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Die
Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkavernenkraftwerk, bei dem eine
unterirdische Kaverne als Unterbecken benutzt wird.
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Pumpspeicherkraftwerke
sind heute übliche
Speichersysteme zum Ausgleich der Tageslast in Verbundnetzen. Mit
dem steigenden Anteil der Windenergieerzeugung an der Gesamtenergieerzeugung
und dem somit vorhandenen Überangebot
an Elektroenergie in lastschwachen Zeiten steigt der Bedarf an entsprechenden
Speichersystemen für
Energie.
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Die
Wirkungsweise eines Pumpspeicherkraftwerkes beruht darauf, dass
in Zeiten niedriger Strom-Nachfrage im Netz eine Flüssigkeit
(üblicherweise
Wasser) aus einem Unterbecken mittels einer elektrisch angetriebenen
Pumpe in ein höher
gelegenes Oberbecken gefördert
wird. Bei Bedarf, z. B. zur Deckung von Spitzenlast, wird das Wasser
in das Unterbecken über
eine Turbine abgelassen, die über
einen Generator einen großen
Teil der zum Pumpen verwendeten elektrischen Energie zurückgewinnt.
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Zur
Herleitung der Energieausbeute in einem Pumpspeicherkraftwerk kann
man die Kontinuitätsgleichung
und die Gleichung für
die Leistungsaufnahme der Turbine heranziehen. Sie lauten:
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Hierbei
sind:
- Q
- – Volumenstrom durch das Fallrohr
bzw. durch die Turbine
- V
- – mittlere Geschwindigkeit
des Fluids im Fallrohr
- D
- – Rohrleitungsdurchmesser
N = ΔE·Q (2)
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Hierbei
sind:
- N
- – Leistungsaufnahme der Turbine
- ΔE
- – Spezifische Arbeit, die die
Turbine pro Volumeneinheit Fluid aufnimmt.
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Die
Variable ΔE
lässt sich
weiterhin durch die Bernoulli-Gleichung entlang eines Stromfadens
vom Oberbecken des Pumpspeicherkraftwerkes zum Unterbecken unter Berücksichtigung
der Strömungsverluste und
der Energieentnahme durch die Turbine darstellen. Die Gleichung
lautet:
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Hierbei
sind:
- pOb
- – Druck auf die Wasseroberfläche des
Oberbeckens
- vOb
- – Absinkgeschwindigkeit des
Wasserspiegels im Oberbecken
- H
- – Fallhöhe des Wassers zwischen Oberbecken
und Unterbecken
- PUb
- – Druck auf die Wasseroberfläche des
Unterbeckens
- VUb
- – Absinkgeschwindigkeit des
Wasserspiegels im Unterbecken
- Δpv
- – Strömungsverluste in der Fallleitung
zwischen Oberbecken und Unterbecken
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Die
Variable Δp
v errechnet sich wie folgt:
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Hierbei
sind:
- λ
- – Reibungszahl
- L
- – Länge des Fallrohrs
- ζU
- – Rohrleitungseinzelwiderstand
(Einbauelemente)
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Umgestellt
nach ΔE
ergibt sich folgende Gleichung:
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Die
Drücke
pOb und pUb sind
bei einem herkömmlichen
Pumpspeicherkraftwerk gleich dem Umgebungsdruck bzw. Atmosphärendruck
und heben sich gegenseitig auf.
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Somit
ergibt sich für ΔE nunmehr
folgende Gleichung:
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Geht
man davon aus, dass die Ober- und Unterbecken üblicherweise in etwa gleiche
geometrische Parameter besitzen (gleiche Wasseroberfläche und
gleiche Wassertiefe), so ist die Absinkgeschwindigkeit der Wasserspiegel
in beiden Becken etwa gleich, d. h. vOb ≈ vUB. Die spezifische Arbeit, die die Turbine
pro Volumeneinheit Flüssigkeit
aufnimmt, definiert sich somit bei den bisherigen Pumpspeicherkraftwerken
durch folgende Formel: ΔE = ρ·g·H – Δpv(7)
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Bei
der Konstruktion von Pumpspeicherkraftwerken wurde bisher von den
in der Gleichung (5) dargestellten drei für die Energiegewinnung maßgeblichen
Termen lediglich einer (ρ·g·H) genutzt.
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Herkömmliche
Pumpspeicherkraftwerke mit weitgehend natürlichen Ober- und Unterbecken
sind bezüglich
des Standortes an bergige Regionen gebunden. Hier gibt es jedoch
nur äußerst wenige
geeignete Standorte. Die Herrichtung geeigneter Standorte bringt
jedoch nicht unerhebliche Belastungen für die Umwelt. Als Speicheranlagen
für Energie
aus z. B. Offshore-Windanlagen wäre
dieses Speichersystem aufgrund der großen Leitungsverluste generell
nicht nutzbar. Da Ober- und Unterbecken in herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerken
seitlich nebeneinander liegen, muss eine unverhältnismäßig lange Fallleitung gebaut
werden, die für
entsprechend hohe Verluste sorgt, so dass ein Teil der Energie in
nicht nutzbare Reibungsenergie umgewandelt wird. Um diese zu verringern
wird meist ein Schacht in den Berg gefräst, was wiederum technologisch aufwendig
und kostenintensiv ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pumpspeicherkraftwerk
zur Verfügung
zu stellen, das auch in nicht bergigen Regionen errichtet werden
kann und das darüber
hinaus bei gleichem Speichervolumen an Flüssigkeit eine höhere Speicherkapazität als herkömmliche
Pumpspeicherkraftwerke hat.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass gemäß Patentanspruch
1 eine unterirdische Kaverne als Unterbecken benutzt wird. Weitere
Ausführungsformen
sind Gegenstand der Unteransprüche
oder nachfolgend beschrieben.
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Die
Wahl einer unterirdischen Kaverne als Unterbecken ermöglicht die
Errichtung des Pumpspeicherkraftwerks auch in Regionen ohne Gebirge.
Die Wahl einer unterirdischen Kaverne als Unterbecken ermöglicht darüber hinaus
einen weitgehend vertikalen Verlauf der Fallleitung, wodurch die
Strömungsverluste
in der Fallleitung zwischen Oberbecken und Unterbecken minimiert
werden.
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Vorteilhaft
ist es, die Flüssigkeitsturbine
mit Generator über
der unterirdischen Kaverne anzuordnen, um die Errichtungskosten
zu minimieren und eine gute Zugänglichkeit
zu gewährleisten.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Zuführung der Flüssigkeit
oberhalb der Flüssigkeitslinie
der Turbine durchzuführen,
um einen entsprechenden Vordruck zu gewährleisten.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, den Einspeichervorgang der Flüssigkeit im Oberbecken durch
eine in der unterirdischen Kaverne angeordnete Pumpe zu realisieren.
Denn die theoretisch maximal mögliche
Ansaughöhe
von Pumpen liegt nur bei 10 m.
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Vorzugsweise
wird das Oberbecken, das teilweise oder vollständig neu errichtet werden kann,
flüssigkeitsseitig
in voneinander unabhängige
Sektionen unterteilt. Dies bewirkt, dass die Sinkgeschwindigkeit
der Flüssigkeit
in der einzelnen Sektion des Oberbeckens sehr viel höher ist
als die Steiggeschwindigkeit des Wasserspiegels in dem Unterbecken.
Wie aus Gleichung (5) ersichtlich ist, führt dieser Unterschied in den
Sinkgeschwindigkeiten zur Erhöhung
der Energieausbeute. Ein weiterer Vorteil ist die Verringerung des
hydrostatischen Drucks auf die Seitenwände des Oberbeckens. Vorteilhafterweise
besitzen die flüssigkeitsseitig
voneinander unabhängigen
Sektionen eine gemeinsame Luftkammer, um das Luftspeichervolumen
zu erhöhen.
Vorzugsweise wird die Zuführung
des Wassers aus den Sektionen des Oberbeckens zur Wasserturbine
für jede Sektion
separat und zeitlich nacheinander durchgeführt.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, die unterirdische Kaverne hermetisch abzudichten
und die Energiespeicherkapazität
des Pumpspeicherkavernenkraftwerkes durch das Absaugen von Luft
aus der Kaverne und durch die Schaffung eines Überdruckes über der Wasseroberfläche des Oberbeckens
nach vollständiger
Befüllung
des Oberbeckens mit Wasser aus der Kaverne (Energiespeichervorgang)
zu erhöhen.
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Vorteilhaft
ist insbesondere, eine absperrbare Verbindungsrohrleitung zwischen
Kaverne und Oberbecken zu errichten, in die eine Luftturbine eingebunden
wird. Die nach dem Energieerzeugungsprozess vorhandenen Restluftdruckverhältnisse
in der Kaverne (Unterdruck) und dem Oberbecken (Überdruck) können dann genutzt werden, indem
die Verbindungsrohrleitung zwischen der Kaverne und dem Oberbecken
geöffnet
wird und durch den Druckausgleich in der Luftturbine Energie erzeugt
wird.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
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1 zeigt
ein Schema eines erfindungsgemäßen Pumpspeicherkavernenkraftwerks.
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Das
in 1 dargestellte erfindungsgemäße Pumpspeicherkavernenkraftwerk
besteht im Wesentlichen aus einer unterirdischen Kaverne 1.
Dabei kann es sich um beispielsweise ausgesolte oder auszusolende
Salzkavernen oder Lagerstätten
für Erdöl/Erdgas
handeln. Zur Speicherung der potenziellen Energie dient das Oberbecken 2.
Das Oberbecken ist wasserseitig in Sektionen 3 eingeteilt.
Alle Sektionen 3 besitzen jedoch eine gemeinsame Luftkammer 4.
Die Abführung
des Wassers aus den Sektionen 3 zur Wasserturbine 5 erfolgt für jede Sektion 3 durch
eine separate Leitung mit Absperrventil 6. Nach dem Absperrventil
mündet
die Abführung
in eine Sammelleitung 7, die das Wasser oberhalb der Turbine 5 zuführt, damit
ein entsprechender Vordruck gewährleistet
wird. Nach der Wasserturbine 5 schließt sich die Fallleitung 8 an.
Diese ist am unteren Ende mit einer Absperrarmatur versehen. Dadurch
kann das gesamte System vor dem Energierückgewinnungsprozess gefüllt werden.
Hierzu gibt es eine entsprechende Entlüftung 9 des Systems
Fall-/Sammelleitung
und eine Füllleitung 10 die
von einer Pumpe 11 über
die Steigleitung 12 bedient wird. Über das System Pumpe 11 und
Steigleitung 12 werden auch die einzelnen Sektionen 3 des
Oberbeckens 2 befüllt.
Jede Sektion 3 hat eine separat absperrbare Zuführungsleitung 13 über die
die entsprechende Sektion 3 mit Wasser befüllt wird.
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Wie
in diesen Fällen üblich, ist
die Steigleitung 12 an ihrem höchsten Punkt mit einer Evakuierungsleitung
für Luft 14 versehen.
Durch den Pumpvorgang und die Befüllung der Sektionen 3 des
Oberbeckens 2 wird dem System die potentielle Energie zugefügt bzw.
die Energie im Oberbecken 2 gespeichert. In der Gleichung (5)
ist dies durch den Term (ρ·g·H) ausgedrückt. Für die Umwandlung
der potentiellen (gespeicherten) Energie in elektrische Energie
wird das Wasser aus dem Oberbecken 2 einer Wasserturbine 5 mit
Generator über
das Leitungssystem 6/7 zugeführt. Hierbei erfolgt in der
Sammelleitung 7 eine Hebung des Wassers über die
Turbine. Das hat den Vorteil eines höheren Zulaufdruckes für die Wasserturbine 5 und
ermöglicht
eine vertikale Durchströmung
der Turbine 5 (falls erforderlich). In der Wasserturbine 5 wird
dem durchströmenden
Wasser Energie entzogen. Dieser Sachverhalt wird in der Gleichung
(5) durch den Term ΔE
ausgedrückt.
Im Anschluss gelangt das Wasser in die Fallleitung 8. Damit
dieses System in der beschriebenen Weise arbeitet, ist es erforderlich,
dass vor Beginn des Energieerzeugungs- bzw. rückgewinnungsprozesses die Zulaufleitung 7 und Fallleitung 8 und
die Turbine 5 mit Wasser gefüllt werden. Dazu dient das
in dieser Figur schematisch dargestellte System aus Füllpumpe 11,
Steigleitung 12 und Füllleitung 10.
Hierbei müssen
Zulaufleitung 7, Fallleitung 8 und Wasserturbine 5 in
ihrem höchsten
Punkt über
eine entsprechende Evakuierungsleitungen 9 entlüftet werden.
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Zur
Erhöhung
der Energieausbeute bzw. Energiespeicherkapazität des Systems ist das Oberbecken
2 in
Sektionen
3 eingeteilt. Die Zuführung des Wassers aus den Sektionen
3 zur
Sammelleitung erfolgt für
jede Sektion
3 separat und in zeitlicher Reihenfolge nacheinander.
Das hat zur Folge, dass die Sinkgeschwindigkeit der Wassers in der
jeweiligen Sektion
3 des Oberbecken
2 sehr viel
größer ist,
als die Steiggeschwindigkeit des Wasserspiegels in der unterirdischen
Kaverne
1. Wie aus der Gleichung (5) im Term
ersichtlich ist, führt dieser
Unterschied in den Sinkgeschwindigkeiten zur Steigerung von ΔE und somit
zu einer Erhöhung
der Energieausbeute.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Erhöhung
der Energieausbeute wird über
den Term (pOb – pUb)
in Gleichung (5) durch Schaffung eines Druckes in der unterirdischen
Kaverne 1, der niedriger als der Atmosphärendruck
ist und eines Druckes in der Luftkammer 4 des Oberbeckens 2,
der größer als
der Atmosphärendruck
ist realisiert. Dazu werden die unterirdische Kaverne 1 und
das Oberbecken 2 vor dem Energierückgewinnungs- bzw. -erzeugungsprozesses
hermetisch verschlossen. Die Erzeugung des Unterdruckes in der Kaverne 1 erfolgt
durch das entsprechende Aggregat 15 über die Evakuierungsleitung 16.
Die Schaffung des Überdruckes im
Oberbecken 2 erfolgt durch ein entsprechendes Aggregat 17 und
die zugehörige
Druckleitung 18.
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Da
die gegenüber
dem Atmosphärendruck
unterschiedlichen Drücke
in der Kaverne 1 und der Luftkammer 4 des Oberbeckens 2 nach
dem Energieerzeugungsprozess noch nicht vollständig abgebaut sind, wird dieses
Druckpotential über
eine absperrbare Verbindungsrohrleitung 19 zwischen Kaverne 1 und
Luftkammer 4 des Oberbeckens 2 und eine in diese
Rohrleitung 19 integrierte Luftturbine 20 energetisch
genutzt. Das heißt,
das der restliche Überdruck
aus der Luftkammer 4 des Oberbeckens 2 über die
Luftturbine 20 in die Kaverne 1 abgebaut wird.
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Anschließend ist
für das
Befüllen
der Sektionen 3 des Oberbeckens 2 mit dem Wasser
aus der unterirdischen Kaverne 1 durch die Pumpe 11 (Einspeichervorgang)
die Hermetisierung des Oberbeckens 2 bzw. der Kaverne 1 endgültig aufzuheben.
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- 1
- Unterirdische
Kaverne
- 2
- Oberbecken
- 3
- Sektionen
des Oberbeckens
- 4
- Luftkammer
- 5
- Wasserturbine
- 6
- Wasserabführung aus
Sektionen
- 7
- Sammelleitung
- 8
- Fallleitung
- 9
- Entlüftung des
Systems Fall-/und Sammelleitung
- 10
- Füllleitung
- 11
- Pumpe
- 12
- Steigleitung
- 13
- Befüllleitungen
der Sektionen
- 14
- Entlüftung der
Steigleitung
- 15
- Aggregat
zur Schaffung von Unterdruck
- 16
- Evakuierungsleitung
der Kaverne
- 17
- Aggregat
zur Schaffung von Überdruck
- 18
- Druckleitung
- 19
- Verbindungsrohrleitung
- 20
- Luftturbine
