DE102007013610A1

DE102007013610A1 - Pump-fed power station comprises an upper and a lower storage reservoir arranged directly one above the other

Info

Publication number: DE102007013610A1
Application number: DE102007013610A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Siol
Original assignee: ETC ENERGIETECHNIK und CHEMIE; Etc Energietechnik und Chemie & Co KG GmbH
Current assignee: ETC ENERGIETECHNIK und CHEMIE; Etc Energietechnik und Chemie & Co KG GmbH
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-09-25

Abstract

Pump-fed power station comprises an upper and a lower storage reservoir arranged directly one above the other. Preferred Features: The upper and lower storage reservoirs are arranged directly one above the other on a common base.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft Pumpspeicherwerke, die einen geringen Flächenbedarf aufweisen, keine besonderen Anforderungen an die Geländegegebenheiten haben und die sich besonders zum Betrieb von Inselnetzwerken eignen.The The invention relates to pumped storage plants that require little space have no special requirements for the terrain conditions and which are particularly suitable for operating island networks.

Stand der TechnikState of the art

Die Speicherung elektrischer Energie erfolgt in der Regel durch Pumpspeicherwerke. Ein Pumpspeicherwerk besteht aus einer Pumpanlage, einem oberen und unteren Speicherbecken und einem Wasserkraftwerk. Das Prinzip der Pumpspeicherung besteht darin, Wasser aus dem unteren Becken mit überschüssigem Strom in das hoch gelegene Becken zu pumpen und in den Zeiten hohen Energiebedarfs zur Erzeugung des benötigten Stroms das Wasser durch die Turbinen des Wasserkraftwerkes wieder in das untere Becken fallen zu lassen. Die Pumpspeicherung ist eine ausgereifte Technik. Der Gesamtwirkungsgrad liegt bei 0,70–0,75, d. h. 70–75% der aufgewendeten Energie kann wiedergewonnen werden (siehe auch DE 195 13 817 ).The storage of electrical energy is usually done by pumped storage. A pumped storage plant consists of a pumping station, an upper and lower reservoir and a hydroelectric power station. The principle of pumped storage is to pump water from the lower tank with excess electricity in the high-lying pool and to drop the water through the turbines of the hydroelectric power plant back into the lower pool in times of high energy demand to generate the required power. Pumped storage is a mature technology. The overall efficiency is 0.70-0.75, ie 70-75% of the energy used can be recovered (see also DE 195 13 817 ).

Eine Voraussetzung für die Anlage von Pumpspeicherwerken sind günstige Geländebedingungen für die Errichtung der beiden Becken, wie sie z. B. im Gebirge gegeben sind. DE 10361590 beschreibt die Errichtung eines Pumpspeicherwerkes in stillgelegten Schachtanlagen. DD 43131 beansprucht die Verwendung von Asche und hydraulischem Filtermaterial zur Erzeugung künstlicher Berge zur Errichtung eines Oberbeckens. DE 195 13 817 beschreibt die Errichtung großer Pumpspeicherwerke in Braunkohletagebaustrecken, bei denen bei besonders großen Anlagen zumindest das Unterbecken unter Umgebungsniveau angeordnet ist.A prerequisite for the investment of pumped storage plants are favorable terrain conditions for the construction of the two basins, as z. B. are given in the mountains. DE 10361590 describes the construction of a pumped storage plant in disused shaft systems. DD 43131 claims the use of ash and hydraulic filter material for the production of artificial mountains for the construction of an upper basin. DE 195 13 817 describes the construction of large pumped storage power plants in opencast lignite mines where, for particularly large plants, at least the lower reservoir is located below the ambient level.

Aufgabenstellungtask

Nach wie vor besteht Bedarf an Pumpspeicherwerken, dies um so mehr als mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Energien, z. B. Strom aus Windkraftanlagen, Erzeugung und Bedarf von Strom oft nicht zusammenfallen.To As before, there is a need for pumped storage plants, all the more so with increasing share of renewable energies, eg. B. electricity from wind turbines, Generation and demand of electricity often do not coincide.

Nach wie vor werden Pumpspeicherwerke nur in höhengegliedertem, gebirgigem oder hügeligem Gelände- sei dies nun in natürlichem oder künstlich angelegtem- gebaut. Insbesondere erfordert in künstlich angelegtem Gelände, z. B. bei in Braunkohletagebaustrecken angelegten Ober- und Unterbecken, das Schwanken des Wasserspiegels im Unterbecken (je nach Betriebszustand nahezu leeres oder voll gefülltes Unterbecken) ein Abdichten des Unterbeckens gegen Grundwasser zur Verhinderung der Erosion der Böschungen.To as before pumped storage plants are only in height-segmented, be it mountainous or hilly terrain in natural or artificially constructed. In particular, in artificially created terrain, z. For example, in upper and lower basins created in lignite open-pit sections, the fluctuation of the water level in the lower basin (depending on the operating condition almost empty or fully filled lower basin) a caulking of the lower basin against groundwater to prevent erosion the slopes.

Der Bedarf an Pumpspeicherwerken ist auch dadurch belegt, dass erst vor wenigen Jahren mit dem Pumpspeicherwerk Goldisthal das bislang größte deutsche Pumpspeicherwerk (1060 MW, Arbeitsvermögen: 8.480.000 kWh) ans Netz gegangen ist. Auch dieses Pumpspeicherwerk wurde wieder im Mittelgebirge errichtet.Of the Need for pumped storage plants is also occupied by the fact that only a few years ago with the pumped storage plant Goldisthal so far largest German pumped storage power plant (1060 MW, working capacity: 8,480,000 kWh) has gone online. Also this pumped storage plant was rebuilt in the low mountain range.

Nach wie vor erfolgt die Pumpspeicherung nur an wenigen Standorten im Gebirge oder Mittelgebirge, weit entfernt von den Verbraucherzentren, mit entsprechenden Kosten für die Netzdurchleitung.To As before, the pumped storage takes place only at a few locations in the Mountains or low mountain ranges, far from the consumer centers, with corresponding costs for the network transmission.

Diese Energiespeicherung in weit entfernten Pumpspeichern ist zwar im Rahmen eines großen Verbundnetzes möglich, verhindert aber beispielsweise einen Inselbetrieb, wie er von vielen Verbrauchern insbesondere im Hinblick auf eine rein auf erneuerbare Energien aufgebaute Stromerzeugung gewünscht wird.These Energy storage in distant pumped storage is indeed in Framework of a large interconnected network possible prevented but for example, an island operation, as he is of many consumers especially with regard to a purely renewable energy built-up power generation is desired.

Lösungsolution

Es wurde nun gefunden, dass Pumpspeicherwerke ohne besondere Anforderung an ein spezielles Gelände nahezu überall errichtet werden können, wenn die Pumpspeicherwerke so aufgebaut sind, dass Ober- und Unterbecken direkt übereinander auf einem gemeinsamen Fundament angeordnet sind.It has now been found that pumped storage plants without special requirement built on a special terrain almost everywhere when the pumped storage plants are so constructed, that upper and lower tank directly above each other on one common foundation are arranged.

Derartige Pumpspeicherwerke wirken unabhängig vom Füllstand der Becken (also unabhängig davon, ob die gesamten Wassermassen im Unter- oder Oberbecken sind) auf den Untergrund. Alle relevanten Kräfte lassen sich im Innern des Bauwerks auffangen. Damit ist die Errichtung eines derartigen Pumpspeichers auf die technischen Anforderungen an die Errichtung eines Hochhauses oder großen Lagergebäudes zurückgeführt, die hinreichend bekannt sind. Dies gilt auch für die Anforderungen an den Untergrund, auf dem dieses Gebäude errichtet werden soll. Wesentlich ist dabei, dass der Schwerpunkt der Wassermassen bei gefülltem Oberbecken direkt über dem Schwerpunkt der Wassermassen bei gefülltem Unterbecken angeordnet ist.such Pumped storage plants are independent of the filling level the basin (ie regardless of whether or not the entire body of water in the lower or upper basin) on the ground. All relevant Forces can be absorbed inside the structure. In order to is the establishment of such a pumped storage on the technical Requirements for the erection of a skyscraper or large Warehouse returned, the sufficient are known. This also applies to the requirements of the Subsoil on which this building is to be built. It is essential that the focus of the water masses at filled upper tank directly above the center of gravity the mass of water is arranged with a filled lower basin.

Als Richtlinie kann dabei genommen werden, dass die Verbindungslinie des Schwerpunktes der Wassermassen im Oberbecken zum Schwerpunkt der Wassermassen im Unterbecken zur Senkrechten einen Winkel < 10°, bevorzugt < 2°, besonders bevorzugt < 1° aufweisen sollte.When Guideline can be taken that the connecting line the center of gravity of the water masses in the upper basin to the center of gravity the water masses in the lower basin to the vertical angle <10 °, preferably <2 °, especially preferably <1 ° should.

Vom Prinzip her handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerk um ein zweigeschossiges Gebäude.from Principle forth is the inventive Pumped storage plant around a two-storey building.

Als Beispiel für einen derartigen Pumpspeicher siehe Beispiel 1. Das dort beschriebene Bauwerk hat eine quadratische Grundfläche 100 m × 100 m, das Fundament ist 20 m unter Umgebungsniveau, die Seitenwände des Unterbeckens sind 25 m hoch, davon 20 m im Erdreich. Darüber in einer Höhe von 5 m befindet sich der Boden des Oberbeckens. Die Seitenwände des Oberbeckens sind wie die des Unterbeckens 25 m hoch. Damit erstreckt sich das Bauwerk 20 m tief in das Erdreich und hat eine Höhe von 30 m über dem Boden.When Example of such pumped storage see example 1. The structure described there has a square base 100 m × 100 m, the foundation is 20 m below ambient level, the Side walls of the lower basin are 25 m high, of which 20 m in the soil. Above it is located at a height of 5 m the bottom of the upper basin. The side walls of the upper basin are like the lower basin 25 m high. This extends that Building 20 m deep in the ground and has a height of 30 m above the ground.

Ein derartiges Gebäude hat vergleichbare Ausmaße wie z. B. ein Hochregallager, das in vielen Industriegebieten zu finden ist.One Such building has similar dimensions as z. As a high-bay warehouse, which can be found in many industrial areas is.

Nach Füllung des Pumpspeicherwerks mit ca. 220.000 m3 Wasser kann bei einer durchschnittlichen Nutzung von 200.000 m3 Wasser und einer durchschnittlichen Nutzfallhöhe des Wassers von 20 m durch Hochpumpen des Wassers Energie in einer Menge von 8888 kWh gespeichert werden. Damit kann ein derartiges Pumpspeicherwerk für den Zeitraum von 4 h eine Leistung von 2,222 MW zur Verfügung stellen. Durch Vergrößerung des Pumpspeichers (Vergrößerung des Unter- und Oberbeckens, Vergrößerung der Fallhöhe) läßt sich die speicherbare Energiemenge vergrößern.To Filling the pumped storage plant with approx. 220,000 m3 of water can with an average use of 200,000 m3 of water and an average use case height of the water of 20 m by pumping up the water energy in an amount of 8888 kWh are stored. Thus, such a pumped storage plant for the period of 4 hours a power of 2,222 MW Make available. By enlargement of the pumped storage tank (enlargement of the lower and upper Oberbeckens, increase of the height of fall) the storable amount of energy can be increased.

Die Kenntnis zur Errichtung solcher zweigeschossiger Pumpspeicherwerke z. B. aus Stahlbeton, die Stärke und Anzahl der zum Abstützen des Oberbeckens erforderlichen Träger kann bei den Fachleuten des Hoch-, Tiefbaus vorausgesetzt werden.The Knowledge of the construction of such two-storey pumped storage power plants z. B. reinforced concrete, the strength and number of support the upper tank required carrier may be among the professionals of civil engineering.

Insbesondere bei kleineren Pumpspeichern ist auch die Errichtung des Ober- und Unterbeckens aus Stahl möglich. Wesentlich ist aber auch hier, dass das Ober- und Unterbecken direkt übereinander angeordnet sind.Especially for smaller pumped storage is also the establishment of the upper and Lower basin made of steel possible. But it is also essential here, that the upper and lower basins are arranged directly above each other are.

Neben der Errichtung kleiner erfindungsgemäßer Pumpspeicher etwa in Gewerbegebieten können auch z. B. in ehemaligen Kiesgruben oder bevorzugt in ausgeräumten Braunkohletagebaustrecken besonders große Pumpspeicher errichtet werden (siehe Beispiel 2). Auch hier besteht der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen zweigeschossigen Pumpspeicherwerke darin, dass bei geeigneter Bauhöhe ein Aufschwimmen des Gebäudes durch das Grundwasser nicht erfolgen kann. Durch die Anordnung des Oberbeckens direkt über dem Unterbecken treten unabhängig vom Speicherzustand des Pumpspeichers keine Schwankungen der Kräfte auf die Umgebung auf.Next the establishment of small inventive pumped storage for example in industrial areas can also z. B. in former Gravel pits or preferably in cleared lignite mined sections especially built large pumped storage (see Example 2). Again, there is the significant advantage of the invention two-storey pumped storage plants in that with a suitable height a floating of the building by the groundwater not can be done. Due to the arrangement of the upper basin directly over the lower basin occur regardless of the memory state of the Pumped storage no fluctuations in the forces on the environment on.

So lassen sich die in DE 195 13 817 beschriebenen Vorteile einer gefahrlosen Lagerung sehr großer Wassermassen unter Umgebungsniveau mit den erfindungsgemäßen Pumpspeichern optimal nutzen.This is how the in DE 195 13 817 described advantages of a safe storage of very large volumes of water below ambient level with the pump storage optimally use.

Dabei können derartige Speicher in Braunkohletagebaustrecken besonders groß angelegt werden, z. B. können diese Becken durchaus 10.000.000 m3 oder sogar 100.000.000 m3 fassen. Bei einer Fallhöhe von 50 m ergibt sich für ein derartiges Pumpspeicherwerk ein Arbeitsvolumen von 11.000.000 kWh, d. h. ein solches Pumpspeicherwerk kann für den Zeitraum von 11 h die Leistung eines Kernkraftwerkes (1000 MW) zur Verfügung stellen..there such storages can be used in open lignite mines be created particularly large, z. B. can this Basin can hold 10,000,000 m3 or even 100,000,000 m3. At a fall height of 50 m results for a such pumped storage plant a working volume of 11,000,000 kWh, d. H. Such a pumped storage plant can be used for the period from 11 h the power of a nuclear power plant (1000 MW) is available put..

Demgegenüber handelt es sich bei den kleineren Pumpspeicherwerken, wie sie z. B. in Industriegebieten angelegt werden können (siehe Beispiel 1) um Speicher mit Becken in einer Größe von z. B. 50.000 m3 bis 500.000 m3. Auch diese Anlagen sind damit deutlich größer als die zur Bevorratung von Frischwasser bekannten Wassertürme. Im Unterschied zu diesen haben die erfindungsgemäßen Pumpspeicher zwei etwa gleich große Becken direkt übereinander.In contrast, is it in the smaller pumped storage plants, as z. B. can be created in industrial areas (see Example 1) to store with pools in a size of z. 50,000 m3 to 500,000 m3. These systems are thus significantly larger as the known for the storage of fresh water water towers. In contrast to these, the pumped storage according to the invention two pools of equal size directly above each other.

Hinsichtlich der Aussenwirkung der kleineren Pumpspeicher in einem Industriegebiet sind diese am ehesten vergleichbar mit den früher in nahezu jeder Stadt vorhandenen Gasbehältern, die durchaus 600.000 m3 fassen konnten und dabei eine Höhe von über 100 m hatten.Regarding the external effect of the smaller pumped storage tanks in an industrial area These are most likely comparable to those in the near future every city's existing gas tanks that are quite 600,000 m3 and could reach a height of over 100 m had.

Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen PumpspeicherwerkeParticular advantages of the invention Pumped storage plants

In erster Linie ist darauf abzuheben, dass die neuen Pumpspeicherwerke nahezu überall, auch auf völlig ebenem Gelände, errichtet werden können. So können sie in Kombination mit Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung zum wirtschaftlichen Betrieb eines Inselnetzes beitragen.In First and foremost, it is important to emphasize that the new pumped storage plants almost everywhere, even on completely flat terrain, can be built. So they can be combined with wind turbines, photovoltaic systems or combined heat and power plants contribute to the economic operation of an island grid.

Andererseits bieten sich solche Pumpspeicherwerke auch zur Speicherung von in Windkraftanlagen erzeugtem Strom an.on the other hand Such pumped storage plants also offer storage for in Wind turbines generated electricity.

Hervorzuheben ist der geringe Flächenbedarf der erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerke. Das Pumpspeicherwerk steht wie ein Hochhaus auf ebener Erde. Dabei wird man in der Regel das Unterbecken so weit in das Erdreich einbringen, dass die Gesamtmasse des Pumpspeicherwerkes incl. Wasser in etwa der Masse des ersetzten Aushubs entspricht, so dass das Bauwerk weder absinkt noch aufschwimmt. Gerade in Kombination mit DE 195 13 817 ergibt sich die Möglichkeit zur Errichtung besonders großer Pumpspeicherwerke. Zur Abschätzung der Leistung der Pumpspeicherwerke siehe dieses Patent. Dort finden sich auch Angaben zur Auswahl geeigneter Turbinen. So werden in den erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerken voll beaufschlagte Turbinen wie beispielsweise Francis- oder Kaplanturbinen oder Pumpturbinen zum Einsatz kommen.To emphasize is the small space requirement of the pumped storage plants according to the invention. The pumped storage plant stands like a skyscraper on level ground. As a rule, the sub-basin is brought into the ground so far that the total mass of the pumped storage plant including water roughly corresponds to the mass of the replaced excavation, so that the structure neither sinks nor floats. Especially in combination with DE 195 13 817 the possibility arises for the construction of particularly large pumped storage plants. To estimate the performance of the pumped storage plants see this patent. There you will also find information to choose from suitable turbines. Thus, in the pumped storage plants according to the invention fully pressurized turbines such as Francis or Kaplan turbines or pump turbines are used.

Beispiel 1example 1

Pumpspeicherwerk mit direkt übereinander liegendem Ober- und Unterbecken.Pumped storage plant with directly above one another lying upper and lower basin.

Foundation: 100 m × 100 m, 20 m below ambient level,
Lower basin: 100 m × 100 m × 25 m and directly about that
Upper basin: 100 m × 100 m × 25 m,
Usable water mass: 200,000 m3,
average height of fall: 20 m.

Dieses Pumpspeicherwerk kann 4 h lang eine Leistung von 2,222 MW zur Verfügung stellen entsprechend einem Arbeitsvolumen von 8.888 kWh.This Pumped storage plant can provide power of 2,222 MW for 4 hours corresponding to a working volume of 8,888 kWh.

Beispiel 2Example 2

In einer ausgeräumten Braunkohletagebaustrecke wird auf einem 1000 m × 1000 m großen Fundament ein 75 m hohes Gebäude mit 75 m hohen Seitenwänden errichtet. Darin wird ein 1000 m × 1000 m × 40 m großes Unterbecken und direkt darüber das Oberbecken mit einem Volumen von 35.000.000 m3 angelegt.In A cleared lignite mining stretch will be on a 1000 m × 1000 m large foundation a 75 m high Building erected with 75 m high side walls. This is a 1000 m × 1000 m × 40 m large Lower basin and directly above the upper basin with a Volume of 35,000,000 m3 created.

Bei einer durchschnittlichen Nutzung von 30.000.000 m3 Wasser zur Speicherung und einer durchschnittlichen Fallhöhe von 35 m kann dieses Pumpspeicherwerk für die Dauer von 10 h eine Leistung von 233 MW zur Verfügung stellen entsprechend einem Arbeitsvolumen von 2,33 Millionen kWh.at an average usage of 30,000,000 m3 of water for storage and an average drop height of 35 m, this pumped storage plant for the duration of 10 h a capacity of 233 MW available corresponding to a working volume of 2.33 million kWh.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 19513817 [0002, 0003, 0019, 0025]
- DE 10361590 [0003]
- DD 43131 [0003]

Claims

Pumped storage plant, characterized in that the upper and lower tanks are arranged directly above one another.

Pumped storage plant according to claim 1, characterized in that the upper and lower tanks directly above each other are arranged on a common foundation.

Use of the pumped storage plant according to Claims 1 and 2 for the construction of an island network.