DE10028431A1 - Wasserkraftwerk - Google Patents
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Abstract
Ein Wasserkraftwerk umfaßt mindestens einen oberen Speicher (1), mindestens einen unteren Speicher (2) und mindestens einen die beiden Speicher miteinander verbindenden Strömungsweg (3), innerhalb dessen mindestens eine Wasserturbine (5) angeordnet ist. Es bildet eine blockartige bauliche Einheit, indem der obere und der untere Speicher (1, 1) sowie der Strömungsweg (3) durch Hohlräume eines geschlossenen Bauwerks (4) gebildet sind.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserkraftwerk
mit mindestens einem oberen Speicher, mindestens einem
unteren Speicher und mindestens einem die beiden Spei
cher miteinander verbindenden Strömungsweg, innerhalb
dessen mindestens eine Wasserturbine angeordnet ist.
Wasserkraftwerke nutzen, unabhängig von ihrer jewei
ligen Bauart (Speicherkraftwerk, Laufkraftwerk, Gezei
tenkraftwerk) die jeweilige Potentialdifferenz zwischen
einem Oberwasser und einem Unterwasser. Ein herausra
gender Vorteil von Wasserkraftwerken ist dabei die her
vorragende Verfügbarkeit und Regelbarkeit. Wasserkraft
werke können bei einem kurzfristig auftretenden
Leistungsbedarf nahezu verzögerungsfrei ans Netz gehen,
weshalb sie zur Abdeckung von Spitzenlasten besonders
geeignet sind. Nachteilig bei Wasserkraftwerken sind
allerdings die erheblichen Kosten für den Transport des
bereitgestellten Stroms zu den Verbrauchern; denn
natürliche Wasserkraftpotentiale liegen in aller Regel
weit ab von Ballungsgebieten, nämlich fast ausnahmslos
in wenig oder gar nicht besiedelten Landstrichen.
Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt,
die Wasserkraft unabhängig von der natürlichen Gelände
topographie nutzbar zu machen.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfin
dung dadurch, daß das Wasserkraftwerk der eingangs ge
nannten Art eine blockartige bauliche Einheit bildet,
indem der obere und der untere Speicher sowie der Strö
mungsweg durch Hohlräume eines geschlossenen Bauwerks
gebildet sind. Mit anderen Worten, beim erfindungs
gemäßen Wasserkraftwerk ist nicht nur der den unteren
Speicher mit dem oberen Speicher verbindende Strömungs
weg durch ein (künstliches) Bauwerk gebildet; vielmehr
sind auch der obere und der untere Speicher selbst ge
meinsam mit dem sie verbindenden Strömungsweg Teil
einer blockartigen baulichen Einheit, indem sie durch
Hohlräume eines geschlossenen Bauwerks gebildet sind.
Diese Bauweise des Wasserkraftwerks gestattet einen
bisher nicht denkbaren Spielraum, was die Lokalisierung
von Wasserkraftwerken angeht. Denn die Erfindung macht
die Lage von Wasserkraftwerken insbesondere gänzlich
unabhängig von spezifischen topographischen Verhält
nissen. Gerade die bisher kaum oder gar nicht besie
delte, mehr oder weniger unberührte Berglandschaft
braucht nicht zur Anlage von Wasserkraftwerken und/oder
zum Aufstauen von Speicherseen zerstört zu werden. Die
Erfindung ermöglicht überdies die Errichtung von
Wasserkraftwerken verbrauchernah und/oder unter Berück
sichtigung besonders günstiger genehmigungsrechtlicher
Rahmenbedingungen. In idealer Weise läßt sich die Er
findung im Rahmen der Rekultivierung von Eingriffen aus
dem Bergbau (Tagebau oder Untertagebau) realisieren. In
diesem Zusammenhang ist von Bedeutung, daß sich Wasser
kraftwerke durch die vorliegende Erfindung besonders
kompakt und raumsparend ausführen lassen, so daß auf
einer vorgegebenen Grundfläche eine besonders hohe
Leistung installiert werden kann.
Gemäß einer ersten bevorzugten Weiterbildung ist bei
dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk mindestens ein
Maschinenraum vorgesehen, der ebenfalls durch einen
Hohlraum des geschlossenen Bauwerks gebildet ist und
mindestens einen mit der mindestens einen Turbine gekoppelten
Generator aufnimmt. Ein solcher Maschinenraum
kann beispielsweise ringförmig den die beiden Speicher
miteinander verbindenden Strömungsweg umgeben. Dies
gilt namentlich dann, wenn, wie dies einer weiteren be
vorzugten Weiterbildung der Erfindung entspricht, der
obere Speicher lotrecht über dem unteren Speicher ange
ordnet ist. In diesem Falle läßt sich der die beiden
Speicher miteinander verbindende Strömungsweg zur Mini
mierung der Strömungsverluste im wesentlichen vertikal
ausrichten. Ist der mindestens eine Maschinenraum ring
förmig um diesen Strömungsweg angeordnet, so ergibt
sich eine unter statischen Gesichtspunkten besonders
günstige Gestalt. Vor demselben Hintergrund ist es be
sonders günstig, wenn der untere und der obere Speicher
jeweils eine achsensymmetrische Gestalt aufweisen.
Der Umstand, daß bei dem erfindungsgemäßen Wasser
kraftwerk die beiden Speicher durch Hohlräume eines ge
schlossenen Bauwerks gebildet sind, gestattet eine ge
zielte Einflußnahme auf die in den Speichern herr
schenden Druckverhältnisse. In diesem Sinne kann gemäß
einer abermals anderen bevorzugten Weiterbildung der
Erfindung vorgesehen sein, daß an den oberen, druck
dicht ausgeführten Speicher ein System zur Druckerhö
hung und/oder Druckabsenkung angeschlossen ist. Dieses
System gestattet, den im oberen Speicher oberhalb des
Wasserspiegels herrschenden Druck über den
atmosphärischen Druck hinaus zu steigern, was eine
Steigerung der an der Turbine zur Verfügung stehenden
Leistung nach sich zieht, bzw. den in den oberen
Speicher oberhalb des Wasserspiegels herrschenden Druck
unter den atmosphärischen Druck abzusenken, was -
während des Speicherbetriebs eines als
Pumpspeicherkraftwerk ausgeführten Kraftwerks gemäß der
vorliegenden Erfindung - die von der mindestens einen
Pumpeneinheit aufgenommene Leistung reduziert.
Weiter oben wurde bereits die durch die vorliegende Er
findung mögliche Integration von Wasserkraftwerken in
bestehende Hohlräume der Erdkruste (Bergbau) angespro
chen. Ist in diesem Sinne die das geschlossene Bauwerk
bildende blockartige bauliche Einheit mehr oder weniger
weit in der Erde versenkt, so daß seine Oberkante mehr
oder weniger mit der natürlichen Geländeoberkante ab
schließt, so läßt sich die Oberfläche der baulichen
Einheit gemäß einer wiederum anderen bevorzugten Wei
terbildung der Erfindung als Standplatz für weitere
baulich Einrichtungen verwenden. Besonders bevorzugt
sind auf der Oberfläche des erfindungsgemäßen Wasser
kraftwerks additive Einrichtungen zur Erzeugung elek
trischer und/oder mechanischer Energie angeordnet, wie
beispielsweise Solar- und/oder Windkraftanlagen. Dies
gilt namentlich dann, wenn, wie dies gemäß einer weite
ren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen
ist, das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk als Pumpspei
cherkraftwerk ausgeführt ist, indem der untere und der
obere Speicher über mindestens eine Pumpeneinheit mit
einander verbunden sind. In diesem Falle dienen die auf
der Oberfläche des Wasserkraftwerks angeordneten addi
tiven Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer und/oder
mechanischer Energie bevorzugt den Antrieb der Pum
peneinheit, mit welcher mehr oder weniger kontinuier
lich Wasser aus dem unteren Speicher in den oberen
Speicher gefördert wird. Die Turbinen des Wasserkraft
werks werden demgegenüber nur zur Deckung des Spitzen
bedarfs mit Wasser beaufschlagt. Auf diese Weise ergibt
sich ein besonders umweltfreundliches, landschafts
verträgliches Spitzenlastkraftwerk.
Ist in dem vorstehend dargelegten Sinne das erfindungs
gemäße Wasserkraftwerk als Pumpspeicherkraftwerk ausge
führt, so kann an dieses insbesondere auch ein Geother
miekomplex angegliedert sein, mit welchem die Erdwärme
zur Erzeugung von Antriebsenergie für die Pumpeneinheit
umgesetzt wird.
Ebenfalls kann an das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk
eine Elektrolysestation zur Erzeugung von Wasserstoff
angegliedert sein. Eine wiederum andere bevorzugte
Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus,
daß der mindestens eine untere Speicher mehrere
Kompartimente umfaßt, die im Leistungsbetrieb des
Kraftwerks nacheinander gefüllt werden. Die einzelnen
Kompartimente können dabei auf demselben oder aber
einem unterschiedlichen Niveau angeordnet sein. Indem
die einzelnen Kompartimente jedes unteren Speichers
nacheinander an den zugeordneten Strömungsweg
angeschlossen werden, nämlich das zweite erst dann,
wenn das erste vollständig gefüllt ist, läßt sich die
im Speicherbetrieb für das Umpumpen des Wassers aus dem
unteren Speicher in den oberen Speicher reduzieren.
Entsprechendes gilt, wenn die Sohle des unteren
Speichers durch einen anheb- und absenkbaren Boden
gebildet ist, der beispielsweise durch eine
Federeinrichtung abgestützt ist. In Abhängigkeit von
der in dem unteren Speicher vorhandenen Wassermenge
nimmt der Boden dabei selbsttätig eine solche Stellung
ein, daß der Wasserspiegel im unteren Speicher direkt
unterhalb der Turbine liegt.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand
vierer in der Zeichnung veranschaulichter bevorzugter
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein erstes, als
Pumpspeicherkraftwerk ausgeführtes bevorzugtes Aus
führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 ebenfalls im Vertikalschnitt eine andere be
vorzugte Ausführungsform,
Fig. 3 im Vertikalschnitt eine dritte bevorzugte
Ausführung der Erfindung, und
Fig. 4 im Vertikalschnitt eine vierte bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung.
Das Wasserkraftwerk gemäß Fig. 1 umfaßt einen oberen
Speicher 1, einen unteren Speicher 2 und einen die bei
den Speicher miteinander verbindenden Strömungsweg 3.
Die beiden Speicher 1 und 2 sowie der Strömungsweg 3
sind gebildet durch Hohlräume eines geschlossenen Bau
werks 4, das eine blockartige bauliche Einheit bildet.
Das Bauwerk 4 weist dabei eine zylindrische Grundform
auf. Der obere Speicher 1 weist eine an eine Kugelform
angenäherte Gestalt auf. Er ist lotrecht über dem Spei
cher 2 angeordnet, der im wesentlichen zylindrisch mit
einem konischen oberen Bereich ausgeführt ist.
In dem Strömungsweg 3 ist eine Turbine 5 angeordnet.
Diese ist mit einem Generator 6 gekoppelt, welcher in
einem Maschinenraum 7 untergebracht ist. Der Maschinen
raum 7 umgibt dabei den Strömungsweg 3 ringförmig. Im
Bereich des Übergangs vom oberen Speicher 1 zum Strömungsweg
3 ist ein Sperrventil 8 angeordnet. Mit diesem
läßt sich die Durchflußmenge vom oberen Speicher 1 über
den Strömungsweg 3 zum unteren Speicher 2 regulieren.
Ist der Generator 6 nicht am Netz, so ist das Sperr
ventil 8 vollständig geschlossen, oder aber nur soweit
geöffnet, daß der Generator die innerhalb des
Kraftwerks benötigte Leistung erzeugt.
Das Wasserkraftwerk umfaßt eine Pumpeneinheit 9, welche
wiederum ein auf der Sohle des unteren Speichers 2 an
geordnetes Pumpenaggregat 10 und eine Steigleitung 11
umfaßt. Zu Zeiten des Speicherbetriebs wird Wasser aus
dem unteren Speicher 2 in den oberen Speicher 1
gepumpt. Das Wasser wird hierzu vom Pumpenaggregat 10
über Ansaugöffnungen 12 angesaugt. Es verläßt die
Steigleitung 11 im Inneren des oberen Speichers 1 über
ein Unterdruckventil 13.
Die von dem Pumpenaggregat 12 benötigte Energie wird
zur Verfügung gestellt von einer Windkraftanlage 14 und
einer Solaranlage 15, die auf der Oberfläche 16 des
Bauwerks 4 angeordnet sind. Jene Oberfläche ist dabei,
indem das Bauwerk 4 entsprechend tief in die Erde
versenkt angeordnet ist, im wesentlichen ebenerdig zu
der natürlichen Oberkante des das Kraftwerk umgebenden
Geländes 17 angeordnet.
Der obere Speicher 1 ist mittels eines Deckels 18 dicht
verschlossen. Auf dem Deckel 18 ist die Warte 19 ange
ordnet. Ferner ist auf dem Deckel 18 ein Pumpenhaus 20
aufgebaut. Das Pumpenhaus 20 ist Teil eines Systems,
mit welchem sich der Druck innerhalb des oberhalb des
Wasserspiegels des oberen Speichers 1 befindlichen Raumes
21 gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhen und
absenken läßt.
Zu Zeitpunkten der Spitzenlast wird das Sperrventil 8
entsprechend der benötigten Leistung geöffnet, wodurch
die Turbine 5 mit Wasser aus dem oberen Speicher 1 be
aufschlagt wird. Das Wasser gelangt aus dem der Turbine
nachgeschalteten Abschnitt des Strömungswegs 3 an
schließend in den unteren Speicher 2, wobei ein ent
sprechendes Luftvolumen über die in die Umgebung
mündende Entlüftungsleitung 22 verdrängt wird. Das in
dem unteren Speicher 2 aufgefangene Wasser wird über
die bereits beschriebene Pumpeneinheit 9 wieder in den
oberen Speicher 1 gefördert, wobei dies in aller Regel
außerhalb der Spitzenlastzeiträume erfolgt.
Die Hauptkomponenten des in Fig. 2 veranschaulichten
Wasserkraftwerks stimmen überein mit denjenigen des
Wasserkraftwerks nach Fig. 1. Wiederum sind ein oberer
Speicher 1 und ein unterer Speicher 2 vorgesehen,
welche als Hohlräume eines geschlossenen Bauwerks 4
ausgeführt sind. Die beiden Speicher 1 und 2 sind in
diesem Falle jedoch über mehrere Strömungswege 3 mit
einander verbunden, in denen jeweils eine Turbine 5 an
geordnet ist. Zur Verringerung des nicht nutzbaren
Energiegefälles ist der untere Speicher 2 besonders
breit und flach ausgeführt. Hierdurch ergibt sich, daß
das Bauwerk 4 nicht zylindrisch ausgeführt ist, sondern
sich vielmehr nach oben hin verjüngt. Aus statischen
Gründen stützt sich die Zwischendecke 23 über Pfosten
24 auf der Sohle des unteren Speichers 2 ab. In ent
sprechender Weise stützt sich der den oberen Speicher 1
verschließende Deckel 18 über Pfeiler 25 auf der
Zwischendecke 23 ab.
Bei dem Wasserkraftwerk gemäß Fig. 2 ist ein System zur
Erhöhung des Drucks im oberen Speicher 1 nicht vorge
sehen. Demgemäß mündet die Ausgleichsleitung 26 in dem
oberen Speicher 1 und nicht im Freien, wie in Fig. 1.
Die zum Antrieb des Pumpenaggregats 10 benötigte Ener
gie wird durch eine Geothermieeinheit 26 bereit
gestellt, die unterhalb der Bodenplatte des Bauwerks 4
angeordnet ist.
Die in Fig. 3 und Fig. 4 (nur schematisch)
veranschaulichten Wasserkraftwerke umfassen wiederum
die selben Hauptkomponenten wie die in den Fig. 1
und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele. Zur
Vermeidung von Wiederholungen wird auf die
entsprechenden Erläuterungen verwiesen.
Besonders ausgeführt ist in Fig. 3 die Gestaltung des
Strömungskanals 3. Dieser umfaßt einen bauwerksfesten
Abschnitt und ein in diesem verschiebbar (Doppelpfeil
A) geführtes Rohr 27. Der untere Endabschnitt 28 des
Rohres 27 ist diffusorartig erweitert. Die Wasser
turbine 5 ist unmittelbar oberhalb des erweiterten
Endabschnitts 28 des Rohres 27 angeordnet. Indem das
Rohr 27 in dem bauwerksfesten Abschnitt des Strömungs
wegs 3 vertikal verschiebbar geführt gelagert ist, läßt
sich der Abstand der Wasserturbine 5 oberhalb der Sohle
des unteren Speichers 2 verändern. Dies gestattet es,
zur optimalen Nutzung des zwischen dem Wasserstand im
oberen Speicher 1 und dem Wasserstand im unteren Spei
cher 2 bestehenden Energiegefälles die Turbine 5 kon
stant in einem geringen Abstand oberhalb des Wasser
spiegels im unteren Speicher 2 zu halten. Dies bedeutet,
daß in Leistungsbetrieb das Rohr 27 entsprechend
dem Anstieg des Wasserspiegels im unteren Speicher 2
allmählich angehoben wird.
In Fig. 4 ist veranschaulicht, daß mehrere
Pumpeneinheiten 9 kaskadenartig angeordnet vorgesehen
sein können. Dargestellt ist die Aufteilung der
gesamten Höhe auf drei Pumpeneinheiten, wobei die
untere und die mittlere Pumpeneinheit jeweils in einem
Zwischenspeicher 29 fördern. Auch die Zwischenspeicher
sind wiederum als Hohlräume in dem Bauwerk 4
ausgeführt. Sie sind über eine Unterdruckleitung 30 an
eine Unterdruckstation 31 angeschlossen.
Von den Zwischenspeichern können Verbindungen zum
oberen Speicher 1 bestehen, die in Speicherbetrieb
benutzt werden. In diesen Verbindungsleitungen können
Absperrventile vorgesehen sein.
Lediglich zur Klarstellung sei nochmals darauf
hingewiesen, daß die Lage des Bauwerks 4 zur
natürlichen Geländeoberkante 17 nicht auf die in der
Zeichnung veranschaulichte Situation beschränkt ist.
Vielmehr kann das Bauwerk, je nach den örtlichen
Verhältnissen, auch auf der Geländeoberfläche stehen,
teilweise aus dem Gelände herausragen oder noch tiefer
versenkt in diesem angeordnet sein.
Claims (8)
1. Wasserkraftwerk mit mindestens einem oberen
Speicher (1), mindestens einem unteren Speicher (2)
und mindestens einem die beiden Speicher
miteinander verbindenden Strömungsweg (3),
innerhalb dessen mindestens eine Wasserturbine (5)
angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß es eine blockartige bauliche Einheit bildet,
indem der obere und der untere Speicher (1, 2)
sowie der Strömungsweg (3) durch Hohlräume eines
geschlossenen Bauwerks (4) gebildet sind.
2. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Maschinenraum (7) vorgesehen
ist, der ebenfalls durch einen Hohlraum des
geschlossenen Bauwerks (4) gebildet ist und
mindestens einen mit der mindestens einen Turbine
(5) gekoppelten Generator (6) aufnimmt.
3. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der obere Speicher (1) lotrecht über dem
unteren Speicher (2) angeordnet ist.
4. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der untere und der obere Speicher (2, 1) eine
achsensymmetrische Gestalt aufweisen.
5. Wasserkraftwerk nach Anspruch 3 und Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Strömungsweg (3) auf der gemeinsamen Achse
der beiden Speicher (1, 2) angeordnet ist.
6. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß an den oberen Speicher (1) ein System (20) zur
Druckerhöhung angeschlossen ist.
7. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Oberfläche (16) der baulichen Einheit
(4) additive Einrichtungen (14, 15) zur Erzeugung
elektrischer und/oder mechanischer Energie
angeordnet sind.
8. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß es als Pumpspeicherkraftwerk ausgeführt ist,
indem der untere und der obere Speicher (2, 1) über
mindestens eine Pumpeneinheit (9) miteinander
verbunden sind.
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