AT347540B

AT347540B - Unterirdischer heisswasserspeicher, insbes. als energiespeicher fuer kernreaktoren

Info

Publication number: AT347540B
Application number: AT654775A
Authority: AT
Original assignee: Laing Nikolaus; Laing Ingeborg; Laing Oliver
Priority date: 1975-08-25
Filing date: 1975-08-25
Publication date: 1978-12-27
Also published as: ATA654775A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen unterirdisch angeordneten Heisswasserspeicher, insbesondere Energiespeicher für Kernkraftwerke, dessen Druckgefäss aus einer eng an der Kavernenwand anliegenden Wandung gebildet ist und eine Isolation aufweist.

Es sind unter hohem Druck stehende Dampfkessel beschrieben, die relativ dünnwandig ausgebildet sind und in Kavernen angeordnet sind, so dass die Druckkräfte des Dampfes vom Fels aufgenommen werden. Dieses Prinzip beabsichtigt die Erfindung zur unterirdischen Heisswasserspeicherung einzusetzen. Die Abmessungen solcher Speicher sind im Vergleich zu Dampfkesseln unvergleichlich grösser. Zur Speicherung der Wochenend-Überschussenergie eines Reaktors werden beispielsweise 6. 105 m3 an Heisswasser von 300 benötigt. Metallene Kessel für derartige grosse Abmessungen würden zu Ausdehnungswegen führen, die bei Anpressdrücken von zirka 100 kg/cm2 in der Grössenordnung von mehreren Fuss liegen würden. Solche Konstruktionen würden äusserst aufwendige Konstruktionselemente erfordern und einem mechanischen Verschleiss unterliegen.

Aus diesem Grunde ist die Lehre nach dem Stand der Technik für grosse Heisswasser-Energiespeicher nicht anwendbar. Bei kleinen Gefässen kann auch das Erdreich als Isolator eingesetzt werden. Bei Gefässen mit mehreren 100 m Erstreckung würde aber eine Aufheizung des Felsens nicht nur zu unzumutbar grossen Verlust-Wärmeströmen führen, sondern auch gefahrbringende tektonische Verwerfungen nach sich ziehen.

Es ist ein Flüssigkeitsspeicher mit einem Luftraum über der flüssigen Speichermasse bekannt, bei dem in der Speicherwand ein Glattstrich vorgesehen ist. Dieser Speicher hat Wände, welche druckfest gebaut sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Konstruktion druckfester Wände zu vermeiden. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass die Wandung des Druckgefässes aus einer Blase aus elastischem organischem Werkstoff besteht, die an der Kavernenwand aufgebracht und auf der Behälterinnenseite mit einem Isolierkörper bewehrt ist.

Der erfindungsgemässe Heisswasserspeicher vermeidet also die oben genannten Nachteile dadurch, dass die Wandung die Felskaverne ist. Das blasenförmige Gefäss weist in der Wandung ein Kühlsystem auf, welches aus Kanälen besteht. Zur Isolation des Speicherwassers im Bereich der vertikal verlaufenden Wandungen dienen innenliegende Isolierschichten, so gegebenenfalls die wandnahen Schichten des Speicherwassers. Im unteren Bereich isoliert ebenfalls das Wasser auf Grund seiner thermisch stabilen Schichtung zum Gefässboden hin. Zu den vertikalen Wandbereichen hin sind Mittel vorgesehen, die eine Konvektion der isolierenden wandnahen Wasserschichten verhindern. Hiefür eignet sich insbesondere Schlacken- oder auch Glaswolle, Koks oder auch eine dünnwandige Struktur von parallelen Kanälen, z. B. eine Bienenwabenstruktur.

Eine weitere Art der Isolation besteht erfindungsgemäss darin, dass im Inneren des Speichergefässes dichtgepackte Rohrlagen angeordnet sind, die vertikal oder auch horizontal verlaufen, die mit einem Druckgas gefüllt sind, wobei der Gasdruck oberhalb des höchsten Betriebsdruckes gewählt wird. Im Inneren der Rohre können konvektionsverhindernde Stoffe, z. B. Schlackenwolle, lose eingebracht sein. Zum Ausgleich der bei unterschiedlichen Ladezuständen unterschiedlichen Temperaturen kommuniziert das Innere der Rohre mit einem Kompressor, der bei zunehmender Erwärmung das überschüssige Gasvolumen komprimiert, damit dieses Gas gegebenenfalls durch einen Kondensator verflüssigt in Druckbehältern aufbewahrt werden kann. Von dort aus wird es bei Abkühlung des Speicherinneren wieder in die Rohre zurückgeleitet.

Als Füllgas für die Rohre eignen sich bevorzugt Schwefeldioxyd, Ammoniak, Methan, Äthan und Äthylen.

Zur Kompensation des unterschiedlichen Dampfdruckes und des sich stark ändernden Ausgleichsvolumen-Raumes oberhalb des Speicherwassers kann erfindungsgemäss ein im Heisswasser nicht lösliches Gas, z. B. Methan, Äthan oder Äthylen, eingesetzt werden, welches betriebsmässig auf Siededruck des eingeschlossenen Wassers bei maximaler Temperatur gehalten wird. Der Füllstand wird entsprechend der thermischen Ausdehnung des Wassers bei einem Temperaturschub von z. B. 2900 auf etwa 70% des Maximalvolumens gewählt. Mit nach unten hin fortschreitender Erwärmung des Speicherwassers dehnt sich während der Ladephase dieser Inhalt schliesslich so weit aus, dass er praktisch den gesamten Speicherraum einnimmt.

In entsprechendem Masse wird das erwähnte Ausgleichsgas zu einer Verflüssigungsstation, die oberirdisch angeordnet sein kann, geleitet und dort durch einen Kondensator verflüssigt. Dabei wird auch Wasserdampf entsprechend dessen Partialdruck in Ausgleichsgas-Dampfgemisch verflüssigt. Das verflüssigte Ausgleichsgas wird in isolierten Tanks aufbewahrt und während der Ladephase unter Wärmezufuhr dem Speicher wieder zugeleitet. Der kondensierte Wasserdampf wird vorzugsweise unmittelbar dem Speicher wieder zugeleitet. Als Ausgleichsgefäss dient der obere Bereich der Kaverne. Da dieser

Bereich nur mit kaltem Wasser in Berührung kommt, genügt eine einfache Auskleidung der Wandung ohne Isolation nur zum Zwecke des Abdichtens gegen eventuelle Felsspalten und-poren.

Zwischen dem oberen Bereich für Kaltwasser und dem unteren Bereich für Speicherwasser ist eine Leitung angeordnet, durch die vorzugsweise über eine Pumpe das überschüssige kalte Wasser vom tiefsten Punkt des unteren Bereiches in den tiefsten Punkt des oberen Bereiches geleitet wird. Die dazwischenliegende Wandung ist, da diese Wandung eine dynamisch instable Membran bildet, vorzugsweise durch Betonkörper beschwert und durch Seile abgehängt. Auch dieser Bereich muss entsprechend der Erfindung mit einer Isolierung ausgebildet sein.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen beschrieben werden. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt des Speichers. Fig. 2 zeigt die Befestigung der Speicherwand und von Isolationselementen. Fig. 3 zeigt eine Schicht aus Rohren als Isolationselement. Fig. 4 zeigt das Lade- und Entladeschaltbild.

Fig. l zeigt einen erfindungsgemässen Speicher im Querschnitt. In die Kaverne-l-ist durch den Schacht --2-- hindurch eine elastische Blase --3--, vorzugsweise aus Plastikfolie, eingebracht und anschliessend durch Aufblasen mittels Luft oder durch geeignete Befestigungsmittel gegen die Wand gepresst.

Der Zwischenboden --4-- befindet sich in Höhe des Wasserspiegels bei entladenem Speicher.
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--4-- ist--11-- über ein Ventil --12-- in einen Kondensator --13--, der die Kondensationswärme des Gases an einen Wasserkreislauf --14-- abgibt und über die Flüssigkeitsleitung --15-- mit einem gegebenenfalls oberirdisch angeordneten, gut isolierten Flüssigkeitsbehälter --10-- kommuniziert. An der Innenseite der Folie - ist eine Isolierschicht --6-- angeordnet, durch die verhindert wird, dass das Wasser in die wandnahen Schichten Konvektionsbewegungen ausführen kann. Zwischen der Folie --3-- und der Schicht --6-befinden sich Kühlwasserleitungen --18--, durch die ein Kühlwasserstrom geleitet wird.

Fig. 2 zeigt die Details der Wandausbildung. Auf dem Fels --20-- ist ein Glattstrich --21-aufgebracht. An diesem liegt eng die Wand der Blase --22-- an. In definierten Abständen sind Metallprofile --23-- durch Stahlnägel --24-- in gleicher Höhenlage umlaufend angeordnet und an Fels - befestigt. Der zurückgebogene Schenkel --23a-- des Metallprofils --23-- bedeckt die Köpfe der Nägel --24--. Zusammen mit der Wandung --21-- bilden sich Hinterschnittbereiche --25--, in welche eine Falte der Blasenwand-22-- und metallische Haken-26-- eingelegt sind. An diesen Haken sind einerseits Haken --27-- zum Einhängen von Tragseilen --28-- angeordnet. Am andern Schenkel --29-- sind Laschen - durchgestanzt, in welche Kühlmittelrohre-31-eingelegt werden.

Die Wandung der Blase --22-erfährt also im Hakenbereich --25-- eine Faltung --22a-- und wird so ohne Perforation etwa durch Nägel an der Felswand --20, 21-- befestigt. Die Isolation --6-- besteht aus Quadern, vorzugsweise Kuben, die zur Innenseite hin mit einem Streckmetall --33-- abgedeckt sind. Diese Streckmetallelemente sind mit einem Blechwinkel fest verbunden. Der Blechwinkel weist durchbrochene Laschen auf, in deren Durchbruch die Tragseile --38-- eingehängt werden.

Das Isoliermaterial besteht aus hydrothermal-resistenter Mineralfaser oder auch aus Metallfaser oder Kohlepulver oder Koks und ist wasserdurchlässig, verhindert jedoch die thermische Konvektion und die Vermischung der Wasserschichten, so dass zwischen dem Streckmetall --33-- und den Kühlwasserrohren --31-- ein Temperaturgefälle von bis zu 3000 entsteht.

Fig. 3 zeigt die gleiche Wandausbildung wie Fig. 2, bei der die Isolation jedoch durch dünnwandige Edelstahlrohre --40-- vorgenommen wird, die wendelförmig angeordnet sind und durch Stäbe --41--, die mit Tragseilen --28-- gehalten werden, in ihrer Lage fixiert werden. Die Rohre kommunizieren unter Zwischenschaltung eines Ventils mit einem Verflüssiger. Die Kondensationswärme wird durch einen Wasserkreislauf abgeführt. Der gleiche Wasserkreislauf aber führt, wenn das Gas wieder zurückströmen soll, auch die Verdampfungswärme zu. Im Inneren sind diese Rohre mit Mineralwolle gefüllt. Als Füllgas eignet sich bevorzugt Äthylen. Die Temperatur des Verflüssigers muss dann beim Verflüssigen bei einer Temperatur unterhalb von 9, 5 liegen.

Im Flüssigkeitsbehälter --46-- wird das jeweils überschüssige Gas während der Periode "geladen" in Vorrat gehalten.

Fig. 4a zeigt das Schaltbild des im Speicher befindlichen Wärmetauschers. Die Leitungen --50 und 51-- führen zum Reaktor bzw. Kraftwerksverdampfer und zum Wärmetauscherbereich --53--. Durch die Leitung --50-- tritt vom Reaktor --50-- erhitztes Wasser ein und heizt im Gegenstrom das vom Bodenbereich --57-- des Speichers einströmende Speicherwasser auf, welches durch den höhenverstell-

baren Austritt --55-- des zweiten Wärmetauscherbereiches in das Speicherinnere eintritt. Die Höhenverstellung kann erfindungsgemäss auch durch einen von einem Schwimmer getragenen Schlauch erfolgen.

Fig. 4b zeigt den Entladezustand. Beide Wärmetauscherbereiche werden nunmehr in umgekehrter Richtung wie beim Laden durchströmt. Die Heisswasserentnahme für das Kraftwerk erfolgt nunmehr durch das Rohr --50--, während kaltes Kesselspeisewasser durch das Rohr --51-- gefördert wird. Die Zuführung des Speicherwassers erfolgt beim Entladen durch die Pumpe --56--, der Austritt des abgekühlten Speicherwassers erfolgt am Fuss des Wärmetauschers durch die Öffnung --57--.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Unterirdischer Heisswasserspeicher, insbesondere Energiespeicher für Kernkraftwerke, dessen Druckgefäss aus einer eng an der Kavernenwand anliegenden Wandung gebildet ist und eine Isolation auf weist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Druckgefässes aus einer Blase (3,22) aus elastischem organischem Werkstoff besteht, die an der Kavernenwand (2,21) aufgebracht und auf der Behälterinnenseite mit einem Isolierkörper (6,40) bewehrt ist.

Claims

2. Heisswasserspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blase (3,22) aus Polypropylen gebildet ist.

3. Heisswasserspeicher nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Blase (3,22) aus kautschukähnlichem Material besteht.

4. Heisswasserspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n - zeichnet, dass die Isolation aus horizontal oder vertikal angeordneten Rohren (40), vorzugsweise aus Wendeln besteht, die dünnwandig, vorzugsweise aus Edelstahl, ausgebildet und mit einem Druckgas gefüllt sind, dessen Druck dem betriebsmässigen Druck des Speicherwassers entspricht.

5. Heisswasserspeicher nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Rohre (40) mit Gasspeichern kommunizieren, wobei vorzugsweise Kompressoren und/oder Kondensatoren zwischengeschaltet sind.

6. Heisswasserspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n - zeichnet, dass mit der Blase (22) Seile (38) verbunden sind, die die konvektionsverhindernde Isolierschicht (6) in ihrer Lage halten.

7. Heisswasserspeicher nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die konvektionsverhindernde Isolierschicht (6) aus hydrothermalresistenter Mineralfaser oder Metallfaser besteht.

8. Heisswasserspeicher nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die konvektionsverhindernde Isolierschicht (6) aus aufgeschäumten Werkstoffen, deren Porenwände wasserdurchlässig sind, besteht, wobei mindestens der innere Bereich der Schicht aus mineralischen Werkstoffen gebildet wird.

9. Heisswasserspeicher nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die konvektionsverhindernde Isolierschicht (6) aus einer Struktur von dünnwandigem Material, z. B. aus einer Aluminiumwabenstruktur besteht, deren Kanäle so bemessen sind, dass Konvektion vermieden wird.

10. Heisswasserspeicher nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die nach innen weisende Oberfläche der konvektionsverhindernden Isolierschicht (6) durch eine metallische Struktur, z. B. Blechplatten, Streckmetallgitter oder Metalldrahtgewebe gebildet wird.

11. Heisswasserspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d g e k e n n z e i c h net, dass der Isolierkörper aus Schichten (6) mit gasgefüllten Schäumen, vorzugsweise Glas- oder Mineralschäumen besteht.

12. Heisswasserspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d g e k e n n z e i c h net, dass der isolierende Körper (6) eine Vielzahl von horizontal verlaufenden flüssigkeitsundurchlässigen Schichten, vorzugsweise Aluminiumfolien, aufweist.