DE102009057343A1

DE102009057343A1 - Höhenverstellbares Maschinenhaus für Pumpspeicherwerke

Info

Publication number: DE102009057343A1
Application number: DE102009057343A
Authority: DE
Inventors: Detlef Dr. Schulz
Original assignee: HELMUT SCHMIDT UNI UNI DER BUNDESWEHR HAMBURG; Hamburg Innovation GmbH; Helmut Schmidt Universitaet
Current assignee: HELMUT SCHMIDT UNI UNI DER BUNDESWEHR HAMBURG; Hamburg Innovation GmbH; Helmut Schmidt Universitaet
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-12-08
Also published as: DE102009057343B4

Abstract

Höhenverstellbares Maschinenhaus für Pumpspeicherwerke zur Nutzung von tiefen unteren Speicherseen, wobei ein höhenverstellbares Maschinenhaus einem Wasserstand eines Unterbeckens sowohl im Generatorbetrieb des Pumpspeicherwerkes als auch im Motor, d. h. Pumpenbetrieb des Pumpspeicherwerkes der Wasseroberfläche des Unterbeckens nachgeführt werden kann, sodass eine optimierte Energieausbeute sowie eine Verbesserung der Ansaugcharakteristik erhalten werden kann.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein höhenverstellbares Maschinenhaus für Pumpspeicherwerke, insbesondere ein höhenverstellbares Maschinenhaus für Pumpspeicherwerke zur Nutzung von tiefen unteren Speicherseen sowie ein Pumpspeicherwerk zur Nutzung von tiefen unteren Speicherseen.
Hintergrund der Erfindung
Zur großtechnischen Speicherung von elektrischer Energie stehen nur wenige Möglichkeiten zur Verfügung. Pumpspeicherwerke sind dafür eine langbewährte und ausgereifte Technologie. Bei einem Energieüberschuss in lastarmen Zeiten im Energieversorgungsnetz wird Wasser mit kostengünstiger elektrischer Energie in ein Oberbecken gepumpt und verbleibt dort als potentielle Energie. Bei Lastspitzen im elektrischen Energieverteilungsnetz wird die gespeicherte potentielle Energie wieder in elektrische Energie gewandelt. Auf diese Weise kann in Niedriglastzeiten, beispielsweise nachts, überschüssige elektrische Energie aus Grundversorgungskraftwerken, wie beispielsweise Kohlekraftwerken, verwendet werden, um diese als potentielle Energie in Form von hochgelagertem Wasser zu speichern. Bei entsprechenden Lastspitzen, beispielsweise in der Mittagszeit oder etwa bei einem anderweitigen Kraftwerksausfall kann diese potentielle Energie in Form von hochgelagertem Wasser wieder zurück in elektrische Energie gewandelt werden. Auf diese Weise kann innerhalb kürzester Zeit elektrische Energie in ein Energieversorgungsnetz eingespeist werden. Der Neubau von Pumpspeicherwerken ist jedoch wegen der erforderlichen geologischen Voraussetzungen sowie der aufwendigen Genehmigungsverfahren und baulichen Aufwendungen schwierig realisierbar.
Insbesondere ist bei oberirdischen Maschinenhäusern die Nutzung relativ flacher unterer Speicherseen erforderlich, da die Ansaughöhe physikalisch bedingt auf zehn Meter begrenzt ist. Eine Nutzung von Speicherseen mit einer Tiefe von mehr als zehn Meter ist nur dann möglich, wenn das Maschinenhaus unterhalb der Wasseroberfläche bei Wasserhochstand im Unterbecken angebracht wird. In diesem Fall kann der turbinenseitige Anschluss eines Ansaugstutzens unterhalb des maximalen Wasserstandes des unteren Speichersees liegen.
Bei tiefen Speicherseen kann das Ansaugrohr entsprechend tief angesetzt werden. Dafür muss jedoch das Maschinenhaus unterhalb der Wasseroberfläche liegen und entsprechend aufwendig abgedichtet werden, insbesondere, da bei Wasserhochstand ein beträchtlicher Wasserdruck auf der Abdichtung lastet. Dies ist im Regelfall mit einem sehr hohen baulichen Aufwand verbunden. Gleichzeitig geht diese Bauart zu Lasten der Fallhöhe und damit der erzeugten elektrischen Energie beim Entladebetrieb, da die Fallhöhe zwischen dem Auslass bzw. Niveau des oberen Speichersees und dem Wasserstand des unteren Speichersees bestimmt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es kann als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrachtet werden ein Pumpspeicherwerk bzw. Pumpspeicherkraftwerk bzw. eine Kraftwerkskomponente bereitzustellen, das bzw. die in der Lage ist auch mit tiefen Unterbecken als Speichersee verwendet zu werden, ohne dabei einen erhöhten Abdichtungsaufwand gegenüber einem höher liegenden Wasserstand zu haben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen verkörpert sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Kraftwerkskomponente für ein Pumpspeicherwerk bzw. Pumpspeicherkraftwerk bereitgestellt, wobei die Kraftwerkskomponente umfasst: ein Maschinenhaus mit einer Aufnahmevorrichtung für eine Turbine und einem unterbeckenseitigen Wasseranschluss, und eine Höhenverstellvorrichtung zur Höhenverstellung des Maschinenhauses in Bezug auf ein Pumpspeicherwerk, wobei die Höhenverstellvorrichtung ausgelegt ist das Maschinenhaus derart in der Höhe zu verstellen, dass der unterbeckenseitige Wasseranschluss in unterschiedlichen vertikalen Positionen positionierbar ist.
Dadurch wird erreicht, dass das Maschinenhaus bezüglich einer Wasseroberfläche eines Unterbeckens immer so positioniert werden kann, dass die Ansaughöhe nicht höher als zehn Meter ist, selbst wenn das Unterbecken eine Tiefe von mehr als zehn Meter aufweist. Im Ladebetrieb, d. h. beim Hochpumpen von Wasser vom Unterbecken in das Oberbecken wird das Maschinenhaus dem sinkenden Wasserspiegel nachgefahren, sodass beispielsweise eine Ansaughöhe konstant gehalten werden kann. Im Entladebetrieb, d. h. beim Ablaufen des Wasser aus dem Oberbecken über die Turbine in das Unterbecken kann das Maschinenhaus mit steigendem Wasserspiegel des Unterbeckens nach oben nachgefahren werden, sodass sich eine optimale Fallhöhe ergibt. Dabei kann das Maschinenhaus gewichtsoptimiert ausgelegt werden, sodass, je nach Anforderung, verschiedene Komponenten, wie Schaltanlagen, Transformatoren und Steuerungseinrichtungen in einem gesonderten, feststehenden Gebäude untergebracht werden können.
Unter einem Maschinenhaus ist dabei eine Konstruktion zu verstehen, die eine Turbine, jedoch nicht zwingend eine elektrische Maschine in Form eines Generators bzw. eines Motor aufnehmen kann. Das Maschinenhaus kann beispielsweise eine geschlossene Gebäudehülle sein, jedoch ebenso eine Plattform innerhalb eines Gebäudes, wobei diese Plattform innerhalb des Gebäudes höhenverstellbar sein kann. Als eine Turbine wird eine Vorrichtung zum Fördern von Wasser durch Einspeisung von elektrischer Energie verstanden, ebenso wie eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Einspeisung von Wasser. Mit anderen Worten wird unter einer Turbine sowohl eine Turbine im herkömmlichen Sinne als auch eine Pumpe verstanden. Die Turbine und die elektrische Maschine können dabei wechselweise einmal als Turbinen-Generatorsatz arbeiten und einmal als Motor-Pumpensatz. Bei einem Pumpenbetrieb kann die Turbine aus dem Unterbecken Wasser, beispielsweise unterhalb des Maschinenhauses ansaugen und über ein Fallrohr oberhalb des Maschinenhauses in das obere Becken pumpen, um potentielle Energie zu speichern. Im Generatorbetrieb kann das Wasser aus dem oberen Becken über ein Fallrohr zur Turbine geleitet werden und so der Generator angetrieben werden, um durch die gespeicherte potentielle Energie elektrische Energie zurückzugewinnen. Unter unterschiedlichen vertikalen Positionen sind ungeachtet einer horizontalen Verschiebung, Niveaus zu verstehen, die in vertikaler Richtung voneinander beabstandet sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Höhenverstellvorrichtung derart ausgelegt, dass der unterbeckenseitige Wasseranschluss bezüglich einer turbinenseitigen Öffnung in einer Position oberhalb einer Wasserlinie eines Unterbeckens positionierbar ist.
Auf diese Weise kann im Wesentlichen die Turbine oberhalb des unterbeckenseitigen Wasserstandes gehalten werden, sodass ein Abdichtungsaufwand für das Maschinenhaus gering gehalten werden kann. Dabei ist durchaus denkbar, dass das Maschinenhaus auch teilweise in das Wasser des Unterbeckens eintaucht, solange die Eintauchtiefe keine signifikanten Wasserdrücke hervorrufen, die einen Abdichtungsaufwand signifikant erhöhen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Maschinenhaus eine Kraftübertragungsvorrichtung auf, die ausgelegt ist zur kraftübertragenden Ankopplung einer Turbine mit einer elektrischen Maschine.
Auf diese Weise kann eine mechanische Ankopplung einer im Maschinenhaus angeordneten Turbine und einer ebenfalls im Maschinenhaus angeordneten elektrischer Maschine realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kraftübertragungsvorrichtung ausgestaltet, um eine bezüglich eines Pumpspeicherwerkes ortsfeste elektrische Maschine mit einer in dem bezüglich eines Pumpspeicherwerkes höhenverstellbaren Maschinenhaus angeordneten Turbine in unterschiedlichen vertikalen Positionen des Maschinenhauses anzukoppeln.
Dabei kann zur weiteren Gewichtsoptimierung des Maschinenhauses die elektrische Maschine, d. h. der Motor bzw. der Generator ortsfest vorgesehen sein, während sich die Turbine in Abhängigkeit vom Wasserstand des Unterbeckens höhenverstellbar positionieren lässt. Die Kraftübertragungsvorrichtung kann dabei so ausgestaltet sein, dass bei unterschiedlichen Positionen in der Höhe eine mechanische Ankopplung erfolgen kann. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Kupplungsmechanismen an unterschiedlichen Positionen entlang der Kraftübertragungsvorrichtung erfolgen. Dabei kann die Kraftübertragungsvorrichtung sowohl ortsfest bezüglich der elektrischen Maschine angeordnet sein als auch ortsfest gegenüber der im höhenverstellbaren Maschinenhaus befindlichen Turbine. Ortsfest schließt selbstverständlich eine Rotation nicht aus. Es sei angemerkt, dass eine Kraftübertragung dabei nicht zwingend über eine unmittelbare mechanische Kraftübertragung erfolgen muss, sondern ebenfalls über beispielsweise eine hydraulische Zwischenkopplung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Maschinenhaus eine Aufnahmevorrichtung für eine an eine Turbine mechanisch ankoppelbare elektrische Maschine auf, wobei das Maschinenhaus ferner eine elektrische Energieübertragungsvorrichtung aufweist zur elektrischen Ankopplung einer elektrischen Maschine mit einem elektrischen Energieverteilungsnetz, wobei die elektrische Energieübertragungsvorrichtung ausgelegt ist ein bezüglich eines Pumpspeicherwerkes ortsfestes elektrisches Energieverteilungsnetz mit einer in dem höhenverstellbaren Maschinenhaus angeordneten elektrischen Maschine in unterschiedlichen vertikalen Positionen des Maschinenhauses anzukoppeln.
Bei dieser Ausführungsform wird die elektrische Maschine in Form eines Motors bzw. Generators direkt mechanisch mit der Turbine gekoppelt, um die mechanischen Übertragungsverluste gering zu halten. Dadurch wird zwar das Maschinenhaus bei einer eingebrachten elektrischen Maschine schwerer, jedoch ist eine vertikal variable elektrische Ankopplung leichter zu realisieren als eine vertikal variable mechanische Ankopplung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Höhenverstellvorrichtung eine bezüglich eines Pumpspeicherwerkes ortsfeste Führungsschiene und ein entlang der Führungsschiene bewegliches und mit dem Maschinenhaus verbundenes Führungselement auf, wobei das Führungselement ausgestaltet ist, um das Maschinenhaus höhenverstellbar entlang der Führungsschiene zu führen.
Auf diese Weise ist es möglich, die Höhenverstellung entlang eines vordefinierten Verstellweges zu vollziehen, was insbesondere bei der Ankopplung von ortsfesten Anlagenteilen zu den beweglichen Anlageteilen vorteilhaft ist. Die Führungsschiene kann allgemein in Form von parallel verlaufenden Rohren bzw. Hohl- oder Vollprofilen erfolgen, die beispielsweise rechts und links des Maschinenhauses bzw. oberhalb und unterhalb des Maschinenhauses angeordnet sind. Derartige Schienen können beispielsweise aus Metall ausgestaltet sein, jedoch ebenso aus Beton. Die Führung kann dabei eine kombinierte Führung in vertikaler und horizontaler Richtung sein, beispielsweise eine Schrägführung, jedoch auch eine rein vertikale Führung im Sinne einer reinen Auf-Ab Bewegung. Die Höhenverstellung kann dabei mechanisch oder hydraulisch erfolgen. Bei einer mechanischen Höhenverstellung kann dies beispielsweise durch einen Zahnstangen-Zahnradantrieb oder einen anderweitigen gezahnten Antrieb erfolgen. Dies ist insbesondere bei einer Schrägführung der Höhenverstellvorrichtung sinnvoll. Eine hydraulische Höhenverstellung kann beispielsweise durch Öldruckzylinder erfolgen, jedoch auch durch eine schwimmende Lagerung des höhenverstellbaren Maschinenhauses auf der Wasseroberfläche des Unterbeckens oder einer damit kommunizierenden Wasseroberfläche, sodass bei einem Sinken oder Steigen des Wasserspiegels des Unterbeckens automatisch das höhenverstellbare Maschinenhaus der Änderung des Wasserspiegels folgt. Auf diese Weise können die wesentlichen Kräfte bei einer entsprechenden schwimmenden Ausgestaltung des Maschinenhauses durch die Auftriebskräfte aufgefangen werden, sodass dann lediglich eine vertikale Führung zur genauen Positionierung notwendig ist, die jedoch weitaus weniger Kräfte aufnehmen muss, als die Gewichtskräfte des Maschinenhauses.
Eine Ankopplung an die entsprechenden wasserführenden Rohrsysteme kann beispielsweise durch mechanisch flexible Rohrabschnitte erfolgen, die eine Wasserzufuhr auch bei unterschiedlichen Höhen des Maschinenhauses ermöglichen. Alternativ ist es möglich, diskrete Ankopplungspunkte für die Wasserführung vorzusehen, die zwar in der Regel nur diskrete Positionen und keine kontinuierliche Nachführung ermöglichen, dafür jedoch mechanisch im Regelfall stabiler ausgeführt werden können. Darüber hinaus können auch gelenkige Rohrverbindungen vorgesehen werden, die eine Wasserzufuhr auch bei unterschiedlicher vertikaler Positionierung ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Führungsschiene integral mit einer Wasserleitungsvorrichtung eines Pumpspeicherwerkes ausgebildet.
Auf diese Weise kann beispielsweise eine Wasserleitungsvorrichtung in Form eines Fallrohres wenigstens teilweise gleichzeitig als eine Führungsschiene verwendet werden, insbesondere da eine örtliche Nähe von Maschinenhaus und Fallrohr bzw. Wasserleitungsvorrichtung notwendig ist, um das Wasser in das Maschinenhaus einzuleiten. Insbesondere kann das mit dem Maschinenhaus verbundene Führungselement gleichzeitig ein Ankopplungselement zum Ankoppeln an die Wasserleitungsvorrichtung sein, sodass durch die Kombination von Führungselement und Führungsschiene nicht nur eine zuverlässige Führung sondern auch eine zuverlässige Ankopplung zur Wasserversorgung erreicht werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Führungsschiene wenigstens teilweise beabstandet von einer Fluroberfläche. Auf diese Weise kann das höhenverstellbare Maschinenhaus unabhängig von einer Bodenbeschaffenheit des Untergrundes geführt werden, insbesondere unabhängig von einer Entwicklung der Vegetation unterhalb des höhenverstellbaren Maschinenhauses. Die Fluroberfläche kann dabei auch geneigt sein, wie etwa eine Böschung. Ferner kann ein Maschinenhaus auch in einem Bereich verschoben werden, der geologisch eventuell unstabil ist und selbst über die Fluroberfläche keine Kraftaufnahme ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Führungsschiene wenigstens teilweise unterhalb einer Wasserlinie eines Unterbeckens gelagert. Auf diese Weise ist es möglich das Maschinenhaus auch in Bereiche des Unterbeckens zu verfahren, die bei einem Wasserhochstand im Unterbecken normalerweise mit Wasser verfüllt sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Pumpspeicherwerk mit einer erfindungsgemäßen Kraftwerkskomponente bereitgestellt, wobei das Pumpspeicherwerk eine mit einem Oberbecken verbundene oberbeckenseitige Wasserleitung und eine mit einem Unterbecken verbunden unterbeckenseitige Wasserleitung aufweist, wobei das Maschinenhaus eine Turbine aufweist, die mit dem unterbeckenseitigen Wasseranschluss und einem oberbeckenseitigen Wasseranschluss verbunden ist, wobei der unterbeckenseitige Wasseranschluss in unterschiedlichen vertikalen Positionen des Maschinenhauses wasserführend an die unterbeckenseitige Wasserleitung und der oberbeckenseitige Wasseranschluss in unterschiedlichen vertikalen Positionen des Maschinenhauses wasserführend an die oberbeckenseitige Wasserleitung ankoppelbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Höhenverstellen eines Maschinenhauses eines Pumpspeicherwerkes, wobei das Verfahren den Schritt aufweist zum Höhenverstellen des Maschinenhauses in Abhängigkeit von einer Wasserlinie eines Unterbeckens.
Es sollte bemerkt werden, dass sich die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung gleichermaßen auf die Kraftwerkskomponente wie auf das Pumpspeicherwerk bzw. Pumpspeicherkraftwerk, sowie auf das Verfahren zum Höhenverstellen eines Maschinenhauses beziehen.
Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden durch die Bezugnahme auf die hiernach beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen erläutert und verdeutlicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Beispielhafte Ausführungsformen werden im Folgenden mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Anordnung eines Pumpspeicherwerkes bzw. eines Pumpspeicherkraftwerkes einer konventionellen Bauweise.
2 zeigt eine Ausgestaltung eines Pumpspeicherwerkes bzw.
Pumpspeicherkraftwerkes mit einer Kraftwerkskomponente gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Pumpspeicherwerkes bzw.
Pumpspeicherkraftwerkes mit einer Kraftwerkskomponente gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
1 zeigt eine strukturelle Ausgestaltung eines Pumpspeicherwerkes bzw. Pumpspeicherkraftwerkes einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung. Ein Pumpspeicherwerk einer konventionellen Ausführung sieht ein Oberbecken 70 vor sowie ein tiefer liegendes Unterbecken 90. Das Oberbecken 70 ist mit dem Unterbecken 90 über ein Fallrohr 80 verbunden, welches aus dem Oberbecken 70 Wasser zu einem Maschinenhaus 110 befördert, in dem sich eine Turbine 20 befindet, die mit dem durch das Fallrohr 80 strömende Wasser angetrieben wird. Die Turbine 20 treibt dabei eine als Generator arbeitende elektrische Maschine 40 an, sodass über die potentielle Energie des im Oberbecken 70 gespeicherten Wassers durch den Generator 40 elektrische Energie erzeugt werden kann. Das Wasser überwindet dabei einen Höhenunterschied von h_p, wobei die Höhendifferenz ein Maß für die gespeicherte potentielle Energie pro Quantum Wasser darstellt.
Das in 1 gezeigte Maschinenhaus 110 befindet sich im Wesentlichen oberhalb einer Wasserlinie 91 des Unterbeckens 90 und muss daher im Wesentlichen nicht gesondert gegen Wasserdruck abgedichtet werden. Jedoch gelangt dabei im Pumpbetrieb, bei dem durch Einspeisung von elektrischer Energie in die als Motor arbeitende elektrische Maschine 40 die Turbine 20 als Pumpe angetrieben wird, das Wasser aus dem Unterbecken 90 nicht selbstständig zu der Turbine 20, sondern muss von der als Pumpe arbeitenden Turbine 20 angesogen werden. Ein derartiger Ansaugvorgang ist physikalisch auf Höhenunterschiede von zehn Meter beschränkt, da eine Pumpe nicht mehr Unterdruck als 1 bar gegenüber Umgebungsdruck erzeugen kann. Selbst im Bereich knapp unter zehn Meter wird daher die Ansaugleistung verhältnismäßig schwach sein. Daher ist die Tiefe t des Unterbeckens 90 auf Tiefen beschränkt, die wesentlich geringer als zehn Meter sind. Dies hat jedoch zur Folge, dass das Unterbecken 90 entweder verhältnismäßig große Oberflächenabmessungen aufweisen muss, oder nur einen geringen Wasserinhalt hat. Ein geringer Wasserinhalt des Unterbeckens 90 beschränkt jedoch die Kapazitäten eines Pumpspeicherwerkes, sodass sich die Investitionen für das eigentliche Pumpspeicherwerk im Regelfall nicht lohnen.
Dieser Nachteil wird überwunden durch ein Pumpspeicherwerk bzw. eine Kraftwerkskomponente, wie sie in 2 gezeigt ist. 2 zeigt dabei eine Kraftwerkskomponente in einem Pumpspeicherwerk gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist wiederum ein Oberbecken 70 vorgesehen, das beispielsweise mit einer Staumauer 72 eingegrenzt wird. Ferner ist ein tieferliegendes Unterbecken 90 vorgesehen, das eine Wasseroberfläche bzw. eine Wasserlinie 91 aufweist, die um einen Höhenunterschied h_p tieferliegt als das Oberbecken 70. Fließtechnisch gesehen zwischen dem Oberbecken 70 und dem Unterbecken 90 befindet sich ein höhenverstellbares Maschinenhaus 110, in dem eine Aufnahme 112 für eine Turbine 20 vorgesehen ist. In der in der 2 gezeigten Abbildung ist in dieser Aufnahme bereits eine Turbine 20 vorgesehen. Ferner weist die in 2 gezeigte Ausführungsform eine Aufnahme 114 für eine elektrische Maschine 40 auf, wobei in der in 2 gezeigten Ausführungsform bereits eine Maschine 40 an dieser Aufnahme 114 vorgesehen ist. Die Turbine 20 und die elektrische Maschine 40 sind über eine mechanische Kopplung 124 derart miteinander gekoppelt, dass sowohl die Turbine 20 die elektrische Maschine antreiben kann, sodass diese in Generatorbetrieb arbeitet, als auch die elektrische Maschine 40 die Turbine als Pumpe antreiben kann, wenn die elektrische Maschine 40 als Motor arbeitet.
Neben dem Maschinenhaus 110 weist die Kraftwerkskomponente 100 ferner eine Höhenverstellvorrichtung 150 auf, die in der in 2 gezeigten Ausführungsform als schräg laufende Schiene vorgesehen ist. Die Schiene 151 ist dabei über Befestigungen 152 am oberen Ende mit einem Fundament 153 verbunden, sowie unmittelbar mit einem Fundament 153 unterhalb der Wasserlinie 91 des Unterbeckens 90 verbunden. Auf diese Weise ist es möglich mittels eines Führungselementes 115, das am höhenverstellbaren Maschinenhaus 110 vorgesehen ist, das höhenverstellbare Maschinenhaus entlang der Schiene 151 in der Höhe zu verfahren, sodass eine turbinenseitige Öffnung 29 eines unterbeckenseitigen Wasseranschlusses 119 oberhalb der Wasserlinie 91 des Unterbeckens 90 liegt. Der unterbeckenseitige Wasseranschluss 119 ist dabei mit einer unterbeckenseitigen Wasserleitung 89 verbunden, die bis unter die Wasserlinie 91 des Unterbeckens 90 reicht. Auf diese Weise kann durch die Turbine 20 im Pumpenbetrieb Wasser aus dem Unterbecken 90 angesogen werden. Die Kraftwerkskomponente 100 weist ferner einen oberbeckenseitigen Wasseranschluss 117 auf, der mit einer oberbeckenseitigen Wasserleitung 87 verbunden ist. Dabei stellt die oberbeckenseitige Wasserleitung 87 und die unterbeckenseitige Wasserleitung 89 eine Wasser-Zu- und -Abführung 80 bereit.
Da das Maschinenhaus 110 in der Höhe verstellbar ist, ist es notwendig, den oberbeckenseitigen Wasseranschluss in unterschiedlichen vertikalen Höhen des Maschinenhauses 110 an die Wasserleitung 80 anzubinden. Dies kann beispielsweise über ein flexibles Anschlussstück 81 erfolgen. Alternativ ist beispielsweise eine teleskopische Führung von Wasserrohren möglich, die entsprechend längenangepasst entsprechend der Position des höhenverstellbaren Maschinenhauses 110 einstellbar sind. Weiter alternativ ist auch eine diskrete Ankopplung des oberbeckenseitigen Wasseranschlusses 117 an die Wasserleitung 80 denkbar, sodass diskrete Ankoppelstellen vorgesehen sein können. Dies ermöglicht zwar im Regelfall keine kontinuierliche Verstellung im Betrieb des höhenverstellbaren Maschinenhauses 110, ermöglicht jedoch oft eine stabilere Ankopplung des oberbeckenseitigen Wasseranschlusses 117 an die Wasserleitung 80. Über die oberbeckenseitige Wasserleitung 87 gelangt das im Oberbecken 70 befindliche Wasser zum Maschinenhaus 110, und kann dort die Turbine 20 antreiben, um daraus elektrische Energie durch die als Generator arbeitende elektrische Maschine 40 zu erzeugen. Umgekehrt kann durch Einspeisung elektrischer Energie in die als Motor arbeitenden elektrische Maschine 40 Wasser, angesaugt aus dem Unterbecken 90 durch die als Pumpe arbeitende Turbine 20, über das oberbeckenseitige Wasserrohr 87 in das Oberbecken 70 zur potentiellen Energiespeicherung gepumpt werden.
Die Führungsschiene 151 ist in der in 2 gezeigten Ausführungsform vom Boden, d. h. der Fluroberfläche 2 beabstandet, sodass in den beabstandeten Bereichen im Wesentlichen keine oder nur eine geringe Kraft in den Boden eingeleitet wird. Die Krafteinleitung erfolgt dabei im Wesentlichen über die Fundamente 153, sodass auch in geologisch instabilen Erdschichten bzw. Regionen eine derartige Konstruktion aufgebaut werden kann.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Kraftwerkskomponente 100 bzw. das höhenverstellbare Maschinenhaus 110 über eine elektrische Verbindung 116 mit einem elektrischen Energieverteilungsnetz 50 verbunden. Dieses elektrische Energieverteilungsnetz kann beispielsweise elektrische Energie heranführen, um beispielsweise im Pumpbetrieb Wasser aus dem Unterbecken 90 in das Oberbecken 70 zu befördern. Umgekehrt kann bei einem Generatorbetrieb, bei dem das Wasser aus dem Oberbecken 70 beim Herabfließen durch die Wasserleitung 80 die Turbine 20 und damit den Generator 40 antreibt, elektrische Energie über die Verbindungsleitung 116 in das elektrische Energieversorgungsnetz 50 eingespeist werden. Die elektrische Verbindung 116 ist dabei so ausgestaltet, dass sie in unterschiedlichen Höhenpositionen des höhenverstellbaren Maschinenhauses das Maschinenhaus 110 bzw. die darin befindliche elektrischen Maschine 40 an das Energieverteilungsnetz 50 ankoppeln kann. Dies kann beispielsweise durch eine flexible Leitung erfolgen, oder durch einen kontinuierlichen oder diskreten Abgriff einer Stromschiene.
Die Höhenverstellvorrichtung 150 in Form einer Führungsschiene 151 kann beispielsweise auch integral verbunden sein mit der Wasserleitung 80, da sowohl die Führung als auch die Wasserzuleitung in unmittelbarer Nähe des Maschinenhauses 110 angeordnet sein müssen.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung bei der das höhenverstellbare Maschinenhaus 110 nicht schräg, d. h. mit einer vertikalen Komponente höhenverstellbar ist, sondern im Wesentlichen nur vertikal verstellbar ist. Dabei kann bei einem derartigen Pumpspeicherwerk 1 die Kraftwerkskomponente 100 mit dem höhenverstellbaren Maschinenhaus 110 derart ausgestaltet sein, dass das höhenverstellbare Maschinenhaus 110 auf der Wasseroberfläche 91 des Unterbeckens 90 aufschwimmt, sodass eine Höhenverstellung 150 über entsprechende Auftriebskräfte des höhenverstellbaren Maschinenhauses 110 erfolgt.
In der in 3 gezeigten Anordnung ist die elektrische Maschine 30 nicht mehr im höhenverstellbaren Maschinenhaus 110 vorgesehen, sondern davon räumlich getrennt in einem feststehenden Gebäudeteil, in dem sich beispielsweise ein Transformator 51 befinden kann, der an das elektrische Energieverteilungsnetz 50 angeschlossen ist. Auf diese Weise können die schweren Komponenten in Form eines Transformators und der elektrischen Maschine 30 in Bereichen des Pumpspeicherwerkes 1 angeordnet werden, die nicht einer Höhenverstellung unterliegen. Angekoppelt ist die Turbine 20 an die elektrische Maschine 30 über eine Ankopplungsvorrichtung 123, die beispielsweise über eine Welle erfolgen kann. Durch verschiedene Ankoppelpunkte oder Ankoppelbereiche entlang der Welle kann eine Ankopplung an unterschiedlichen Orten der Welle erfolgen, sodass eine Höhenverstellung des Maschinenhauses 110 vorgenommen werden kann. Dabei kann die Ankoppelvorrichtung 123 entweder ortsfest mit dem höhenverstellbaren Maschinenhaus 110 verbunden sein, sodass eine Ankopplung der elektrischen Maschine 30 variabel an beispielsweise einer Welle 123 erfolgt; jedoch kann diese Welle 123 auch ortsfest mit einem feststehenden Gebäudeteil angeordnet sein, und eine Ankopplung der Turbine 20 variabel an diese Welle 123 erfolgen.
Der unterbeckenseitige Wasseranschluss 119 sowie der oberbeckenseitige Wasseranschluss 117 an die unterbeckenseitige Wasserleitung 89 bzw. die oberbeckenseitige Wasserleitung 87 erfolgt analog wie in 2 beschrieben.
Das höhenverstellbare Maschinenhaus 110 kann beispielsweise unterschiedliche Höhenpositionen A, B, C, einnehmen, und somit mit dem unterbeckenseitigen Wasseranschluss 119 dem Wasserstand 91 folgen, wenn der Wasserspiegel in dem Unterbecken 90 abfällt bzw. ansteigt. Durch eine entsprechend flexible Anbindung des oberbeckenseitigen Wasseranschlusses 117 an die Wasserleitung 80, insbesondere die oberbeckenseitige Wasserleitung 87 kann eine höhenflexible Anordnung erfolgen. Obgleich dies in 3 nicht gezeigt ist, kann dies beispielsweise durch flexible Rohrleitungen, gelenkige Rohrleitungen oder teleskopförmige Rohrleitungen erfolgen. Dabei kann auch eine kontinuierliche Höhenverstellung und -ankopplung erfolgen, sodass sowohl im Pumpenbetrieb als auch im Generatorbetrieb der jeweilige Betrieb bei einer Höhenänderung des Wasserstandes 91 nicht unterbrochen werden muss.
Auf diese Weise können Speicherseen mit großer Tiefe genutzt werden, ohne dass dafür das Maschinenhaus druckwasserdicht ausgeführt werden muss. Dadurch ist der Energieaufwand beim Ansaugen geringer, sodass zugleich auch eine physikalisch begrenzte maximale Unterbeckentiefe t nicht mehr gegeben ist. Auf diese Weise können auch tiefere Unterbecken verwendet werden, die bei gleichem Wasserinhalt einen geringeren Flächenbedarf aufweisen. Ferner kann bei einem Generatorbetrieb, bei dem das Wasser aus dem Oberbecken 70 abläuft durch eine Höhenverstellung des Maschinenhauses 110 eine optimale Fallhöhe eingestellt werden.
Es sei Verstanden, dass die Anordnung und Aufteilung von ortsfesten Anlagenteilen, wie in 3 die Maschine 30 und die Ankopplung 123 etc. auch bei einer Schräganordnung gemäß 2 verwendet werden und umgekehrt.
Gleiche bzw. analoge Elemente sind in 3 mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie in 2. Diesbezüglich wird auf die Beschreibung in 2 verwiesen.
Der zu erzielende technische Vorteil soll anhand einer Rechnung verdeutlicht werden. Es wird von einer Größe des unteren Speichersees in quadratischer Form mit der Seitenlänge von 500 m und einer Tiefe von 30 m ausgegangen. Das Fallrohr zum volumenmäßig angepassten oberen Speichersee mit einer Tiefe von 10 m soll eine Höhendifferenz von 20 m überwinden. Die mittlere Fallhöhe beträgt somit die Summe der halben Füllstände der Speicherseen plus die Höhendifferenz des Fallrohrs, also insgesamt 40 m. Die gespeicherte Energie berechnet sich aus der Wassermasse m, der Fallbeschleunigung g und der Fallhöhe h: E_p = m·g·h_p
Die Masse wird aus der Dichte und dem Volumen bestimmt: E_p = ρ·V·g·h_p
Um das Ergebnis in kWh anstatt in Ws zu erhalten, wird die Gleichung um die Umrechnungsfaktoren ergänzt, man erhält eine zugeschnittene Größengleichung.
Setzt man hier die gegebenen Daten ein, erhält man für die im Oberbecken gespeicherte potenzielle Energie:
Die kann mit einem Gesamtwirkungsgrad von 80% in elektrische Energie umgerechnet werden.
Kann man wegen der Begrenzung der Ansaughöhe bei konventionellen Pumpspeicherwerken jedoch nur 10 m Wassertiefe im unteren Speichersee nutzen, verringert sich das nutzbare Volumen, die mittlere Fallhöhe sinkt bei feststehendem Maschinenhaus auf 25 m. Somit erhält man eine deutlich reduzierte Speicherleistung:
Es wird hiermit auch deutlich, dass eine Umrüstung bestehender Pumpspeicherwerke mit einer Vertiefung des unteren Speichersees und Erweiterung des oberen Speichersees unter Beibehaltung aller sonstigen Abmessungen zu einer deutlich erhöhten Speicherenergie führt. Das heißt, beim ”Entladen” kann die gleiche elektrische Leistung (falls Turbine und Generator aus Kostengründen nicht umgerüstet werden sollen) über eine wesentlich längere Zeit geliefert werden.
Eine Erhöhung der gespeicherten Energiemenge führt bei gleichen geologischen Randbedingungen zu einer wesentlich kürzeren Amortisationsdauer bzw. besseren Kapitalverzinsung des Pumpspeicherwerks.
Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen” bzw. „aufweisen” weitere Elemente oder Komponenten nicht ausschließt, ebenso so wie der Begriff „ein” und „eine” mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließen.
Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegen wird.

Claims

Kraftwerkskomponente für ein Pumpspeicherwerk (1), wobei die Kraftwerkskomponente (100) umfasst: ein Maschinenhaus (110) mit einer Aufnahmevorrichtung (112) für eine Turbine (20) und einem unterbeckenseitigen Wasseranschluss (119), eine Höhenverstellvorrichtung (150) zur Höhenverstellung des Maschinenhauses in Bezug auf ein Pumpspeicherwerk; wobei die Höhenverstellvorrichtung ausgelegt ist, das Maschinenhaus derart in der Höhe zu verstellen, dass der unterbeckenseitige Wasseranschluss in unterschiedlichen vertikalen Positionen (A, B, C) positionierbar ist.
Kraftwerkskomponente gemäß Anspruch 1, wobei die Höhenverstellvorrichtung (150) derart ausgelegt ist, dass der unterbeckenseitige Wasseranschluss (119) bezüglich einer turbinenseitigen Öffnung (29) in einer Position oberhalb einer Wasserlinie (91) eines Unterbeckens (90) positionierbar ist.
Kraftwerkskomponente gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, wobei das Maschinenhaus (110) eine Kraftübertragungsvorrichtung (123, 124) aufweist, die ausgelegt ist zur kraftübertragenden Ankopplung einer Turbine (20) mit einer elektrischen Maschine (30, 40).
Kraftwerkskomponente gemäß Anspruch 3, wobei die Kraftübertragungsvorrichtung (123) ausgestaltet ist eine bezüglich eines Pumpspeicherwerkes (1) ortsfeste elektrische Maschine (30) mit einer in dem höhenverstellbaren Maschinenhaus (110) angeordneten Turbine (20) in unterschiedlichen vertikalen Positionen (A, B, C) des Maschinenhauses anzukoppeln.
Kraftwerkskomponente gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Maschinenhaus (110) eine Aufnahmevorrichtung (114) für ein an eine Turbine (20) mechanisch ankoppelbare elektrische Maschine (40) aufweist und das Maschinenhaus ferner eine elektrische Energieübertragungsvorrichtung (116) aufweist zur elektrischen Ankopplung einer elektrischen Maschine (40) mit einem elektrischen Energieverteilungsnetz (50), wobei die elektrische Energieübertragungsvorrichtung ausgelegt ist ein bezüglich eines Pumpspeicherwerkes (1) ortsfestes elektrisches Energieverteilungsnetz (50) mit einer in dem höhenverstellbaren Maschinenhaus angeordneten elektrischen Maschine (40) in unterschiedlichen vertikalen Positionen (A, B, C) des Maschinenhauses anzukoppeln.
Kraftwerkskomponente gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Höhenverstellvorrichtung (150) eine bezüglich eines Pumpspeicherwerkes (1) ortsfeste Führungsschiene (151) und ein entlang der Führungsschiene bewegliches und mit dem Maschinenhaus (110) verbundenes Führungselement (115) aufweist, wobei das Führungselement ausgestaltet ist, um das Maschinenhaus höhenverstellbar entlang der Führungsschiene zu führen.
Kraftwerkskomponente gemäß Anspruch 6, wobei die Führungsschiene (151) integral mit einer Wasserleitungsvorrichtung (80) eines Pumpspeicherwerkes (1) ausgebildet ist.
Kraftwerkskomponente gemäß einem der Ansprüche 6 und 7, wobei die Führungsschiene (151) wenigstens teilweise beabstandet von einer Fluroberfläche (2) ist.
Kraftwerkskomponente gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Führungsschiene (151) wenigstens teilweise unterhalb einer Wasserlinie (91) eines Unterbeckens (90) gelagert ist.
Pumpspeicherwerk mit einer Kraftwerkskomponente nach einem Ansprüche 1 bis 9, wobei das Pumpspeicherwerk (1) eine mit einem Oberbecken (70) verbundene oberbeckenseitige Wasserleitung (87) und eine mit einem Unterbecken (90) verbundene unterbeckenseitige Wasserleitung (89) aufweist, wobei das Maschinenhaus (110) eine Turbine (20) aufweist, die mit dem unterbeckenseitigen Wasseranschluss (119) und einem oberbeckenseitigen Wasseranschluss (117) verbunden ist, wobei der unterbeckenseitige Wasseranschluss (119) in unterschiedlichen vertikalen Positionen (A, B, C) des Maschinenhauses (110) wasserführend an die unterbeckenseitige Wasserleitung (89) und der oberbeckenseitige Wasseranschluss (117) in unterschiedlichen vertikalen Positionen (A, B, C) des Maschinenhauses wasserführend an die oberbeckenseitige Wasserleitung (87) ankoppelbar ist.