DE102009054364A1

DE102009054364A1 - Speicherkraftwerk mit Höhlenwasser in Kombination mit Windkraft zur Gewinnung bedarfsabhängiger elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102009054364A1
Application number: DE102009054364A
Authority: DE
Inventors: Horst-Uwe Eggert; Katharina Eggert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: DE102009054364B4

Abstract

Für Speicherkraftwerke sind nicht viele geeignete Becken vorhanden oder sie müssen kostenintensiv errichtet werden und zerstören die Natur. Dieses Speicherkraftwerk mit Höhlenwasser in Kombination mit Windkraft zur Gewinnung bedarfsabhängiger elektrischer Energie soll über kostengünstigen und umweltschonenden Energiezwischenspeicher verfügen und sporadisch erzeugte ”Alternativ-Energien” primär speichern und sekundär in gleichbleibenden Größenordnungen weitergegeben.
Die Becken dieses Speicherkraftwerkes sind in erster Linie in unterirdische Höhlen sowie Kare, Seen oder ähnliches angeordnet. In Zeichnung 1 sind beide Becken des Pumpspeicherkraftwerks in unterirdischen Höhlen angeordnet. In der Zeichnung 2 ist das Oberbecken eine Kare oder ähnliches. In der Zeichnung 3 ist das Oberbecken ein See, Teich oder ähnliches.
Mit der nicht benötigten gewonnenen Energie vorzugsweise aus Windkraftanlagen (1) wird das Wasser mittels Pumpen (6) durch eine Leitung (7) vom Unterbecken (4) in das Oberbecken (8) gefördert. Bei Elektroenergiebedarf wird das Wasser vom Oberbecken (8) in das Unterbecken (4) durch eine Fallleitung (10) herabgelassen und treibt dabei die Turbine (9) an, welche ihre gewonnene mechanische Energie auf einen Generator (5) überträgt. Dieser wandelt die Antriebsleistung in elektrische Leistung um und speist diese gewonnene Energie (11) ins Stromnetz (12).
Weiterhin sollen die Energiezwischenspeicher zur Abdeckung eines schnell benötigten Bedarfs kurzfristig zugeschaltet werden.
Thermische Energie der unterirdischen Höhlen kann mittels Wandlung in elektrische Energie z. B. durch eine Sterling-Motor oder ähnliches für den Antrieb der Pumpen genutzt werden.
Dieses Speicherkraftwerk mit Höhlenwasser in Kombination mit Windkraft zur Gewinnung bedarfsabhängiger elektrischer Energie eignet sich aufgrund seiner Nutzung von erneuerbaren Energie und umweltfreundliche Bauweise zum Ausbau von erneuerbaren Energien in der Welt.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie mithilfe von Speicherkraftwerken. Es ist eine andere Konzeption eines Pumpspeicherkraftwerkes, das mit erneuerbaren Energien vorwiegend der nicht benötigten gewonnenen Windenergie betrieben wird und unterirdische Höhlenseen als Becken benutzt.
Stand der Technik mit Fundstellen:
Speicherkraftwerke sind in ihrer vielfältigen Bauweise hin bekannt und Speichersysteme zum zur Umwandlung potentieller Energie gespeicherten Wassers in elektrische Energie sowie zum Ausgleich der Tageslast in Verbundnetzen.
Ferner ist die Wirkungsweise eines Pumpspeicherkraftwerkes bekannt, dass in Zeiten niedriger Stromnachfrage bzw. hoher, frei verfügbarer elektrischen Energie im Netz Wasser aus einem Unterbecken mittels einer elektrisch angetriebenen Pumpe in ein höher gelegenes Oberbecken gefördert wird. Bei Bedarf z. B. zur Deckung der Spitzenlast wird das Wasser in das Unterbecken über eine Turbine abgelassen, die über einen Generator potentielle Energie des Wassers in elektrische Energie umsetzt. Zudem ist bekannt, dass in bisherigen Pumpspeicherkraftwerken billigerer Strom zu Schwachlastzeiten genutzt wird, um im Spitzenfall teuren Spitzenlaststrom zu erzeugen.
Nach der Patentschrift ( DE 3640470 A1 ) ist bekannt, dass mit der gewonnenen Energie einer Windkraftanlage ein Wasserkraftwerk betrieben werden kann.
In der Patentschrift ( DE 1951 3817 B4 ) wird ein Pumpspeicherwerk beschrieben, bei dem der untere See in einem ausgeräumten Tagebau angelegt ist. Derartige Tagebaue mit der erforderlichen Tiefe stehen aber nur vereinzelt zur Verfügung.
In einer andern Patentschrift ( DE 10 2008 020 987 A1 ) wird eine unterirische Kaverne im Boden eines natürlichen Gewässers als Unterbecken genutzt und das natürliche Gewässer als Oberbecken fungiert. Das Anlegen einer Kaverne ist kostenaufwändig.
Eine wichtige Voraussetzung für die Anlage von Pumpspeicherkraftwerken ist das Vorhandensein von geeigneten Unterbecken und Oberbecken. Notwendige Standorte sind rar, kostenintensiv und mit Naturzerstörungen verbunden.
Die erfinderische Aufgabe:
Der erfinderischen Aufgabe zu Grunde liegend wurde nach einem kostengünstigen und umweltschonenden Energiespeicher gesucht, um die vorzugsweise per Windkraft gewonnen nicht benötigte Energie zu speichern und bei Bedarf wieder ins Netz einzuspeisen.
Weiterhin sollen die Energiespeicher zur Abdeckung eines schnell benötigten Bedarfs kurzfristig zugeschaltet werden.
Eine weitere Aufgabe ist es, die Erdwärme bzw. das warme Höhlenwasser als Energiequelle zu nutzen.
Die Lösung sowie Funktionsbeschreibung der Erfindung:
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass gemäß Patentspruch 1 unterirdische Höhlenseen als Becken für das Speicherkraftwerk vorzugsweise Pumpspeicherkraftwerke fungieren. Aus Gründen der Geologie gibt es stark kalkhaltige Bodentransformationen, in denen sich natürliche Wasserreservoirs in Höhlen befinden.
Bevorzugt werden Höhlen der Schwäbischen Alb, die in großer Zahl vorhanden sind. Die Erfindung gilt für alle weltweit, geologisch ähnlichen Gebiete wie z. B. der schweizerische, französische Jura, Kroatien etc.
Die Eignung der in Frage kommenden Höhlen hängt von deren Tiefe, Speicherkapazität und geologischen Gegebenheiten ab. Die Auswahl geeigneter Standorte hängt stark von Struktur, Steigung und Gefälle vorhandener Höhlen und weiteren geographischen Bedingungen im Einzelfall ab. Diese können hier nicht weiter beschrieben werden, da dem Verfasser der Patentschrift die hierzu notwendigen Informationen nicht zugänglich sind. Es handelt sich aber um Auslegungsfragen, deren Behandlung keine technische Besonderheit darstellt.
Gemäß der Erfindung wird mit der gewonnenen Energie vorzugsweise aus Windkraftanlage Wasser aus der Höhle mittels Pumpen in die darüberliegende Höhlen, Kare, Seen oder ähnliches hoch gefördert. Bei Elektroenergiebedarf wird das Höhlenwasser über fallende Rohre zu den unterirdischen Höhlenseen befindlichen Fallwasserturbinengeneratoren geleitet. Nach Antriebsausnutzung füllt das turbinenabgehende Höhlenwasser wieder die unterirdischen Höhlen.
Im Generatorenbetrieb treibt das Arbeitsmedium, d. h. das Höhlenwasser, welches aus dem Oberbecken (Höhle, Kare, See) in das Unterbecken (Höhle) strömt, die Turbine an, welche ihre gewonnene mechanische Energie auf einen Generator überträgt. Er wandelt die Antriebsleistung in elektrische Leistung um und speist diese ins Stromnetz. Die potenzielle Energie des Wassers wird somit nun zur Stromerzeugung genutzt. Der Energiebedarf dieser Förderpumpen wird vorzugsweise über windbetriebene Generatoren bewerkstelligt, die in der Nähe liegenden windreichen Gegenden stationiert sind.
Dies sei durch ein Beispiel erläutert: Angenommen, im ländlichen Gebiet um das Dorf Blaubeuren wird ein Windpark errichtet. Bei ausreichendem Wind fördert die nicht benötigte gewonnene Energie über geeignete technische Einrichtungen Wasser aus den unterirdischen Höhlen in darüberliegende Höhlen, Kare, Seen oder ähnliches. Im Bedarfsfall kann nun mittels einer Turbine Strom erzeugt werden. Das dabei dort in die unterirdischen Höhlen gelangende Wasser kann nun wieder nach oben gepumpt werden.
Befindet sich den unterirdischen Wasserreservoirs genug thermische Energie, so kann diese Energie mittels Wandlung in elektrische Energie bspw. durch einen Sterling-Motor oder ähnliches zum Antrieb der Pumpen genutzt werden. Somit kann sichergestellt werden, dass nur erneuerbare Energien zur Betreibung des Pumpspeicherkraftwerkes verwendet werden. Da die hoch gepumpten Wassermassen aufgrund der Tiefe und der Gegebenheiten mit Erdwärme angereichert sind, kann dort zwangsläufige Wärmeschwängerung mittels Wärmetauschern entzogen werden.
Falls die unterirdischen Höhlen über wasserdurchlässigen Boden haben, könnten diese mit wasserdichtem Beton versiegelt werden.
Die Dimensionierung dieses Speicherkraftwerkes hängt von der zur Verfügung stehenden Wassermenge, Fallhöhe, Größe der darüberliegenden Höhle sowie der technischen Realisierbarkeit der Einrichtung ab. Anhand der Fallhöhe und anderer technischen Gegebenheiten (Rohrdurchmesser) kann errechnet werden, wie viel Energie in Spitzenfalllast zur Verfügung gestellt werden kann.
Erzielten V orteile:
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass dieses Speicherkraftwerk mit Höhlenwasser in Kombination mit Windkraft zur Gewinnung bedarfsabhängiger elektrischer Energie kostengünstig und umweltschonend ist. Um dieses Speicherkraftwerk rein aus erneuerbaren Energien zu betreiben, kann z. B. mit einem Sterling-Motor thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt werden, um die Förderpumpen anzutreiben.
Ferner ist das Wasser in Höhlenseen bereits vorhanden, so dass der Umlaufwasserhaushalt gleich bleibt und kein neues Wasser zugeführt werden muss.
Ein weiterer großer Vorteil dieses Speicherwerkes ist, dass der Bau von Becken nicht notwendig ist, da sie bereits in Form von Höhlenseen, Kare, Seen der ähnliches vorhanden sind. Dadurch sind die Installationskosten geringer und der Eingriff in die Naturzonen vermindert. Durch die vereinzelten Bohrungen und weitere Techniken wird die Höhle in keiner Weise angegriffen. Die Höhle ist ein natürlicher dichter Wasserbehälter.
Die Wasserentnahmen aus den Höhlenseen werden gegebenenfalls über Siebe erfolgen, so dass die evtl. vorhandene Tierwelt nicht in das Pumpspeicherkraftwerk gerät.
Würde man ein ähnliches Verfahren mit gleichem Energiegewinn durch Menschenhand bauen lassen, würden erhebliche Umweltschäden entstehen, um die Eigenschaften von der Natur gegebenen Höhle nachzubauen.
Beschreibung der Zeichnung:
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiel und der Zeichnung 1 näher beschrieben werden:
Die Zeichnung 1 zeigt ein Speicherkraftwerk mit Höhlenwasser in Kombination mit einer Windkraftanlage zur Gewinnung bedarfsabhängiger elektrischer Energie.
Mit der gewonnenen nicht benötigten Energie von vorzugweise Windkraftanlagen 1 oder mit einem Sterling-Motor 5 wird das Wasser mittels Pumpen 6 durch eine Leitung 7 vom Unterbecken 4 in das Oberbecken 8 gefördert. Bei Elektroenergiebedarf wird das Wasser vom Oberbecken 8 in das Unterbecken 4 durch eine Fallleitung 10 herabgelassen und treibt dabei die Turbine 9 an, welche ihre gewonnene mechanische Energie auf einen Generator 5 überträgt. Dieser wandelt die Antriebsleistung in elektrische Leistung um und speist diese gewonnene Energie 11 ins Stromnetz 12.
Zeichnung 1 zeigt das Grundmodell des Pumpspeicherkraftwerkes, bei dem unterirdische Höhlenseen als Oberbecken und Unterbecken genutzt werden.
Ausgestaltungsformen
Ausgestaltungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen 2 und 3 dargestellt und werden im Folgenden zur Zeichnung 1 unterschieden:
Zeichnung 2 unterscheidet sich von Zeichnung 1 darin, dass als Oberbecken Kare oder ähnliches genutzt werden. Dabei handelt es sich um eine natürliche Speichermöglichkeit.
Zeichnung 3 unterscheidet sich von Zeichnung 1 darin, dass Teiche, Seen oder ähnliches als Oberbecken fungieren. Hinsichtlich als einen kleinen wirtschaftlichen Nebenerwerbszweig dieser Variation könnte der See etc. als Freizeitbecken dienen und bietet sauberes und temperiertes Wasser für Bade- und Schwimmvergnügen.
Bezugszeichenliste

1: Windkraftanlage
2: gewonnene Energie der Windkraftanlage
3: Maschinenhaus
4: Unterbecken (Höhlensee)
5: Motor-Generator
6: Pumpe
7: Druck- bzw. Förderleitung
8: Oberbecken (Höhle, Höhlensee, Kare, See, Teich oder ähnliches)
9: Turbine
10: Fallleitung
11: gewonnene Energie
12: Stromnetz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3640470 A1 [0004]
DE 19513817 B4 [0005]
DE 102008020987 A1 [0006]

Claims

Das Speicherkraftwerk ist dadurch gekennzeichnet, dass unterirdische Höhlen bzw. Höhlenseen, Kare, Seen und andere wasserfüllende Gesteinsschichten sowie weltweit ähnliche Bodentransformationen als Energiespeicher bzw. Becken vorzugsweise für Pumpspeicherkraftwerke und Pumpturbinenkraftwerke fungieren, um so mit Höhlenwasser in Kombination mit vorwiegend Windkraft bedarfsabhängige elektrische Energie zu gewinnen.
Das Speicherkraftwerk nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Erdwärme der unterirdischen Höhlen sowie das warme Wasser bzw. thermische Energie mittels Wandlung in elektrische Energie bspw. durch einen Sterling-Motor zur Energiegewinnung genutzt werden.
Das Speicherkraftwerk nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die unterirdischen Höhlen bei wasserdurchlässigen Boden mit einem wasserdichten Beton zu versiegeln sind.
Das Speicherkraftwerk nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass alle Arten von gewonnener Energie die Förderpumpen antreiben können.