DE10028431A1 - Wasserkraftwerk - Google Patents

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.