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Beschreibung
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Pumpspeicherkraftwerk, das besonders für
flache Landschaften und offshore geeignet ist.
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Stand der Technik
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Bekannt
sind Pumpspeicherkraftwerke in gebirgigen Regionen. Bei diesen konventionellen Pumpspeicherkraftwerken
steigt die Wirtschaftlichkeit allgemein mit der Förderhöhe.
Aus diesem Grund ist es bei dem Bau der Pumpspeicherkraftwerke üblich,
ein gebirgiges Gelände aufzusuchen und das Wasser im Pumpbetrieb
von einem See im Tal über eine möglichst große
Höhe in einen bergseitigen See zu pumpen, der üblicherweise
bis zu einigen 100 m höher als der untere See liegt.
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In
der Patentschrift 03089819 A der Fuji Electric Co. Ltd. (japanisches
Patent, int. Klassifikation H02J 15/00) wird ein Seewasserkraftwerk
beschrieben, das sich von dem erfindungsgemäßen Kraftwerk
dadurch unterscheidet, dass es ein normales Pumpspeicherkraftwerk
ist, bei dem der untere See das Meer ist. Dazu ist eine hohe Küste
für den oberen See mit ausreichend Platz erforderlich.
Das Kraftwerk der genannten Patentschrift beansprucht außerdem
Landfläche.
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In
einer anderen japanischen Patentschrift der Toshiba Corporation
(
03188395 A ,
int. Klassifikation G21C 1/00) wird eine unterirdische Kaverne in Meeresnähe
im Pumpbetrieb in das Meer entleert und im Turbinenbetrieb mit Seewasser
gefüllt. Das Anlegen einer Kaverne unter dem Meeresspiegel
ist sehr kostenaufwändig. Deshalb dient das Prinzip der Toshiba-Erfindung
nur der Kühlung eines Kernkraftwerkes, aber nicht als Pumpspeicherkraftwerk.
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Durch
die
DE 195 13 817 B ist
ein Pumpspeicherwerk bekannt, bei dem der untere See in einem ausgeräumten
Tagebau angelegt ist. Der obere See wird vorteilhaft durch Deiche
aus Abraummasse erbaut. Diese Lösung ermöglicht
Effekte wie Pumpspeicherwerke im Gebirge. Derartige ausgebaute Tagebaue
mit der erforderlichen Tiefe stehen aber nur vereinzelt zur Verfügung.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, ein Pumpspeicherkraftwerk vorzuschlagen,
dass auch in flachen Regionen kostengünstig zu errichten
ist.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, auch Standorte an flachen Küsten
nutzbar zu machen, um ein Zusammenwirken mit Offshore-Windparks
zu ermöglichen.
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Weiterhin
soll eine Gefahr für die Umgebung durch ein hochliegendes,
oberes Wasserspeicherbecken vermieden werden.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demnach liegen
bei einem Pumpspeicherkraftwerk mit Wasserspeicherbecken mit einem
höheren und einem tieferliegenden Wasserspiegel beide Wasserspeicherbecken
auf annähernd gleicher Ebene. Das Wasserspeicherbecken mit
dem tieferliegenden Wasserspiegel ist durch zeitweises Absenken
des Wasserspiegels gegenüber dem Normalniveau der Umgebung
entsprechend dem Speicherzyklus gebildet.
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Im
einfachsten Fall sind das zwei nebeneinanderliegende Seen mit im
Normalniveau gleich hohen Wasserstand.
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Bei
konventionellen Pumpspeicherkraftwerken steigt die Wirtschaftlichkeit
allgemein mit der Förderhöhe. Aus diesem Grund
ist es bei dem Bau der Pumpspeicherkraftwerke üblich, ein
gebirgiges Gelände aufzusuchen und das Wasser im Pumpbetrieb von
einem See im Tal über eine möglichst große Höhe
in einen bergseitigen See zu pumpen, der üblicherweise
bis zu einigen 100 m höher als der untere See liegt. Unterstellt
man vereinfachend, dass beide Seen relativ flach sind, dann ist
die im oberen See speicherbare Energiemenge direkt proportional
zum Höhenunterschied der beiden Wasserspiegel, nämlich
des talseitigen und des bergseitigen Sees. Wenn man einen Stausee
zum Pumpbetrieb, d. h. auch als Speicherkraftwerk nutzen will, dann
ist die speicherbare Energiemenge proportional zum Quadrat der Staumauerhöhe.
Diese Zusammenhänge legten bisher nahe, Pumpspeicherkraftwerke
an Land in möglichst gebirgiger Topographie zu errichten.
Stehen die Seiten des Stausees senkrecht oder ist die Oberfläche
des Sees groß gegenüber der Tiefe, dann ist das Volumen
im See näherungsweise proportional zur Oberfläche.
Der speicherbare Energieinhalt ist also auch proportional zur Oberfläche
(und zur Tiefe).
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Je
größer z. B. die Fläche eines oberen
Sees in einem Pumpspeicherkraftwerk ist, desto größer
ist also seine speicherbare Energiemenge. Nimmt man einen solchen
See als kreisförmig an, dann steigt die Fläche
quadratisch zur Länge der Uferlinie. Unterstellt man Baukosten,
die proportional zur Länge der Uferlinie des oberen Sees
sind, lohnt es sich, den oberen See (und damit den unteren) möglichst
groß zu machen.
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Betrachtet
man die erfindungsgemäße Ausführung,
so ergibt sich folgendes Bild:
Wegen A = 2 E/gρH2 geht die Höhe H quadratisch in die
gespeicherte Energiemenge E ein, allerdings steigt bei gleichem
A das Volumen der Deiche auch mit H2, wenn
man unterstellt, dass die Böschungen einen von H unabhängigen
Winkel haben (bei doppelter Höhe ist die Basis des Deiches
doppelt so breit, die Querschnittsfläche also viermal so
groß). Die leistungsbezogenen Baukosten hängen
also nicht von H ab und sinken mit A: Bei sonst gleichem H steigt
A auf das Vierfache, wenn sich der Umfang des Deichbauwerkes nur
verdoppelt. Die leistungsbezogenen Baukosten sinken mit dem Quadrat
der Deichlänge.
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Völlig überraschend
und im Gegensatz zur optimalen Gestaltung von bisherigen Pumpspeicherkraftwerken
hat also, abgesehen von der optimalen Förderhöhe
entsprechend der Kennlinien der verwendeten Pumpen und Turbinen,
die Förderhöhe auf die Optimalität keinen
Einfluss, sondern ausschließlich die flächenhafte
Erstreckung. Diese Tatsache macht es nun erfindungsgemäß im
Gegensatz zum Stand der Technik möglich, Pumpspeicherkraftwerk großer
Leistungsdimensionen bzw. Energieinhalte auch im Meer bzw. großen
Seen in flachem Wasser zu errichten. Man muss lediglich einen Bereich
finden, in dem der Deichbau bautechnisch möglich ist und
dabei eine möglichst große Fläche eindeichen, idealerweise
unter Ausnutzung der Küstenlinie und vorgelagerter Inseln,
wie es z. B. an der mecklenburgischen oder dänischen Küste
möglich erscheint.
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Vorteile
gegenüber der bisherigen Pumpspeichertechnik an Land: Die
möglichen Flächen sind in Deutschland wegen der
flachen Topologie in Norddeutschland nicht verfügbar, die
Standorte in den Gebirgen sind aus Gründen des Landschaftsschutzes
begrenzt. Man kann auch an Land große flache Seen schaffen
wie im Fall der dargestellten Erfindung, aber auch hier sind wegen
der Zusammenhänge große Flächen erforderlich,
die wenig verfügbar sind.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Kraftwerk ist der Wasserspiegel
im eingedeichten Bereich stets niedriger als im angrenzenden See
oder Meer. Hierdurch sind die Baukosten für die Deiche
geringer als bei einer Erhöhung des Wasserspiegels im inneren Bereich
gegenüber dem angrenzenden See oder umgebenden Meer. Ein
zusätzlicher Vorteil dieser Ausführung ist, dass
bei einem Deichbruch kein Wasser auslaufen und Überschwemmungen
verursachen kann.
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Die
Ansprüche 2 bis 4 enthalten vorteilhafte Ausführungen
zur Gestaltung des Wasserspeicherbeckens in bestimmten Territorien.
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Vorteilhafte
Ausführungen gemäß den Ansprüchen
5 und 6 beziehen sich auf Mittel zur Absenkung des Wasserspiegels
im Wasserspeicherbecken mit dem zeitweise tieferliegenden Wasserspiegel. Damit
kann die Effektivität der Wasserstandsabsenkung verbessert
werden.
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Gemäß Anspruch
7 ist das Wasserspeicherbecken mit dem zeitweise tieferliegenden
Wasserspiegel gleichzeitig als Aquakultur nutzbar.
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Da
das Wasserspeicherbecken wegen dem geringen Unterschied in der Wasserspiegelhöhe
zum anderen Wasserspeicherbecken, bzw. Meer nicht restlos entleert
wird, verbleibt immer ausreichend Wasser für Tiere und
Pflanzen. Andererseits kann das Niedrigwasser gut für die
Bearbeitung der Aquakultur genutzt werden. Die Aquakultur ist ein
bedeutender Markt für die Zukunft. Die schon vorhandene Abgrenzung
und die Dimensionen des Bauwerkes ermöglichen eine naturnahe
Haltung bei gleichzeitiger Qualitätskontrolle des ein-
und auslaufenden Wassers.
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In
der vorteilhaften Ausführung nach Anspruch 8 sind im Deichbereich
oder im Wasserspeicherbecken mit dem zeitweise tieferliegenden Wasserspiegel
Windkraftanlagen errichtet.
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Der
Bau und die Wartung der Anlagentürme sind im Vergleich
zu Bauten in der offenen See einfacher und kostengünstiger.
Andererseits können durch die Turmfundamente die Deiche
verstärkt werden.
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Gemäß der
vorteilhaften Ausführung nach Anspruch 9 ist das Pumpspeicherkraftwerk
mit Windkraftanlagen oder Solaranlagen zur Stromerzeugung örtlich
und/oder schaltungstechnisch verbunden, so dass zeitweise nicht
benötigte Energie zum Abpumpen des Wasserspeicherbeckens
mit dem zeitweise tieferliegenden Wasserspiegel nutzbar ist und
Strom besonders zu Nachfragespitzen durch die Wasserturbinen erzeugt
werden kann.
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Die
Windkraftanlagen und beispielsweise Photovoltaikanlagen können
dazu sowohl unmittelbar im Bereich des Pumpspeicherkraftwerkes als auch
weiter entfernt aufgestellt sein.
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In
der vorteilhaften Ausführung nach Anspruch 10 sind die
Windkraftanlagen und das Pumpspeicherkraftwerk über eine
gemeinsam genutzte Stromleitung mit dem überregionalen
Stromnetz verbunden.
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Da
Windkraftanlagen sehr unregelmäßig Strom erzeugen,
müssen die Stromleitungen auf die maximale Leistung ausgelegt
werden. Das wird für den Offshorebereich mit Unterwasserkabel
zum Festland besonders kostenaufwendig. Gemäß der erfindungsgemäßen
Ausführung werden die Spitzenströme vermieden
und es wird nur eine gemeinsame, leistungsschwächere Leitung
benötigt.
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Beispiele
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Nachfolgend
soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel eines Pumpspeicherkraftwerks im
Offshorebereich näher erläutert werden.
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Zur
Realisierung geeignet könnten die Gebiete im ausgedehnten
Flachwasserbereiche in der Nordsee, in der Nähe von Jütland
sowie der Doggerbank, weiterhin in der Ostsee z. B. auch nördlich
von Stettin sein. Außerhalb Deutschlands bieten sich z. B.
einige Fjordbereiche in Norwegen an.
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Ein
größerer Flachwasserbereich vor der Küste
wird durch einen Deich von 20 m Höhe vom Meer abgeteilt.
Gegenüber herkömmlichen Deichen ist die Deichböschung
beidseitig gegen Wellenschlag geschützt auszuführen.
Das Kraftwerk mit den Turbinenanlagen und Zu- und Abflusskanälen
wird im, bzw. am Deich errichtet, wobei nur der Anlagenteil für die
Elektrik gegenüber einer Sturmflut gesichert sein muss.
Die Deichkrone braucht nur bei leichtem Hochwasser über
dem Wasserspiegel liegen. Vor einer Sturmflut wird das abgeteilte
Speicherbecken geflutet, um Deichbrüche zu vermeiden.
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Zum
Schutz der Laichgebiete im Wasserspeicherbecken können
Fischtreppen dienen, der Ansaugbereich für das Wasser im
Pumpbetrieb ist in der Mitte anzuordnen und durch entsprechende
Netze abzutrennen.
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Im
Pumpbetrieb befördern Pumpen das Wasser aus dem eingedeichten
Bereich heraus in das umgebende Meer, während es zur Stromerzeugung
durch Turbinen zurückläuft. Pumpen und Turbinen
können getrennt oder in sog. Pumpturbinen z. B. als Francis-Turbinen
vereint sein. Erfindungsgemäß können
in dem Flachwasserbereich, der innerhalb der Eindeichung liegt und/oder
auf der Deichkrone Windenergieanlagen (WEA) installiert sein. Umspann-
und Stromwandlungsanlagen für diese Windenergieanlagen
und nahegelegene Windparks können mit der Eindeichung bautechnisch
verbunden sein.
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Das
Offshore-Pumpspeicherkraftwerk ist in der Weise optimiert, dass
der Unterschied zwischen minimalem und maximalem Wasserspiegel im
eingedeichten Bereich sich auf den energieoptimalen Turbinenbetrieb
bzw. Pumpenbetrieb bezieht und die Fläche möglichst
groß ist.
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Das
Offshore-Pumpspeicherkraftwerk kann auch in einem Funktionszusammenhang
mit Offshore-Windparks errichtet werden. Es hat insbesondere den
Zweck, die durch den zukünftigen Ausbau der Offshore-Windenergie
entstehenden Schwankungen im Stromangebot aus diesen Offshore-Windparks
auszugleichen bzw. die zeitlichen Unterschiede zwischen Stromangebot aus
diesen Windparks aber auch anderen regenerativen Energiequellen, die
Strom erzeugen, und der Nachfrage zu verringern. Zum Betrieb solcher
Windparks ist positive Regelenergie erforderlich, die das Nachlassen
des Windes kurzfristig ausgleicht, aber auch bei Sturm wirkt, wenn
die Windenergieanlagen (WEA) ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit
in Ruhestellung gehen. Regelenergie wird in Bwi05 (Bundesverband Windenergie
e. V., Hintergrundinformation Regelenergie und Windkraft, Osnabrück
2005) als Energie definiert, die kurzfristig bereitstehen muss,
um nicht vorhersehbare Schwankungen des Stromverbrauchs und der
Stromerzeugung auszugleichen. Sie liegt zeitlich im Bereich von
einer Minute bis einer Stunde, man spricht auch von einer sog. Minutenreserve
bzw. von einer Stundenreserve. Diese Reservekapazitäten
werden im deutschen Kraftwerkspark bisher dadurch bereitgestellt,
dass die Dampfkraftwerke angedrosselt (abseits ihres optimalen Wirkungsgrades) fahren,
dass Gasturbinenkraftwerke bereit stehen, die innerhalb kurzer Zeit
aus dem Stillstand auf maximale Leistung gebracht werden, durch
Pumpspeicherkraftwerke und durch – in Deutschland bisher
ein einziges – Druckspeicherkraftwerk (CAES-Kraftwerk =
Compressed Air Energy Store).
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Darüber
hinaus ist auch Reserveenergie für den Betrieb von Windparks
erforderlich, die dann zur Verfügung stehen muss, wenn
die erzeugte Leistung nicht die Stromnachfrage decken kann, aber
im Gegensatz zur o. g. Definition der Regelenergie vorhersehbar
ist. Hierfür sind bisher sog. „Schattenkraftwerke” nötig,
die normalerweise still stehen und nur bei Bedarf anfahren, so z.
B. auch wieder die genannten Gasturbinenkraftwerke, Pumpspeicher-
und Druckspeicherkraftwerke.
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Ein
Merkmal der Erfindung ist, dass Windparks und das erfindungsgemäße
Kraftwerk die Energie untereinander entsprechend der aktuellen Windverhältnisse
ausgleichen und ihr Saldo per Kabel an Land in das Übertragungsnetz
geben. Hierdurch ist es als Nebeneffekt möglich, die Offshore-Übertragungsleitungen
knapper zu bemessen, als wenn dort schwankend höhere Energiemengen übertragen
werden müssten.
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Zur
Dimensionierung des Speicherbeckens können nachfolgende
Werte dienen. Die dena-Netzstudie (dena2005 (Hrsg.): Zusammenfassung
der wesentlichen Ergebnisse der Studie, Stand 18.1.05) geht davon
aus, dass im deutschen Stromnetz im Mittel 8–9% der installierten
Windleistung als positive Minuten- und Stundenreserve vorgehalten
werden muss. Mehrtägige Flauten, die zwar selten, aber auch
offshore möglich sind, erfordern jedoch ganz andere Kapazitäten.
Für die nachfolgenden Überlegungen wird von den
geplanten Offshore-Kapazitäten in der Nordsee von 22 GW
bis 2020 ausgegangen und vereinfachend davon, dass 100% dieser Leistung
1 h vorgehalten werden müssen. Dies entspricht einer Energiemenge
von E = 22 GWh ≅ 80 × 1012 J.
Bei einer Absenkung des Wasserspiegels um H = 10 m entspricht dies
einer Fläche A von A = 2 E/gρH2 =
160 1012 J/(9,81 m/s2 × 103 kg/m3 × 100
m2) ≅ 160 km2.
Bei kreisförmiger Gestaltung des Pumpspeicherkraftwerks
ist dies ein Kreis mit 14,3 km Durchmesser. Für Windausfälle
längerer Zeiträume ist eine entsprechend größere
Kapazität vorzusehen.
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Folgende
Betriebsweisen sind mindestens möglich:
- 1. Übersteigt
das Windenergieangebot den Strombedarf durch die Verbraucher, wird
der Energiespeicher durch Herauspumpen des Wassers aus dem Wasserspeicherbecken
des Pumpspeicherkraftwerks gefüllt.
- 2. Ist das Windenergieangebot geringer als die Nachfrage, gleicht
das Pumpspeicherkraftwerk den Nachfrageüberhang aus, indem
Wasser hereinläuft und Turbinen zur Stromerzeugung antreibt.
- 3. Je nach Preisbildung am Strommarkt ist es auch möglich,
durch Herauspumpen des Wassers einen Regelenergiespeicher zu bilden
und diese Regelenergie unabhängig vom Windenergieangebot
zu vermarkten.
- 4. Es ist auch möglich, zum Herauspumpen des Wassers
elektrische Energie aus anderer Erzeugung zu verwenden als Windstrom.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 03188395
A [0004]
- - DE 19513817 B [0005]