unter technischen, organisatorischen, betrieblichen, ökonomischen, gesellschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten.
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Potenziale Pumpspeicherwerke Wasserverbände in NRW mit Brauchwassertalsperren geben eine gemeinsame vom Land geförderte Potenzialstudie in Auftrag. Der Wupperverband prüft zunächst die Topografie der Verbandstalsperren und priorisiert die Wupper Talsperre als untersuchenswert. Endbericht der Studie liegt seit Spätsommer 2012 vor.
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Potenziale Pumpspeicherwerke
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Potenziale Pumpspeicherwerke Äußerst komplexe Rahmenbedingungen Raumordnung, Schutzgebiete, Wasserrecht, Wasserwirtschaft, Geologie und Topographie Marktverhalten für Regelenergie Vermarktungsstrategie im Kontext Energiepolitik, derzeitigen Stand und zukünftigen Entwicklung des Energiemarktes Fazit für die Wupper Talsperre: „Die technische Umsetzung eines Pumpspeicherwerkes am untersuchten Standort an der Wupper Talsperre ist grundsätzlich machbar. Die projektierte Pendelwassermenge von 1,11 Mio. m³ sowie die verfügbare Fallhöhe von 83,7 m ermöglichen eine Ausbauleistung von 55 MW.“ Die vorliegenden Ergebnisse zur ersten indikativen Bewertung der Wirtschaftlichkeit weisen unter aktuellen Gegebenheiten für die Wupper Talsperre jedoch einen Kostendeckungsgrad von deutlich unter 50 % aus. In Bezug auf alternative Speichermöglichkeiten im Vergleich zu Pumpspeicherwerken ist festzuhalten, dass derzeit weltweit keine Technologie auf ähnlich hohem Entwicklungsstand für den großtechnischen Einsatz verfügbar ist.
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Zusammenfassung Strategie Wupperverband Ausbau der Wasserkraftpotenziale an Talsperren Reengineering Wasserkraftanlagen Priorisierung von Maßnahmen anhand hebbarer Potenziale Einbindung in ganzheitliche Energiestrategie
Verfolgen, Nutzen und Fördern von Innovationen in der Wasserkraft Effizienz in der Wasserkraftnutzung gewässerökologisch verträglichere Techniken (Fischschutz, Durchgängigkeit) Mess & Regeltechnik Begleiten von Aktivitäten wie: runder Tische „Regenerative Energien im Bergischen Land“ Klimaarbeitskreisen 100prozentig.Erneuerbar
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