DE102009057758A1

DE102009057758A1 - Unterirdischer Wasserspeicher zur Energiegewinnung und zur Wasserstandsregulierung eines Wasserlaufes

Info

Publication number: DE102009057758A1
Application number: DE102009057758A
Authority: DE
Inventors: Frank Hoferichter; Simon Franz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-12
Filing date: 2009-12-12
Publication date: 2011-06-16

Abstract

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft einen unterirdischen Wasserspeicher zur Energiegewinnung und zur Wasserstandsregulierung eines Wasserlaufes, der aus zwei Speicherstollensystemen 4 und 15 besteht, die am Oberlauf 1 eines Wasserlaufes bei Hochwasser über eine Einrichtung 5 gefüllt werden und die über Leitungen 7 und 10 sowie Turbinen 8 mit dem Mittellauf 2 und dem Unterlauf 3 zur Energieerzeugung verbunden sind, sowie untereinander über Leitungen 11, Turbinen 12 und Leitungen 14 zur Energiegewinnung verbunden sind, außerdem ist zusätzlich das Stollenspeichersystem 15 über Leitungen 17, 20 und 21 sowie Turbinen 18 mit dem Unterlauf 3 zur Energiegewinnung bei seiner Füllung verbunden, wobei die Turbinen 8, 12 und 18 elektrisch angetrieben, als Pumpen arbeitend, ausgeführt sind, um auch Wasser aus dem Unterlauf 3 und dem Mittellauf 2 in das Stollenspeichersystem 4 zu transportieren, wo es auch zur Wasserstandsregulierung bei Niedrigwasser am Oberlauf 1 und Mittellauf 2 nutzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein unterirdisches Bauwerk, das als Wasserspeicher zur Energiegewinnung und zur Wasserstandsregulierung genutzt wird.
Bekannt sind unterirdisch angelegte Stollen und Leitungssysteme für Wasserkraftwerke, die in Tälern gespeichertes Wasser (Stausee) zu tiefer gelegenen Turbinenhäusern leiten (Press „Wasserkraftwerke" 2. Auflage 1967, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn Berlin – Seite 185 bis 187 – Rhonekraftwerk Ernen-Mörel).
Diesen Wasserkraftwerken haften die Nachteile an, dass das Wasser oberirdisch gespeichert ist und dass die Speicher mit relativ geringer Speicherkapazität nur sinnvoll in Hochgebirgen angeordnet sind.
Weiterhin ist eine unterirdische Triebwasserführung für Wasserkraftwerke ( DE 19634001 A1 ) bekannt, die durch große Entfernungen zwischen Oberwasser und Unterwasser eine nutzbare Höhendifferenz erzeugt. Nachteilig bei dieser Erfindung ist, dass das aus dem Wasserlauf entnommene Wasser dessen Wasserstand senkt, d. h. bei Niedrigwasser kann keine Energie erzeugt und Niedrigwasser kann auch nicht ausgeglichen werden. Außerdem ist die Triebwasserführung, als Druckstollen mit schnellfließendem Wasserstrom ausgeführt, höchsten Belastungen ausgesetzt und stellt keinerlei Speicher zur Energieerzeugung dar, weil sie in Höhe der Turbinen angeordnet ist.
Außerdem sind Pumpspeicherwerke bekannt (Prospekt Pumpspeicherkraftwerk Markersbach von Vattenfall), bei denen zwischen einem hochliegenden und einem tiefliegenden Wasserspeicher Elektroenergie beim Herabfließen des Wassers in Spitzenzeiten des Strombedarf erzeugt wird, und in Stromüberschusszeiten wird das Wasser in umgekehrter Richtung gepumpt.
Pumpspeicherwerke dieser Art haben den Nachteil der einmal festgelegten Kapazität und Leistung, weil ihre einmal festgelegten Speicher in ihrer Kapazität nicht erweiterbar sind.
Das zu lösende technische Problem ist, ein unterirdisches Speicherstollensystem für Wasser so anzulegen, dass permanent über Turbinen Elektroenergie erzeugt wird und dann dabei gleichzeitig das gespeicherte Wasser zur Regulierung des Wasserstandes im Wasserlauf genutzt wird, d. h. es sollen katastrophale Hochwasser ebenso vermeidbar sein wie Schifffahrt und Ökologie gefährdendes Niedrigwasser.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zwischen Oberlauf 1, Mittellauf 2 und Unterlauf 3 eines Wasserlaufes ein Speicherstollensystem 4 angeordnet ist, das über eine Einrichtung 5 ab einem bestimmten Wasserstand des Wasserlaufes gefüllt wird. Entlüftungsleitungen 6 ermöglichen die Entlüftung des Speicherstollensystem 4, das über absperrbare Leitungen 7 mit Turbinen 8 und Leitungen 10 mit dem Mittellauf 2 und dem Unterlauf 3 verbunden ist.
Gleichzeitig ist das Speicherstollensystem 4 über absperrbare Leitungen 11 über Turbinen 12 und Leitungen 14 mit einem weiteren, tiefer als der Unterlauf 3 gelegenen, Speicherstollensystem 15 verbunden. Außerdem besitzt dieses Speicherstollensystem 15 Entlüftungsleitungen 16 und ist über absperrbare Leitungen 17 mit Turbinen 18 und Leitungen 20 und Leitung 21 mit dem Unterlauf 3 verbunden. Die Turbinen 8, 12 und 18 sind in bergmännisch hergestellten Kavernen 19 so angeordnet, dass sie abgabeseitig einen Betrag h₁, h₂, h₃ oder h₄ unter dem Niveau des Wasserspiegels liegen. Absperrbare Bypassleitungen 9 und 13 sind so angeordnet, dass der Wasserstrom auch auf schnellstem Wege, vorbei an den Turbinen 8 und 12, zum Abfluss in den Unterlauf 3 bzw. in das untere Speicherstollensystem 15 gelangt.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass am Oberlauf 1 eines Wasserlaufes die Wassermenge die den normalen Wasserspiegel übersteigt in das Speicherstollensystem 1 fließt und anschließend von diesem über die Leitung 11 und Turbine 12 das tiefer gelegene Speicherstollensystem 15 gelangt. Speicherkapazitäten der Speicherstollensysteme 4 und 15 sind so groß, dass Hochwasserschäden vermieden werden können. Beim Füllen des Speicherstollensystem 15 wird in den Turbinen 12 Strom erzeugt. Außerdem wird durch die Turbinen 8 zwischen dem Speicherstollensystem 4 und dem Mittellauf 2 bzw. dem Unterlauf 3 Strom erzeugt.
Bei Niedrigwasser am Oberlauf 1 erzeugen die Turbinen 8 Strom und erhöhen den Wasserstand am Mittellauf 2 und am Unterlauf 3 indem Wasser aus dem Speicherstollensystem 4 entnommen wird.
Gleichzeitig wird bei Niedrigwasser am Oberlauf 1 das tiefliegende Speicherstollensystem 15 indem die Turbinen 12 und 18 als Pumpen arbeiten, wieder geleert. Diese Entleerung geschieht- wie bei Pumpenspeicherwerken – in der Nacht, wenn Elektroenergie als Überschuss anliegt, wodurch sich der Wirkungsgrad der Grundlastkraftwerke verbessert. Vorzugsweise erfolgt die Entleerung des Speicherstollensystems 15 in das Speicherstollensystem 4.
Damit ergibt sich der Vorteil, dass bei Niedrigwasser am Oberlauf 1 in den Nachtstunden, wenn Überschuss an Elektroenergie anliegt, Wasser aus dem Unterlauf 3 über die energieerzeugenden Turbinen 18 und das Speicherstollensystem 15 und die, als Pumpen arbeitenden Turbinen 12 oder über die als Pumpen arbeitenden Turbinen 8 Wasser in das Speicherstollensystem 4 gelangt und so den Wasserstand am Oberlauf 1 erhöht. Nur wenn das Speicherstollensystem 4 gefüllt ist und am Oberlauf 1 und Mittellauf 2 Hochwasser herrscht erfolgt die Entleerung des Speicherstollensystems 15 in den Unterlauf 3.
Die Leistungen, die die Turbinen 8, 12 und 18 erzeugen, werden durch die Durchflussmengen und die Höhendifferenzen H₁, H₂, H₃ und H₄ bestimmt.
Bei Hochwasser am Oberlauf 1 soll das Wasser auf schnellstem Wege zum Mittellauf 2, sofern dort noch kein Hochwasser ist bzw. zum Unterlauf 3 geleitet werden.
Wenn die abgeführte Wassermenge über die Turbinen 8 vergrößert werden muss, dann sind die absperrbaren Bypassleitungen 9 und 13 für den schnellen Wasserabfluss vorhanden, wobei die Turbinen 18 mit dem Druck der Höhendifferenz H₃–H₄ Strom erzeugen, bis die Leitung 13 geschlossen ist.
Aus der Speicherung des Wassers am Oberlauf, das über dem normalen Wasserstand einer Einrichtung 5 in ein unterirdisches Speicherstollensystem strömt, ergeben sich neben den Vorteilen der Energiegewinnung, Vermeidung von Hochwasser und Regulierung des Wasserstandes für die Schifffahrt folgende weitere Vorteile:
Die unterirdischen Speichersysteme vermeiden künstliche Stauseen, sie sind sicher vor Gewalteinflüssen, sie zerstören nicht oberirdische Landschaften und sie ermöglichen eine bessere Auslastung und Erhöhung des Wirkungsgrades von bestehenden Kraftwerken und sie erzeugen keinerlei schädliche Nebenprodukte.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt, und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 Geländeansicht auf einen Wasserlauf
2 Schnitt A-A der Geländeansicht
3 Schnitt B-B aus dem Schnitt A-A
Bei Hochwasser am Oberlauf 1 läuft über die Einrichtung 5 das Speicherstolensystem 4 voll Wasser. Wenn am Mittellauf 2 auch Hochwasser ansteht, dann wird dieses durch die rückwärts getriebenen Turbinen 8 ebenfalls in das Speicherstollensystem 4 befördert, bis das Speicherstollensystem 4 z. B. mit 5 Mio. m³ Wasser gefüllt ist.
Wenn am Mittellauf 2 und am Unterlauf 3 kein Hochwasser herrscht, dann erzeugen die Turbinen Strom und das Speicherstollensystem 4 füllt sich langsamer. Bei starkem Hochwasser wird Wasser auch durch die Leitungen 9 vom Oberlauf 1 direkt in den Unterlauf 3 geleitet.
Während der Füllzeit des Speicherstollensystems 4 fließt das Wasser außerdem über die Leitungen 11, die Turbine 12 und die Leitungen 14 in das Speicherstollensystem 15. Dabei erzeugt die Turbine 12 Strom, bis das Speicherstollensystem 15 ebenfalls mit z. B. 5 Mio. m³ Wasser gefüllt ist.
Um diesen Füllvorgang zu verzögern wird über die Turbine 18, die rückwärts als Pumpe angetrieben ist, nachts bei Elektroenergieüberschuss Wasser über die Leitung 17 in den Unterlauf 3 gepumpt.
Bei Niedrigwasser am Oberlauf 1 und Mittellauf 2 pumpen die Turbinen 12 Wasser vom Stollenspeichersystem 15 in das Stollenspeichersystem 4, wo es über die Einrichtung 5 den Oberlauf 1 und über die Turbinen 8 den Mittellauf 2 mit Wasser ergänzt.
Dabei erzeugen die Turbinen 8 am Mittellauf 2 Strom. Dieser Vorgang erfolgt vorzugsweise nachts, weil mehr Energie verbraucht als erzeugt wird. Die Kapazitäten der Turbinen 8, 12 und 18 sind so ausgelegt, dass täglich unter Berücksichtigung des Zulaufes vom Oberlauf 1, während der Bedarfszeit für Elektroenergie – z. B. über 15 Stunden – Strom erzeugt wird und in der Überschusszeit Strom zum Füllen der Speicher – z. B. über 9 Stunden – verbraucht wird. Dieser Verbrauch ist nur erforderlich, wenn der Zufluss vom Oberlauf 1 nicht ausreichend ist.
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 19634001 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Press „Wasserkraftwerke” 2. Auflage 1967, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn Berlin – Seite 185 bis 187 – Rhonekraftwerk Ernen-Mörel [0002]

Claims

Unterirdischer Wasserspeicher zur Energiegewinnung und zur Wasserstandsregulierung eines Wasserlaufes, der auf Niveau des Oberlaufes 1 eines Wasserlaufes als Speicherstollensystem 4 so angeordnet ist, dass dem Speicherstollensystem 4 über eine Einrichtung 5 ab einem bestimmten Wasserstand das Wasser zuläuft und dass nach Füllung des Speicherstollensystem 4 das Wasser über absperrbare Leitungen 7, über Turbinen 8 und Leitungen 10 dem Mittellauf 2 und dem Unterlauf 3 zu geführt wird.
Unterirdischer Wasserspeicher zur Energiegewinnung und zur Wasserstandsregulierung eines Wasserlaufes dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine 8 als Pumpturbinen ausgeführt sind und das Wasser auch umgekehrt vom Mittellauf 2 und Unterlauf 3 in das Speicherstollensystem 4 fördern.
Unterirdischer Wasserspeicher zur Energiegewinnung und zur Wasserstandsregulierung eines Wasserlaufes dadurch gekennzeichnet, dass absperrbare Leitungen 9 zwischen Speicherstollensystem 4 und Mittellauf 2 bzw. Unterlauf 3 so angeordnet sind, dass sie die Turbinen 8 umgehen.
Unterirdischer Wasserspeicher zur Energiegewinnung und zur Wasserstandsregulierung eines Wasserlaufes dadurch gekennzeichnet, dass Entlüftungsleitungen 6 das Stollenspeichersystem 4 mit der Tagesoberfläche verbinden.
Unterirdischer Wasserspeicher zur Energiegewinnung und zur Wasserstandsregulierung eines Wasserlaufes dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Speicherstollensystem 15 auf einem tieferen Niveau, vorzugsweise unter dem Niveau des Unterlaufes 3, so angeordnet ist, dass es durch absperrbare Leitungen 11 über Turbinen 12 und Leitungen 14 mit dem Speicherstollensystem 4 verbunden ist und außerdem über absperrbare Leitungen 20 und 21, Turbinen 18 sowie absperrbare Leitungen 17 mit dem Unterlauf 3 verbunden ist.
Unterirdischer Wasserspeicher zur Energiegewinnung und zur Wasserstandsregulierung eines Wasserlaufes dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinen 12 und 18 als Pumpturbinen ausgeführt sind und die Turbinen 18 Wasser auch umgekehrt vom Speicherstollensystem 15 in den Unterlauf 3 fördern und die Turbinen 12 Wasser vom Speicherstollensystem 15 in das Speicherstollensystem 4 fördern.
Unterirdischer Wasserspeicher zur Energiegewinnung und zur Wasserstandsregulierung eines Wasserlaufes dadurch gekennzeichnet, dass Entlüftungsleitungen 16 das Speicherstollensystem 15 mit der Tagesoberfläche verbinden.
Unterirdischer Wasserspeicher zur Energiegewinnung und zur Wasserstandsregulierung eines Wasserlaufes dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Speicherstollensystem 4 und dem Speicherstollensystem 15 absperrbare Leitungen 13 angeordnet sind.