DE102008020987A1

DE102008020987A1 - Pumpspeicherkavernenkraftwerk mit einem natürlichen Gewässer als Oberbecken

Info

Publication number: DE102008020987A1
Application number: DE102008020987A
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Forkert; Jan Dr. Grundmann; Karl Lüder
Original assignee: Vattenfall Europe New Energy GmbH
Current assignee: Vattenfall Europe New Energy GmbH
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2028-04-26
Also published as: DE102008020987B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkraftwerk, umfassend ein Oberbecken und ein Unterbecken 1 zur Aufnahme einer Flüssigkeit, eine Flüssigkeitsturbine und eine Pumpe, bei dem eine unterirdische Kaverne im Boden eines natürlichen Gewässers als Unterbecken genutzt wird und das natürliche Gewässer als Oberbecken fungiert. Die Erfindung eignet sich besonders zur Speicherung von elektrischer Energie, die von Offshore-Windkraftanlagen erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkavernenkraftwerk, bei dem eine unterirdische Kaverne im Boden eines natürlichen Gewässers als Unterbecken genutzt wird und das natürliche Gewässer als Oberbecken fungiert.
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.
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.
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 Errichtung solche Pumpspeicherkraftwerke bringt zudem nicht unerhebliche Belastungen für die Umwelt. Als Speicheranlagen für Energie aus Offshore-Windkraftanlagen, das heißt, von Windkraftanlagen (Windrädern), die im Meer stehen, sind Pumpspeicherwerke auf dem Festland, insbesondere in bergigen Festlandregionen, wegen der unvermeidbaren großen Leitungsverluste zwischen Windkraftanlage und Pumpspeicherwerk wirtschaftlich ungünstig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur Speicherung großer Mengen elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen, die in der Nähe von Offshore-Windanlagen errichtet werden können.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass gemäß Patentanspruch 1 eine unterirdische Kaverne 1 im Boden eines natürlichen Gewässers als Unterbecken genutzt wird und das natürliche Gewässer als Oberbecken fungiert. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche oder nachfolgend beschrieben.
Vorzugsweise wird die Flüssigkeitsturbine mit Generator über der unterirdischen Kaverne auf dem Meeres-/Seeboden angeordnet.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, die Flüssigkeitsturbine mit Generator über der unterirdischen Kaverne auf einem Sockel stehend im Meer/See unter der Wasseroberfläche anzuordnen.
Besonders vorteilhaft ist es, die Flüssigkeitsturbine mit Generator über der unterirdischen Kaverne auf einem Sockel stehend über dem Wasserspiegel des Meeres/Sees anzuordnen, um eine gute Zugänglichkeit zu gewährleisten.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die unterirdische Kaverne hermetisch abzudichten, damit das durch das Herauspumpen des Wassers aus der Kaverne geschaffene Energiepotential nicht durch einströmendes Wasser verringert bzw. vernichtet wird.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Anlage eine Verbindungsrohrleitung zwischen Atmosphäre und unterirdischer Kaverne auf.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
1 zeigt eine Variante des Pumpspeicherkavernenkraftwerks mit Anordnung der Flüssigkeitsturbine auf dem Meeres-/Seeboden.
2 zeigt eine Variante des Pumpspeicherkavernenkraftwerks mit Anordnung der Flüssigkeitsturbine auf einem Sockel über dem Meeres-/Seeboden unter der Wasseroberfläche.
3 zeigt eine Variante des Pumpspeicherkavernenkraftwerks mit Anordnung der Flüssigkeitsturbine auf einem Sockel oberhalb der Wasseroberfläche.
Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Pumpspeicherkavernenkraftwerk umfasst die unterirdische Kaverne 1. Dies kann beispielsweise eine ausgesolte oder auszusolende Salzkaverne oder eine Lagerstätten für Erdöl/Erdgas sein. Die potenzielle Energie hängt von der geodätischen Höhe des Punktes im Meer/See ab, von dem das Wasser in eine absperrbare Zuführleitung 2 entnommen wird. In dieser Zuführleitung 2 wird das Wasser nach Öffnen des Absperrventils 3 einer Wasserturbine mit Generator 4 zugeführt. In der Wasserturbine mit Generator 4 wird dem durchströmenden Fluid Energie entzogen (und im Generator elektrische Energie erzeugt). Anschließend strömt das Wasser durch die Fallleitung 5 in die unterirdische Kaverne 1. Die Energiespeicherung erfolgt, indem mit einer Pumpe 6 nach Öffnen der Absperrarmatur 7 das Wasser aus der unterirdische Kaverne 1 über eine Steigleitung 8 zurück in das Meer/den See gepumpt wird. Dazu muss das Absperrventil 3 in der Zuführleitung 2 geschlossen sein. Die Verbindungsrohrleitung 9 zur Atmosphäre dient zum Abführen der durch das Wasser beim Befüllen der Kaverne mit Wasser (Energieerzeugungsprozess) verdrängten Luft sowie zur Zuführung von Luft beim Pumpprozess.
2 zeigt schematisch die Anordnung der Wasserturbine mit Generator 4 auf einem Sockel im Meer/See 10 unterhalb der Wasseroberfläche. Die Wirkungsweise ist gleich der vorbeschriebenen.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Pumpspeicherkavernenkraftwerk, bei dem die Wasserturbine mit Generator 4 oberhalb der Wasseroberfläche auf einem Sockel im Meer/See 10 angeordnet ist. Vor dem Energieerzeugungsprozess werden die Zuführungsleitungen 2 und die Fallleitung 5 inklusive der Turbine 4 bei geschlossenen Absperrarmaturen 3 und 11 mit Wasser befüllt. Das entsprechende Befüllsystem besteht aus der Saugleitung 12, einer Pumpe 13, einer Absperrarmatur 14 und einer Druckleitung 15. Vor dem Füllprozess müssen die Absperrventile 3 und 11 geschlossen und die Entlüftungsleitung 16 über die Absperrarmatur 17 geöffnet sein. Danach wird die Pumpe 13 in Betrieb genommen, die Absperrarmatur 14 geöffnet und das System aus Fallleitung 5, Zuführungsleitung 2 und Turbine 4 befüllt. Nach der vollständigen Füllung werden die Armaturen 17 und 14 geschlossen und die Pumpe 13 außer Betrieb genommen. Für den Beginn des Energieerzeugungsprozesses werden die Armaturen 3 und 11 geöffnet. Das Wasser wird dann über die Zuführungsleitung 2 von oben der Wasserturbine 4 zugeführt. Diese Konfiguration gewährleistet genügend Vordruck um eine Kavitation in der Fallleitung 5 zu vermeiden. In der Wasserturbine mit Generator 4 wird dem durchströmenden Fluid Energie entzogen und im Generator elektrische Energie erzeugt. Anschließend strömt das Wasser durch die Fallleitung 5 in die unterirdische Kaverne 1. Die Energiespeicherung durch Zuführung potentieller Energie erfolgt, indem mit einer Pumpe 6 das Wasser aus der unterirdische Kaverne über eine Steigleitung 8 zurück in das Meer/den See gepumpt wird. Dazu ist die Absperrarmatur 3 zu schließen und die Absperrarmatur 7 zu öffnen. Die Verbindungsrohrleitung zur Atmosphäre 9 dient zum Abführen der durch das Wasser beim Befüllen der Kaverne mit Wasser (Energieerzeugungsprozess) verdrängten Luft sowie zur Zuführung von Luft beim Pumpprozess.

1: Unterirdische Kaverne
2: Zuführleitung
3: Absperrarmatur
4: Wasserturbine mit Generator
5: Fallleitung
6: Pumpe
7: Absperrarmatur
8: Steigleitung
9: Verbindungsrohrleitung zur Atmosphäre
10: Sockel
11: Absperrarmatur
12: Saugleitung
13: Pumpe
14: Absperrarmatur
15: Druckleitung
16: Entlüftungsleitung
17: Absperrarmatur

Claims

Pumpspeicherkavernenkraftwerk, umfassend ein Oberbecken und ein Unterbecken 1 zur Aufnahme einer Flüssigkeit, eine Flüssigkeitsturbine 4 und eine Pumpe 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine unterirdische Kaverne 1 im Boden eines natürlichen Gewässers als Unterbecken genutzt wird und das natürliche Gewässer als Oberbecken fungiert.
Pumpspeicherkavernenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem natürlichen Gewässer um ein Meer handelt.
Pumpspeicherkavernenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem natürlichen Gewässer um einen See handelt.
Pumpspeicherkavernenkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsturbine 4 über der unterirdischen Kaverne 1 auf dem Boden des natürlichen Gewässers angeordnet ist.
Pumpspeicherkavernenkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsturbine 4 über der unterirdischen Kaverne 1 auf einem Sockel 10 stehend in dem natürlichen Gewässer unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist.
Pumpspeicherkavernenkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsturbine 4 auf einem Sockel 10 stehend über der Wasseroberfläche des natürlichen Gewässers angeordnet ist.
Pumpspeicherkavernenkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterirdische Kaverne 1 hermetisch abgedichtet ist.
Pumpspeicherkavernenkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Verbindungsrohrleitung 9 zwischen der Atmosphäre und der unterirdischen Kaverne 1 aufweist.
Pumpspeicherkavernenkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem natürlichen Gewässer und der Flüssigkeitsturbine 4 eine Zuführleitung 2 und zwischen der Flüssigkeitsturbine 4 und der unterirdischen Kaverne 1 eine Fallleitung 5 befindet und die Zuführleitung 2, die Fallleitung 5 und die Flüssigkeitsturbine 4 vor Inbetriebnahme der Flüssigkeitsturbine 4 mit Flüssigkeit gefüllt werden.
Pumpspeicherkavernenkraftwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllen der Zuführleitung 2, der Fallleitung 5 und der Flüssigkeitsturbine 4 durch ein Befüllsystem erfolgt, das eine Saugleitung 12, eine Pumpe 13, eine Absperrarmatur 14 und eine Druckleitung 15 sowie ein System zur Entlüftung, umfassend eine Entlüftungsleitung 16 und eine weitere Absperrarmatur 17, umfasst.