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Die Erfindung betrifft ein Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerk gemäß Anspruch 1.
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Aus der
DE 2927498 A1 ist ein Pumpspeicherkraftwerk bekannt, das einen unter Wasser verankerten oder erbauten, allseitig geschlossenen Hohlkörper aufweist, der über eine Ausgleichsverbindung mit der Atmosphäre verbunden ist und eine Pumpe und eine Turbine aufweist, um Energie durch Entleeren des Hohlkörpers zu speichern und durch Füllen zurückzugewinnen. Ein wesentlicher Nachteil besteht bei dem bekannten Pumpspeicherkraftwerk darin, daß der Behälter zur Aufnahme der bei leerem Behälter wirkenden Auftriebskräfte am Gewässerboden verankert werden muss, was bei großem Innenvolumen kaum praktikabel (da konstruktiv sehr aufwändig) ist.
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Weiterhin ist ein anderes Prinzip eines Pumpspeicherkraftwerkes bekannt geworden, mit einem Hochdruck-Wasserspeicher, der aus einem künstlichen, vollständig umschlossenen Hohlraum besteht (z. B. eine Betonkugel), mit der der Wasserdruck in großer Meerestiefe (z. B. tiefer als 500 m) als Gegendruck genutzt werden kann (FAZ vom 01.04.2011). Aus der
US 3,504,648 A ist etwas Ähnliches bekannt. Hierbei ist allerdings nachteilig, dass die Kugel sehr hohen Drücken standhalten muss.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerk mit einem zu entleerenden und zu füllenden Hohlkörper anzugeben, bei dem die bauliche Ausführung des Hohlkörpers zweckmäßiger gestaltet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 gelöst. Dadurch, dass der Hohlkörper eine offene Grundfläche aufweist und die untere Begrenzung des Hohlkörpers wasserdicht mit einem wasserundurchlässigen Gewässeruntergrund verbunden ist, entsteht auch in entleertem Zustand kein hydrostatischer Auftrieb, der das Eigengewicht des Hohlkörpers übersteigt, so dass eine Verankerung am Gewässerboden nicht erforderlich ist, bzw. lediglich auf relativ geringe Haltekräfte ausgelegt werden kann.
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Eine weitere Verbesserung gegenüber einem konventionellen Pumpspeicherkraftwerk wird dadurch erreicht, dass sich der Hohlkörper mit Ausnahme der Ausgleichsverbindung vollständig unter der Wasseroberfläche befindet und daher das Pumpspeicherkraftwerk ohne nachteilige Auswirkungen auf das Landschaftsbild errichtet werden kann.
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Der Hohlkörper bzw. dessen Wandung ist bevorzugt bezüglich einer vertikalen Achse rotationssymmetrisch ausgebildet, bspw. hohlzylindrisch, hohlkugelabschnittsförmig, etwa halb-hohlkugelförmig, hohlkegel- oder hohlkegelstumpfförmig. Auch eine Kombination derartiger Formen ist möglich, bspw. ein hohlzylindrischer oder hohlkegelstumpfförmiger unterer Teil und ein nach oben konvexer, halbkugelförmiger Abschluss. Dadurch wird eine günstige Kräfteverteilung in der Wandung erreicht. Bei Formen, deren horizontale Querschnittsfläche zumindest abschnittsweise mit der Tiefe zunimmt, ergibt sich zudem eine gute Ausnutzung des Gesamtvolumens im Hinblick auf die maximal zu speichernde Energie.
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Ein oberster Wandungsbereich des Hohlkörpers liegt unterhalb der Wasseroberfläche und kann bspw. mindestens 1 m, 5 m, 10 m, 15 m, 20 m, 30 m oder mehr darunter angeordnet sein, wobei er zweckmäßigerweise ausreichend tief unter der Wasseroberfläche angeordnet ist, um auf dem Gewässer verkehrenden Wasserfahrzeugen eine ungehinderte Überfahrt zu ermöglichen.
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Die Ausgleichsverbindung kann einen freien Strömungsquerschnitt von mindestens 0,1, 0,5, 1, 2, 3 oder 5 m2 aufweisen.
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Eine oder mehrere Pumpe(n) und eine oder mehrere Turbine(n) können als Kombiaggregat(e) (Pumpturbine(n)) ausgebildet sein.
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Eine oder mehrere Pumpe(n) und eine oder mehrere Turbine(n) sind vorzugsweise nahe am Gewässerboden angeordnet, insb. höchstens 10 m oberhalb eines tiefsten Punkts des Hohlkörpers.
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Es kann vorteilhaft sein, mehrere Turbinen und/oder mehrere Pumpen in paralleler Anordnung vorzusehen, bspw. zwei, drei, vier, fünf oder mehr, um eine vergleichmäßigte bzw. nach dem aktuellen Bedarf steuerbare Leistungsabgabe bei der Befüllung und/oder Leistungsaufnahme bei der Entleerung des Hohlkörpers zu erreichen. Dies ermöglicht es, das System unabhängiger vom aktuellen Füllstand (und dem dadurch vorgegebenen hydrostatischen Druck) gemäß dem energiewirtschaftlichen Bedarf zu steuern.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf eine Zeichnung Bezug genommen wird, in der
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1 schematisch ein erfindungsgemäßes Pumpspeicherkraftwerk erläutert,
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2 eine Variante mit einem hohlkegelförmigen Hohlkörper zeigt, und
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3 und 4 Füll- und Entnahmevorgänge erläutern.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Pumpspeicherkraftwerkes. Ein Hohlkörper 2 mit bezüglich einer vertikalen Achse 3 hohlzylindrischer Form, der bspw. aus Beton hergestellt ist, befindet sich innerhalb eines Gewässers 4, bspw. eines Sees oder im Meer, unterhalb einer Wasseroberfläche 6. Der Hohlkörper besitzt eine einen Innenraum 7 umschließende Wandung 8, die an einer Unterseite des Hohlkörpers einen umlaufenden Umfangsrand 10 aufweist. Die Wandung 8 sitzt entlang des gesamten Umfangsrands 10 auf einem wasserundurchlässigen Gewässeruntergrund 12a auf und ist wasserdicht mit diesem verbunden. Der Umfangsrand 10 umschließt eine Grundfläche 13 des Hohlkörpers.
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Der wasserundurchlässige, bspw. steinige oder felsige Gewässeruntergrund 12a kann bei sedimentarmen Gewässerböden mit einem Gewässerboden 12, über dem der eigentliche Wasserkörper des Gewässers beginnt, übereinstimmen. In anderen Fällen kann sich über dem wasserundurchlässigen Gewässeruntergrund 12a bspw. eine wasserdurchlässige und ggf. weiche Sedimentschicht, Schlammschicht o. ä., über der der Wasserkörper erst beginnt, erstrecken, die für eine wasserdichte Verbindung mit der Wandung 8 nicht geeignet ist. Eine derartige Schicht ist in 1 zwischen dem Gewässerboden 12 und dem Gewässeruntergrund 12a gepunktet angedeutet.
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Der Hohlkörper 2 ist über eine Belüftungs- oder Ausgleichsverbindung 14, die von einem obersten Bereich des Hohlkörpers ausgeht und bspw. durch die Wasseroberfläche 6 oder den angrenzenden Uferbereich hindurch verläuft, mit der Atmosphäre verbunden, um ein ungehindertes Ein- oder Ausströmen von Luft, als Ausgleich für das Aus- oder Einströmen von Wasser, in den oder aus dem Hohlkörper zu ermöglichen. Die Ausgleichsverbindung hat einen freien Strömungsquerschnitt, der klein ist bezogen auf eine mittlere horizontale Querschnittsfläche des Innenraums 7 des Hohlkörpers, bspw. weniger als 10%, 5%, 1%, 0,5% oder 0,1% davon, bspw. weniger als 0,1, 0,5, 1, 2, 3, oder 5 m2, und ragt nur wenig über die Wasseroberfläche empor, bspw. um eine Höhe h von weniger als 0,5 m, 1 m, 2 m oder 5 m.
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In der Wandung 8 des Hohlkörpers sind mindestens eine Pumpe 20 und mindestens eine Turbine 22 angeordnet, wobei ein Einlass 20a der Pumpe 20 mit dem Gewässer 4 und ein Auslass 20b der Pumpe 20 mit dem Innenraum 7 in Verbindung steht, und ein Einlass 22a der Turbine mit dem Innenraum 7 und ein Auslass 22b der Turbine 22 mit dem Gewässer 4 in Verbindung steht. Jeder Einlass 20a und/oder Auslass 20b einer jeden Pumpe sowie jeder Einlass 22a und/oder Auslass 22b einer jeden Turbine 22 ist bzw. sind mit einer gesteuerten Schließeinrichtung zu öffnen oder zu verschließen.
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Es kann vorgesehen sein, dass Pumpe(n) 20 und Turbine(n) 22 möglichst tief angeordnet sind, d. h. möglichst nahe an einem tiefsten Punkt der Grundfläche 13, um den Innenraum 7 weitestgehend entleeren zu können.
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Stromleitungen 26, die bspw. mit einem Kraftwerk oder einem Stromnetz verbunden sein können, führen zu Pumpe und Turbine und dienen der Zu- und Ableitung elektrischer Energie. Ein Antrieb der Pumpe führt bei Entleerung des zumindest teilweise wassergefüllten Hohlkörpers zur Speicherung von (potentieller) Energie gegen den hydrostatischen Druck des umgebenden Gewässers, während ein Betrieb der Turbine bei Einströmen von Wasser in den zumindest teilweise leeren Hohlkörper Energie freisetzt.
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Somit dient (dienen) die Turbine(n) der Gewinnung von (freiwerdender) elektrischer Energie aus einer Druckdifferenz zwischen dem Gewässer und dem Innenraum des Hohlkörpers und dem daraus resultierenden Wasserfluss vom Gewässer in das Innere des Hohlkörpers durch eine Öffnung im Hohlkörper, in der sich die Turbine befindet, bei Anhebung des Wasserspiegels im Hohlkörper, während die Pumpe(n) der Umwandlung und damit Speicherung von (zugeführter) elektrischer Energie in potentielle Energie mit dem durch die Pumpe(n) erzeugten Wasserfluss vom Inneren des Hohlkörpers in das Gewässer, durch eine Öffnung im Hohlkörper, gegen die Druckdifferenz zwischen dem Gewässer und dem Innenraum des Hohlkörpers und der damit verbundenen Absenkung des Wasserspiegels im Hohlkörper dient (dienen).
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Turbine(n) und Pumpe(n) können, müssen aber nicht identisch sein (Pumpturbine(n)).
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2 zeigt eine Variante, bei der der Hohlkörper eine hohlkegelförmige Gestalt hat. Dabei befindet sich der Innenraum 7 unter der Annahme gleichen Volumens im Mittel tiefer unter der Wasseroberfläche 6 als bei der Ausführung nach 1, so dass mehr Energie gespeichert werden kann.
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Anwendungsbeispiel
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Ausführung
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Ausführung als zylindrischer Turm aus Stahlbeton, senkrecht in einem großen Wasserkörper stehend (Beispiel hier: Bodensee), vereinfachend mit einem oberen Abschluss als Scheibe. Anordnung der Turbinen/Pumpen-Einheit als Francisturbine am unteren Ende des Turms auf Seebodenhöhe.
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Abmessungen
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- Annahme: Volumen des Hohlkörpers (Innenraum) V = 10 Mio. m3.
- Annahme: Höhe des Hohlkörpers H = 150 m.
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Daraus folgt bei Zylinderform für den Innenradius rinnen = Wurzel (V/Pi·H) = 145 m
- Annahme: Wandstärke der Wandung am unteren Ende T = 1,8 m
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Daraus folgt für den Aussenradius raussen = rinnen + T = 146,8 m
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Auswirkung auf den Seespiegel
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- Annahme: Seefläche Asee = 500 km2 (entspricht der Größenordnung des Bodensees).
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Daraus folgt mit dHSee = d Volumen/ASee = 0,018 m ~ 2 cm Wasserstandsänderung im See infolge einer Füllung/Entleerung des Hohlkörpers.
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Überschlägige Bemessung des Bauteils
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Zylinderwandstärke
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- • Bemessung erfolgt am Ort größten Beanspruchung: am Boden des Gewässers.
- • Angreifende Last ist der hydrostatische Wasserdruck, der senkrecht auf die Bauteiloberfläche wirkt
- • Hydrostatischer Druck P = ρWasser·g·H = 1000 km/m3·9,81 m/s2·150 m = 147,15 kN/m2
- • Ringdruckspannung im Bauteil
– PR = P·raussen/T
– Gilt nach DIN 2413 für dünnwandige Bauteile mit raussen/rinnen <= 1,2
– Nachweis: 146,8 m/145 m = 1,01 → Nachweis erbracht
- • Bemessung erfolgt überschlägig nach DIN 1045
– Annahme Beton C30/37, Anforderung nach Expositionsklasse XC2: min C16/20 erfüllt
– Bemessungswert Widerstand
i) Wb = Abschlag Betonfestigkeit·Betonfestigkeit/Sicherheitsabschlag = 0,85·30000 kN/m2/1,5 = 17000 kN/m2
– Bemessungswert Einwirkung
i) Eb = Sicherheitszuschlag Einwirkung·Einwirkung = 1,35·147,15 kN/m2 = 198,65 kN/m2 (hydrostatischer Druck)
ii) Eb = P·raussen/T = 198,65 kN/m2·146,8 m/1,8 m = 16201 kN/m2 (Ringdruckspannung im Bauteil)
– Nachweis
i) Bemessungswert Widerstand > Bemessungswert Einwirkung (Wb > Eb)?
ii) 17000 kN/m2 > 16201 kN/m2 → Nachweis erbracht
- • Weitere angreifende Kräfte
– Auftriebskräfte: Wenn der Anschluss an den Gewässer- bzw. Seeboden bündig und wasserdicht ist, also kein hydrostatischer Wasserdruck unterhalb der dem Zylinderboden entsprechenden Grundfläche des Hohlkörpers wirkt und daher auf den Hohlkörper keine Auftriebskräfte wirken, fällt neben dem hydrostatischen Druck an der Zylinderwand nur die am oberen Zylinderabschluss, unter der Wasseroberfläche, nach unten wirkende hydrostatische Druckkraft als Auflast an. Das heißt dass selbst bei vollständig entleertem Behälter keine Nettoauftriebskräfte anfallen.
– Strömungskräfte: Sind in einem stehenden Gewässer nicht maßgebend
– Anprallkräfte: Falls das Bauwerk bis kurz unter die Gewässeroberfläche ragt, sind Anprallkräfte durch Schiffe etc. als außergewöhnlicher Lastfall zu berücksichtigen
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Oberer Zylinderabschluss
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Die Dimensionierung hängt stark von der gewählten Form des Abschlusses (Platte, Kegel, Halbkugel) und der Wassertiefe (Größe des hydrostatischen Drucks) ab und wird daher hier nicht geführt. Je näher der Zylinderabschluss in Richtung der Wasseroberfläche ausgeführt wird, desto geringer ist der darauf lastende hydrostatische Druck.
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Betonvolumen
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- Annahme: oberer Abschluss (V1): Durch Platte mit Wandstärke 1,8 m
- Annahme: Zylinderwandung (V2): Gleichbleibende Wandstärke von 1,8 m über die gesamte Höhe
- Annahme Fundamentierung als Ring (V3): 1,8 m Dicke, Überstand nach innen und außen 2 m V1 = Pi·raussen 2·Wandstärke = 121863 m3 V2 = Pi·(raussen 2 – rinnen 2)·Höhe = 247513 m3 V3 = = Pi·(raussen + 2 m2 – rinnen – 2 m2)·Höhe = 9570 m3 Vgesamt = V1 + V2 + V3 = 378946 m3
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Bemessung von Turbine und Pumpe
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Allgemeines
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- • Annahme: geforderte maximale Leistung Pmax = 200 MW
- • Bezugshorizont ist der Gewässerboden
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Auswahl Turbine
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- • Druckhöhenspektrum im Betrieb: 150 m – 0 m → Francisturbine
- • Es erfolgt nur eine überschlägige Berechnung ohne Auswahl einer optimalen Turbinenzahl oder der Anzahl der Polpaare oder ggf. erforderlicher Frequenzumrichter.
- • Annahme: Anzahl Maschinensätze = 1
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Ermittlung des notwendigen Turbinendurchflusses Q bei der Energieerzeugung
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- • Annahme: Gesamtwirkungsgrad der Anlage im Turbinenbetrieb μ = 0,85
- • Annahme: Es erfolgt keine Änderung des Turbinenwirkungsgrades bei Teillast
- • Mit P = ρWasser·g·Q·dh·μ und P = Pmax = gegeben und dh = dhmax = maximaler Druckhöhenunterschied zwischen See und Behälterinnerem → Qmax = 160 m3/s
- • Annahme: Formbeiwert für die Zuflussöffnung (gut abgerundete Verhältnisse): μöffnung = 0,95
- • Mit Qmax = 160 m3/s ergibt sich die notwendige Öffnungsfläche zu A = Qmax/v = Qmax/(μöffnung·Wurzel(2·g·dh)) = 3,1 m2
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Leistung und Arbeit
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- • Der Zufluss zum Speicher ist abhängig vom Druckhöhenunterschied zwischen See und Behälter. Damit ist auch die Leistungsentnahme zeitlich über den Befüllungsvorgang variabel (siehe 3 und 4).
- • Die Gesamtarbeit, die durch einen Befüllungsvorgang verrichtet werden kann, kann über den Gesamtwirkungsgrad und die potentielle Energie des Wassers im Behälter abgeschätzt werden:
– Epot = μ·ρWasser·g·Vbehälter·hmittel = 0,85·1000 kg/m3·9,81 m/s2·10·106 m3·150/2 m = 1737187 kWh
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3 erläutert einen Füllvorgang bei einer ungeregelten Turbine mit 200 MW Leistung bei 150 m Druckdifferenz (exponentielle Abnahme der abrufbaren Leistung, nach 5 Stunden noch ca. 125 MW Leistung).
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4 zeigt beispielhaft einen entsprechenden Füllvorgang bei mehreren, in diesem Fall 5 parallel angeordneten regelbaren Turbinen mit je 200 MW Leistung bei 20 m Druckdifferenz (über ca. 8 Stunden konstant abrufbare Leistung in der Größenordnung von 200 bis 250 MW). Es wird mit steigendem Wasserstand im Behälter, d. h. mit zurückgehendem Eintrittsdruck in die Turbinen, schrittweise je eine weitere Turbine in Betrieb genommen, um durch steigenden Durchsatz den sinkenden Druck auszugleichen und eine annähernd konstante bzw. eine andere, bedarfsorientierte Abgabeleistung zu erzielen.
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Wenn mehrere Turbinen vorgesehen sind, müssen diese nicht alle in maximaler Tiefe angebracht sein, sondern können in n unterschiedlichen Tiefenniveaus angeordnet sein, insbesondere in gegenseitigen vertikalen Abständen der Tiefenniveaus, die einem Teil 1/n der Tiefe, in der eine tiefste Turbine 22 in einem untersten Tiefenniveau unterhalb des Wasserspiegels 6 angeordnet ist, entsprechen. Das unterste Tiefenniveau befindet sich zweckmäßigerweise in geringstmöglichem Abstand über einem tiefsten Punkt des Gewässerbodens 12 oder des Gewässeruntergrunds 12a, wobei ein gewisser Abstand von bspw. mindestens 1 m, 2 m, 5 m, 10 m sinnvoll ist, um nicht zuviel Sedimentmaterial aufzuwirbeln oder einzusaugen.
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Beispielsweise können 5 Turbinen oder Gruppen von Turbinen in vertikalen Abständen von 20% der Tiefe, in der die unterste Turbine sitzt, angeordnet sein. Bei einer maßgeblichen Wassertiefe (Abstand zwischen Wasseroberfläche 6 und tiefstem Punkt von Gewässerboden 12 oder Gewässeruntergrund 12a innerhalb der Grundfläche 13) von 200 m kann die Tiefe der untersten Turbine bspw. 190 m betragen, wobei die weiteren 4 Turbinen bzw. Gruppen von Turbinen in jeweils ca. 38 m Vertikalabstand darüber angeordnet sein können (Tiefen von 190 m, 152 m, 114 m, 76 m und 38 m). Dadurch kann die Wartung vereinfacht werden, die Zuleitungen werden kürzer und die Belastung durch statischen Wasserdruck ist geringer als bei Anordnung sämtlicher Turbinen in größtmöglicher Tiefe.
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Unter Berücksichtigung der Auslegung einer jeden Turbine für einen bestimmten Druck- und Durchsatzbereich kann es sinnvoll sein, bei der vorgenannten tiefengestaffelten Anordnung die Turbinen mit abnehmender Tiefe für die dort herrschenden geringeren Druckdifferenzen und daraus resultierenden größeren Durchsätze auszulegen, um derjenigen Zunahme des Füllvolumenstroms mit zunehmendem Füllstand im Hohlkörper, die zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Leistungsabgabe anzustreben ist, Rechnung zu tragen.
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Entsprechendes gilt für die Pumpen. Es können mehrere Pumpen in paralleler Anordnung vorgesehen sein, wobei am Anfang eines Entleerungsvorgangs bei relativ geringen Druckunterschieden zwischen Pumpeneinlass und -auslass alle oder mehrere Pumpen in Betrieb genommen werden können, um einen großen Durchsatz zu erzielen und insgesamt eine relativ große Leistung aufzunehmen. Bei abnehmendem Füllstand im Behälter und zunehmenden Druckunterschieden zwischen Pumpeneinlass und -auslass können die Pumpen sukzessive abgeschaltet werden, und zum Ende des Entleerungsvorgangs bei relativ großen Druckunterschieden kann bspw. vorgesehen sein, dass nur noch eine einzige Pumpe mit relativ großer Leistungsaufnahme arbeitet.
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Ebenso wie für die Turbinen gilt, dass wenn mehrere Pumpen vorgesehen sind, diese nicht alle in maximaler Tiefe angebracht sein müssen, sondern in n unterschiedlichen Tiefenniveaus angeordnet sein können, bspw. in gegenseitigen vertikalen Abständen der Tiefenniveaus, die in etwa einem Teil 1/n der Tiefe, in der die tiefste Pumpe in einem untersten Tiefenniveau unterhalb des Wasserspiegels angeordnet ist, entsprechen. Auf jedem Tiefenniveau kann eine Pumpe oder können mehrere Pumpen angeordnet sein.
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Weiterhin kann es unter Berücksichtigung der Auslegung einer jeden Pumpe für einen bestimmten Druck- und Durchsatzbereich sinnvoll sein, bei der vorgenannten tiefengestaffelten Anordnung die Pumpen mit zunehmender Tiefe für die dort herrschenden größeren Druckdifferenzen und kleineren Durchsätze auszulegen, um derjenigen Abnahme des Entleerungsvolumenstroms mit abnehmendem Füllstand im Hohlkörper, die zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Leistungsaufnahme anzustreben ist, Rechnung zu tragen.
