Basiswissen

Ein Pumpspeicherkraftwerk kann große Mengen an Wasser in hochgelegenen Behältern, oft kleine Seen, speichern. Über Rohre, die oft viele hunderte Meter bergab führen, kann die potentielle Energie des hochgelegenen Wassers, seine Höhenenergie, in tiefer liegenden Turbinen in Strom umgewandelt werden. Pumpspeicherkraftwerke dienen vor allem dazu, für kurze Zeiten schnell verfügbare größere Mengen an elektrischer Energie zur Verfügung stellen zu können.

Zweck

Ein Pumpspeicherkraftwerk wird z. B. genutzt, um Strom bei hoher Nachfrage schnell bereitzustellen und Lastspitzen im Netz auszugleichen, indem vorher gespeichertes Wasser abfließt und Turbinen antreibt; es speichert überschüssigen Strom aus Wind- und Solaranlagen, indem es Wasser in ein höher gelegenes Becken pumpt, wenn gerade mehr Strom erzeugt wird als gebraucht wird; es liefert Regelenergie und Netzdienstleistungen wie Frequenz- und Spannungsstabilisierung, damit das Stromnetz stabil bleibt; und es kann als Schwarzstartkraftwerk dienen, also das Netz nach einem großflächigen Ausfall wieder hochfahren, weil es ohne externe Stromzufuhr starten kann.

Atomkraftwerke aber auch Kohle- oder Gaskraftwerke benötigen selbst Strom, wenn sie nach einem Ausfall wieder anlaufen sollen. Ein Anlaufen ohne bereits erzeugten Strom bezeichnet man als Schwarzstart.

Zusätzlich kann ein Pumpspeicherkraftwerk wirtschaftlich genutzt werden, indem es Strom zeitlich verschiebt zwischen Zeiten niedriger und hoher Preise (Lastmanagement) und so Kosten senkt. Diese Anwendungen beruhen auf dem Prinzip, dass elektrische Energie in potenzielle Energie des Wassers umgewandelt und später wieder zurückgewonnen wird.^[1]

Funktionsidee

Wenn Strom billig oder überhaupt verfügbar ist, pumpt man mit ihm Wasser von einem tief gelegenen Becken in ein höher gelegenes Becken. Damit hat man einen Vorrat an Energie in Form von Höhenenergie. Die Höhenenergie ist eine besondere Form der sogenannten potentiellen Energie. Siehe auch 👉 Höhenenergie

Um die gespeicherte Höhenenergie bei Bedarf wieder zu elektrischer Energie zu machen, lässt man das Wasser aus dem hohen Speicherbecken durch Rohre bergab fließen. Am unteren Ende der Rohre sind dann Turbinen. Diese wandeln die Energie des Wasser als Generatoren um in elektrische Energie. Die Grundidee hier ist es, dass man aus einer Fließbewegung von Wasser oder aus dem Druck von Wasser eine Drehbewegung macht, ähnlich wie bei Windmühlen. Siehe auch 👉 Generator

Das Wasserschloss

Auch wenn die Grundidee zur Speicherung von Energie in einem Pumpspeicherkraftwerk einfach ist, treten beim Bau eines echten solchen Kraftwerks doch physikalisch und ingenieurmäßig interessante Probleme auf. Wenn zum Beispiel Ventile für die großen Rohre geöffnet oder geschlossenen werden, breitet sich im Wasser eine Druckwelle mit Schallgeschwindigkeit aus. Solche Druckwellen können große Kräfte auf die Rohre selbst oder auch die Turinen oder Ventile ausüben. Dadurch kann es zu beschleunigtem Verschleiß oder sogar Beschädigungen kommen. Um solche Druckstöße zu glätten, baut man sogenannte Wasserschlösser. Das sind Wasserbehälter die nach oben hin offen zur Erdatmosphäre sind und die wie bei hydraulischen Röhren mit dem Leitungssystem zwischen Speicherbecken (dem See) und den Turbinen verbunden sind. Tritt nun ein Druckstoß auf, so kann das Wasser anfangen zwischen dem Wasserschloss und dem Speicherbecken hin und her zu pendeln. Dadurch kann die Energie langsam ober Dämpfung abgebaut werden. Das Wasserschloss muss dazu bis mindestens auf höhe des oberen Stauziels des Wasserbeckens reichen, im Idealfall noch höher.

Für ein Pumpspeicherwerk in den österreichischen Alpen mit einer elektrischen Leistung von maximal 360 Megawatt (das ist recht viel) ist eine Fallhöhe zwischen Speichersee und Turbinen von 311 Metern angegeben.^[3] Das Wasserschloss soll so hoch sein, wie der Eiffelturm (324 Meter). Es kann die Druckstöße bei Volumenströmen von bis zu 150 m³/s ausgleichen. Das Hin- und Herschwingen des Wassers zwischen Speicherbecken und Wasserschloss dauer "mehrere Stunden lang [...] bis die Energie dissipiert ist"^[3].

Klimaanpassung

Die Alpen mit ihren riesigen Gletschern haben bisher die Niederschläge in ihrem Gebiet zunächst in Form von Eis und Schnell gebunden. Erst wenn die Eismassen der hohen Gletscher ausreichend tief Richtung Tal geflossen sind, begann das Eis dort zu tauen und als Fluss abzufließen. Somit wurden die sehr unregelmäßigen Niederschläge in einen mehr oder minder gleichbleibend starken Wasserfluss umgewandelt. Das gleichmäßige Schmelzwasser der Gletschen stabilisierte so den Volumenstrom von Flüssen wie etwa Rhone und Rhein. Gleichzeitig lieferte es bisher auch zuverlässig fließend Wasser für Wasserkraftwerke. Durch die Verbrennung gigantischer Mengen an fossilen Treibstoffen haben die Industrienationen einen Wandel des Klimas hin zu höheren Temperaturen ausgelöst. Damit aber verschwinden zunehmend auch die Gletscher in den Alpen. Und das wiederum bedroht die Gleichmäßigkeit der Wasserzuflüsse in den Alpen. Im Endeffekt müssen die Speicherkraftwerke auf größere Schwankungen zwischen kurzen und starken Niederschlägen einerseits und langen niederschlagsfreien Perioden andererseits ausgelegt werden.^[4] Dies wird in jedem Fall zu deutlich höheren Kosten für die zuverlässige Bereitsstellung von elektrischer Energie führen.

Beispiele

Herdecke

Das Pumpspeicherkraftwerk Herdecke im deutschen Ruhrgebiet nutzt zwei Wasserspeicher mit einem Höhenunterschied von etwa 165 Metern. Eine Turbine kann bis zu 162 Megawatt elektrische Leistung liefern.

162 Megawatt 👉 elektrische Leistung

1,6 Millionen m³ 👉 Volumen

165 Meter 👉 Fallhöhe

Das Oberbecken fasst knapp 1,6 Millionen m³ Wasser, der Höhenunterschied beträgt etwa 165 Meter, und die Anlage wurde 1989 in Betrieb genommen. Siehe auch 👉 Pumpspeicherkraftwerk Herdecke

Vermunt

Das Pumpspeicherkraftwerk Obervermuntwerk II in den österreicher Alpen nutzt das Gefälle zwischen dem Silvretta‑See und dem Vermunt‑See zur Speicherung und Bereitstellung von Energie.

360 Megawatt 👉 elektrische Leistung

38,6 Millionen m³ für Silvretta-See 👉 Volumen

5,3 Millionen m³ für Vermunt-See 👉 Volumen

311 Meter 👉 Fallhöhe

Die Anlage liefert mit zwei Turbinen maximal 380 Megawatt Leistung im Turbinen‑ und maximal 360 Megawatt Leistung im Pumpbetrieb. Die Fallhöhe liegt bei etwa 311 Metern.^[3]

Persönliche Einschätzung

Pumpspeicherkraftwerke sind eine technische ausgereifte Möglichkeit, um schnell abrufbare Energie sicher zu speichern. Doch sie sind in ihrer Bauweise mit offenen Speicherseen immer auch eine Störung einer natürlichen Landschaft. Durch die wechselnden Wasserstände kann sich keine stabile Lebewelt an den Ufern ausbilden. Und bei großer Hitze geht Wasser über Verdunstung verloren. Man kann dabei grob mit Werten in der Größenordnung von einem Millimeter pro Tag rechnen. Mögliche Alternativen zu jetzigen Bauweisen sind Wasserspeicher, die untertägig angelegt werden. Für kleine Speichermengen interessant sind auch sogenannte Beton-Akkus. In jedem Fall dürfte der Klimawandel neue Lösungen für das Problem der Speicherung von Energie interessant machen.

Fußnoten

[1] IRENA (2020), Innovation landscape brief: Innovative operation of pumped hydropower storage. International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi. ISBN 978-92-9260-180-5. In. Online: https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Jul/IRENA_Innovative_PHS_operation_2020.pd

[2] Wozu Wasserschlösser nötig sind und typische Bauweisen ist beschrieben in: Michael Vogel: Wassermassen beherrschen. Physik Journal 24 (2025), Nr. 12. Dort die Seiten 46 und 47.

[3] Das Obervermuntwerk II in Österreicht ist Teil eines Systems aus zwei Speicherseen (Vermunt, Silvretta). Zwei Turbinen können Wasser mit je 180 MW bergauf pumpen oder je 190 MW elektrische Leistung erzeugen. Die genutzte Fallhöhe des Wassers ist 311 Meter. In: Obervermuntwerk II. Information der österreichen Illwerke VKW. Abgerufen am 13. Dezember 2025. Online: https://www.illwerkevkw.at/obervermuntwerk-ii

[4] Gaudard, Ludovic et al. 2014. Climate change impacts on hydropower in the Swiss and Italian Alps. Science of the Total Environment 493:1211–21. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.10.012

[5] Wie schnell ein Wasservolumen an Höhe durch Verdunstung verliert bezeichnet man als 👉 Verdunstungsrate