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

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

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DE102007013610A1
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ETC ENERGIETECHNIK UND CHEMIE GMBH & CO. KG
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    • E02B9/02Water-ways
    • E02B9/06Pressure galleries or pressure conduits; Galleries specially adapted to house pressure conduits; Means specially adapted for use therewith, e.g. housings, valves, gates
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
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    • Y02E60/10Energy storage
    • Y02E60/17Pumped storage

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 Erfindung Field 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 invention relates to pumped storage plants, which have a small footprint, have no special requirements for the different terrain and are particularly suitable for the operation of island networks.
  • Stand der Technik State of the art
  • Die Speicherung elektrischer Energie erfolgt in der Regel durch Pumpspeicherwerke. The electrical energy storage is usually done by pumped storage plants. Ein Pumpspeicherwerk besteht aus einer Pumpanlage, einem oberen und unteren Speicherbecken und einem Wasserkraftwerk. A pumped storage power plant consists of a pump system, an upper and lower storage basin and a water power plant. 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. The principle of pumped storage is to pump water from the lower basin with excess electricity into the high-altitude basins and to drop through the turbines of the hydroelectric power plant back into the lower basin, the water in times of high energy demand to generate the required electricity. Die Pumpspeicherung ist eine ausgereifte Technik. The pumped storage is a mature technology. Der Gesamtwirkungsgrad liegt bei 0,70–0,75, dh 70–75% der aufgewendeten Energie kann wiedergewonnen werden (siehe auch The overall efficiency is 0.70 to 0.75, ie 70-75% of the energy used can be recovered (see also DE 195 13 817 DE 195 13 817 ). ).
  • Eine Voraussetzung für die Anlage von Pumpspeicherwerken sind günstige Geländebedingungen für die Errichtung der beiden Becken, wie sie z. A prerequisite for the installation of pumped storage plants are favorable terrain conditions for the establishment of the two pools as such. B. im Gebirge gegeben sind. As given in the mountains. DE 10361590 DE 10361590 beschreibt die Errichtung eines Pumpspeicherwerkes in stillgelegten Schachtanlagen. describes the establishment of a pumped-storage plant in abandoned mines. DD 43131 DD 43131 beansprucht die Verwendung von Asche und hydraulischem Filtermaterial zur Erzeugung künstlicher Berge zur Errichtung eines Oberbeckens. claims the use of ash and hydraulic filter material for producing artificial mountains establishing a upper reservoir. DE 195 13 817 DE 195 13 817 beschreibt die Errichtung großer Pumpspeicherwerke in Braunkohletagebaustrecken, bei denen bei besonders großen Anlagen zumindest das Unterbecken unter Umgebungsniveau angeordnet ist. describes the construction of large pumped storage plants in Braunkohletagebau lines where at least the lower reservoir is placed under atmospheric level with particularly large plants.
  • Aufgabenstellung task
  • Nach wie vor besteht Bedarf an Pumpspeicherwerken, dies um so mehr als mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Energien, z. There continues to be demand for pumped storage plants, more so than with an increasing proportion of renewable energy such. B. Strom aus Windkraftanlagen, Erzeugung und Bedarf von Strom oft nicht zusammenfallen. As electricity from wind power plants, generation and consumption of electricity not often coincide.
  • Nach wie vor werden Pumpspeicherwerke nur in höhengegliedertem, gebirgigem oder hügeligem Gelände- sei dies nun in natürlichem oder künstlich angelegtem- gebaut. Still pumped storage plants are only in höhengegliedertem, mountainous or hilly terrain this is now being built in natural or artificial angelegtem-. Insbesondere erfordert in künstlich angelegtem Gelände, z. In particular, requires manmade terrain, eg. 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. B. at applied in Braunkohletagebau routes upper and lower reservoirs, the fluctuation of the water level in the lower reservoir (depending on the operating condition nearly empty or completely filled Unterbecken) sealing the lower reservoir against ground water for preventing the erosion of 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. The demand for pumped storage plants is also supported by the fact that only a few years, the biggest German pumped storage plant with the pump storage plant Goldisthal (1,060 MW, working capacity: 8,480,000 kWh) is connected to the grid. Auch dieses Pumpspeicherwerk wurde wieder im Mittelgebirge errichtet. Also this pumped storage plant was built back in the highlands.
  • 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. As before, the pump storage is only a few locations in mountains or low mountains, far from the centers of consumption, with corresponding costs for the network transit.
  • 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. This energy storage in distant pumped storage is possible in the context of a large interconnected system, but for example, prevents isolated operation, as is desired by many consumers, especially in terms of a purely built on renewable energy power generation.
  • Lösung solution
  • 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 without any special request to a special site can be built almost anywhere when the pumped storage plants are constructed such that upper and lower reservoirs are located directly above one another on a common foundation.
  • Derartige Pumpspeicherwerke wirken unabhängig vom Füllstand der Becken (also unabhängig davon, ob die gesamten Wassermassen im Unter- oder Oberbecken sind) auf den Untergrund. Such pumped storage plants are independent of the level of the pool (ie, whether the entire mass of water in the lower or upper basins are) on the ground. Alle relevanten Kräfte lassen sich im Innern des Bauwerks auffangen. All relevant forces can be cushioned on the inside of the building. Damit ist die Errichtung eines derartigen Pumpspeichers auf die technischen Anforderungen an die Errichtung eines Hochhauses oder großen Lagergebäudes zurückgeführt, die hinreichend bekannt sind. Thus the establishment of such a pump memory is attributed to the technical requirements for the establishment of a tall building or large warehouse building that are well known. Dies gilt auch für die Anforderungen an den Untergrund, auf dem dieses Gebäude errichtet werden soll. This also applies to the requirements of the ground on which the building is to be erected. Wesentlich ist dabei, dass der Schwerpunkt der Wassermassen bei gefülltem Oberbecken direkt über dem Schwerpunkt der Wassermassen bei gefülltem Unterbecken angeordnet ist. It is essential that the center of gravity of the water masses is arranged at the upper reservoir is filled directly over the center of gravity of the masses of water in the lower reservoir is filled.
  • 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. As a guideline, it can be taken that the line connecting the center of gravity of the masses of water in the upper reservoir to the center of gravity of the masses of water in the lower reservoir to the vertical an angle of <10 °, preferably <2 °, particularly preferably should have <1 °.
  • Vom Prinzip her handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerk um ein zweigeschossiges Gebäude. In principle, it is in the novel pumped storage plant to 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. As an example of such a pump storage see Example 1. The structure described therein has a square base area 100 m x 100 m, the foundation is 20 m below the ambient level, the side walls of the basin are 25 m high, of which 20 m in the soil. Darüber in einer Höhe von 5 m befindet sich der Boden des Oberbeckens. Above this is at a height of 5 m of the base of the upper reservoir. Die Seitenwände des Oberbeckens sind wie die des Unterbeckens 25 m hoch. The side walls of the upper reservoir 25 m high as that of the sub-basin. Damit erstreckt sich das Bauwerk 20 m tief in das Erdreich und hat eine Höhe von 30 m über dem Boden. Thus, the structure stretches 20 m deep in the ground and has a height of 30 m above the ground.
  • Ein derartiges Gebäude hat vergleichbare Ausmaße wie z. Such a building has similar dimensions such. B. ein Hochregallager, das in vielen Industriegebieten zu finden ist. As a high-bay warehouse, which is found in many industrial areas.
  • 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. After filling the pump storage plant with about 220,000 m3 of water energy can be stored in an amount of 8,888 kWh for an average use of 200 000 m3 of water and an average Nutzfallhöhe of water of 20 m by pumping up the water. Damit kann ein derartiges Pumpspeicherwerk für den Zeitraum von 4 h eine Leistung von 2,222 MW zur Verfügung stellen. Thus, such a pumped storage plant for a period of 4 hours a capacity of 2,222 MW to provide. Durch Vergrößerung des Pumpspeichers (Vergrößerung des Unter- und Oberbeckens, Vergrößerung der Fallhöhe) läßt sich die speicherbare Energiemenge vergrößern. By increasing the pump memory (enlargement of the lower and upper reservoir, enlargement of the head) can increase the amount of storable energy.
  • Die Kenntnis zur Errichtung solcher zweigeschossiger Pumpspeicherwerke z. Knowing the establishment of such two-storey pumped storage z. B. aus Stahlbeton, die Stärke und Anzahl der zum Abstützen des Oberbeckens erforderlichen Träger kann bei den Fachleuten des Hoch-, Tiefbaus vorausgesetzt werden. B. made of reinforced concrete, the strength and number of necessary for supporting the upper reservoir support can be provided at those skilled in the construction, civil engineering.
  • Insbesondere bei kleineren Pumpspeichern ist auch die Errichtung des Ober- und Unterbeckens aus Stahl möglich. Especially for smaller pumping storing also the construction of the upper and lower tank made of steel is also possible. Wesentlich ist aber auch hier, dass das Ober- und Unterbecken direkt übereinander angeordnet sind. but is also important here that the upper and lower reservoirs are arranged directly above one another.
  • Neben der Errichtung kleiner erfindungsgemäßer Pumpspeicher etwa in Gewerbegebieten können auch z. In addition to the construction of small inventive pumped storage such as in industrial areas also, can. B. in ehemaligen Kiesgruben oder bevorzugt in ausgeräumten Braunkohletagebaustrecken besonders große Pumpspeicher errichtet werden (siehe Beispiel 2). B. be built in former gravel pits or preferably evacuated Braunkohletagebau routes particularly large pumped storage (see Example 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. Here, too, the essential advantage of the two-storey pumped storage plants according to the invention is that at an appropriate height floating of the building through the ground water is not possible. Durch die Anordnung des Oberbeckens direkt über dem Unterbecken treten unabhängig vom Speicherzustand des Pumpspeichers keine Schwankungen der Kräfte auf die Umgebung auf. Due to the arrangement of the upper reservoir directly over the lower basin no variations in the forces on the environment occur regardless of the storage state of pumping memory.
  • So lassen sich die in You set them up in DE 195 13 817 DE 195 13 817 beschriebenen Vorteile einer gefahrlosen Lagerung sehr großer Wassermassen unter Umgebungsniveau mit den erfindungsgemäßen Pumpspeichern optimal nutzen. use benefits of safe storage of very large masses of water under ambient level described with the novel pumped storage optimal.
  • Dabei können derartige Speicher in Braunkohletagebaustrecken besonders groß angelegt werden, z. In this case, such memory can be applied particularly large in Braunkohletagebau routes, z. B. können diese Becken durchaus 10.000.000 m3 oder sogar 100.000.000 m3 fassen. As may well hold 10 million m3 or even 100 million m3 this pool. Bei einer Fallhöhe von 50 m ergibt sich für ein derartiges Pumpspeicherwerk ein Arbeitsvolumen von 11.000.000 kWh, dh ein solches Pumpspeicherwerk kann für den Zeitraum von 11 h die Leistung eines Kernkraftwerkes (1000 MW) zur Verfügung stellen.. At a drop height of 50 m is obtained for such a Pumpspeicherwerk a working volume of 11,000,000 kWh, that is to say such a pumped storage power plant can be for a period of 11 hours, the power of a nuclear power plant (1000 MW) provide ..
  • Demgegenüber handelt es sich bei den kleineren Pumpspeicherwerken, wie sie z. In contrast, it is the smaller pumped storage plants as such. B. in Industriegebieten angelegt werden können (siehe Beispiel 1) um Speicher mit Becken in einer Größe von z. B. can be applied in industrial areas (see Example 1) to memory pool in a size of z. B. 50.000 m3 bis 500.000 m3. B. 50,000 m3 to 500,000 m3. Auch diese Anlagen sind damit deutlich größer als die zur Bevorratung von Frischwasser bekannten Wassertürme. These machines are also significantly greater than that for the storage of fresh water known water towers. Im Unterschied zu diesen haben die erfindungsgemäßen Pumpspeicher zwei etwa gleich große Becken direkt übereinander. In contrast to these pumped storage to the invention have two roughly equal-sized pool directly above the 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. With regard to the external effect of the smaller pumped storage in an industrial area, these are most likely comparable to those previously existing in almost every city gas containers that could hold 600,000 m3 quite while had a height of about 100 meters.
  • Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerke Particular advantages of the pumped storage inventive
  • In erster Linie ist darauf abzuheben, dass die neuen Pumpspeicherwerke nahezu überall, auch auf völlig ebenem Gelände, errichtet werden können. First and foremost is making sure that the new pumped storage plants everywhere, even on completely flat terrain can be built virtually. So können sie in Kombination mit Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung zum wirtschaftlichen Betrieb eines Inselnetzes beitragen. So they can contribute in combination with wind turbines, photovoltaic systems or systems for cogeneration to the economic operation of an isolated network.
  • Andererseits bieten sich solche Pumpspeicherwerke auch zur Speicherung von in Windkraftanlagen erzeugtem Strom an. On the other hand, such pumped storage plants also provide for storage of electricity from wind turbines power.
  • Hervorzuheben ist der geringe Flächenbedarf der erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerke. Noteworthy is the low space requirements of pumped storage plants according to the invention. Das Pumpspeicherwerk steht wie ein Hochhaus auf ebener Erde. The pumped storage plant is like a high-rise building on the ground floor. 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. Here, you will bring usually the lower basin as far into the ground that the total mass of the pumped storage plant corresponds incl. Water roughly the mass of the replaced excavation so that the building neither drops nor floats. Gerade in Kombination mit Especially in combination with DE 195 13 817 DE 195 13 817 ergibt sich die Möglichkeit zur Errichtung besonders großer Pumpspeicherwerke. there is the possibility to set up a particularly large pumped storage plants. Zur Abschätzung der Leistung der Pumpspeicherwerke siehe dieses Patent. To estimate the performance of the pumped storage see this patent. Dort finden sich auch Angaben zur Auswahl geeigneter Turbinen. Which also contains information regarding the selection of suitable turbines. So werden in den erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerken voll beaufschlagte Turbinen wie beispielsweise Francis- oder Kaplanturbinen oder Pumpturbinen zum Einsatz kommen. So in the novel pumped storage plants fully acted turbines such as Francis or Kaplan turbines or pump turbines will be used.
  • Beispiel 1 example 1
  • Pumpspeicherwerk mit direkt übereinander liegendem Ober- und Unterbecken. Pumpspeicherwerk directly with an overlapping upper and lower reservoirs.
    • Fundament: 100 m × 100 m, 20 m unter Umgebungsniveau, Foundation: 100 m x 100 m, 20 m under ambient level,
    • Unterbecken: 100 m × 100 m × 25 m und direkt darüber das Unterbecken: 100 m × 100 m × 25 m and just above the
    • Oberbecken: 100 m × 100 m × 25 m, Upper reservoir 100 m × 100 m × 25 m,
    • Nutzbare Wassermasse: 200.000 m3, Usable water mass: 200,000 m3,
    • durchschnittliche Fallhöhe: 20 m. average drop height: 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 Pumpspeicherwerk can for 4 hours to provide in accordance with a working volume of 8,888 kWh a power output of 2.222 MW.
  • Beispiel 2 example 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. In an evacuated Braunkohletagebau route on a 1000 m x 1000 m large foundation built a 75 m tall building with 75 m high side walls. 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. Therein is 1000 m x 40 m wide lower basin and is applied directly above the upper reservoir with a volume of 35 million m3, a 1000 × m.
  • 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. With an average use of 30 million m3 of water for storage and an average drop of 35 meters, this pumped storage plant can for a period of 10 hours a capacity of 233 MW provide in accordance with a working volume of 2.33 million kWh.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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  • Zitierte Patentliteratur Cited patent literature
    • - DE 19513817 [0002, 0003, 0019, 0025] - DE 19513817 [0002, 0003, 0019, 0025]
    • - DE 10361590 [0003] - DE 10361590 [0003]
    • - DD 43131 [0003] - DD 43131 [0003]

Claims (3)

  1. Pumpspeicherwerk, dadurch gekennzeichnet , dass das Ober- und Unterbecken direkt übereinander angeordnet sind. Pumpspeicherwerk, characterized in that the upper and lower reservoirs are arranged directly above one another.
  2. Pumpspeicherwerk gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ober- und Unterbecken direkt übereinander auf einem gemeinsamen Fundament angeordnet sind. Pumpspeicherwerk according to claim 1, characterized in that the upper and lower reservoirs are arranged directly above one another on a common foundation.
  3. Verwendung des Pumpspeicherwerkes gemäß den Ansprüchen 1 und 2 zum Aufbau eines Inselnetzwerkes. Use of the pumping storage power plant according to claims 1 and 2 for the construction of an island network.
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