DE102012011954A1

DE102012011954A1 - Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil.

Info

Publication number: DE102012011954A1
Application number: DE201210011954
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2013-12-19
Anticipated expiration: 2032-06-19
Also published as: DE102012011954B4

Abstract

Für die Zwischenspeicherung großer Energiemengen aus Windenergie- und Solaranlagen, ist es bekannt, Pumpspeicher einzusetzen. Aufgrund ihrer Erfordernisse – großer Flächenbedarf durch zwei Wasserspeicher in unterschiedlich hohen Lagen – sind die Möglichkeiten für neue Bauten naturgemäß sehr begrenzt. Hinzu kommt, dass ihre Effizienz gering ist, ihre Baukosten dagegen hoch sind. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass eine Errichtung aufgrund ihrer massiven Größe tief in die Natur eingreift und deshalb von vielen Bürgern abgelehnt wird. Aufgrund des hohen Zuwachses an Wind- und Solaranlagen wird der schon heute große Mangel an Speicherkapazitäten extrem zunehmen. Deshalb werden, um zukünftig die enormen, wechselhaften Strommengen aus Windkraft- und Solaranlagen in Form von Energie speichern zu können, große Mengen leistungsfähiger wie kostengünstiger Speicher benötigt. Dies lässt sich weder mit heutigen Pumpspeichern, noch mit anderen Speicherarten, einschließlich neuer in der Entwicklung befindlicher erreichen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den enormen Mangel an Speicherkapazität mittels neuem Speicherkonzept in Form eines Platz sparenden, im Aufbau einfachen und besonders effektiv arbeitenden Pumpspeichers mit schwimmendem Speicherteil zu beheben. Der geringe Flächenverbrauch dieses Systems basiert darauf, dass statt der bei bekannten Pumpspeichern zur Stromerzeugung benötigten zwei Speicher mit den sie verbindenden Druckrohren nur noch ein Speicher benötigt wird. Durch diese Vereinfachung und der sich hieraus ergebenden Flächen- und Materialreduzierung sind die Herstellungskosten des neuen Speichers sehr gering – beste Voraussetzung dafür, ihn in großen Stückzahlen einsetzen zu können. Dass die neuen Speicher sich sowohl über- als auch unterirdisch einbauen und sich somit hervorragend der Umgebung anpassen lassen, dürfte zu einer hohen Bürgerakzeptanz führen. Für die neuen Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil ergeben sich aufgrund ihres geringen Platzbedarfs und ihrer Unabhängigkeit von Höhendifferenzen viele Einsatzbereiche, insbesondere im Flachland und an der Küste, was sich besonders vorteilhaft und kostensparend auswirkt, da hier die meisten Windenergie-Anlagen und Windparks angesiedelt sind. Da die Kosten für die neuen Pumpspeicher weit unter denen bekannter Pumpspeicher liegen, ist ihr Bau schon für kleinere Windparks rentabel und deshalb auch für mittlere Firmen, Kommunen und Stadtwerke, die sich unabhängiger von ihren Energieversorgern machen wollen, sehr interessant.

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher in Form eines Pumpspeichers mit schwimmendem Speicherteil, der universell eingesetzt werden kann, schwerpunktmäßig in Verbindung mit Windenergie- und Solaranlagen.
Für die Zwischenspeicherung großer Energiemengen ist bekannt, Energiespeicher einzusetzen. Bei diesen ist es erforderlich, elektrische Energie, besonders die stark schwankenden Energiemengen von Windenergie- und Solaranlagen, in andere Energieformen zu wandeln, zu lagern und sie später wieder in elektrische Energie umzuwandeln. Aufgrund des hohen Zuwachses an Wind- und Solaranlagen wird der schon heute große Mangel an Speicherkapazitäten extrem zunehmen. Deshalb werden, um zukünftig die enormen, wechselhaften Strommengen aus Windkraft- und Solaranlagen in Form von Energie speichern zu können, große Mengen leistungsfähiger wie kostengünstiger Speicher benötigt. Dies lässt sich weder mit heute bekannten Energiespeichern, noch mit neuen, in der Entwicklung befindlichen Speicherformen erreichen.
Zur Erfüllung einiger Erfordernisse, insbesondere für die Zwischenspeicherung großer Energiemengen ist bekannt, Pumpspeicher einzusetzen. Durch ihre Erfordernisse – großer Flächenbedarf durch zwei separate Wasserspeicher in unterschiedlich hohen Lagen – sind die Möglichkeiten für neue Speicherbauten naturgemäß sehr eingeschränkt. Hinzu kommt, dass ihre Baukosten extrem hoch sind, ihre Effizienz dagegen gering ist. Ein besonderer Nachteil ist ihre Funktionsweise, die eine Errichtung im Flachland wenig sinnvoll macht, obwohl dies besonders vorteilhaft wäre, da hier die meisten Windenergie-Anlagen und Windparks angesiedelt sind, was einen Zusammenschluss mit Energiespeichern besonders effektiv und Kosten sparend machen würde. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass ihre Errichtung aufgrund der massiven Größe tief in die Natur eingreift und deshalb von vielen Bürgern abgelehnt wird. Auch die leistungsstarke wie kostengünstige Entwicklung eines Verdrängungsspeichers, Patentschrift DE 10 2012 002 330.8 , ist für einen Masseneinsatz nur bedingt geeignet. Da hier der Schwerpunkt der Speicherausrichtung in der Tiefe liegt, kann diese Speicherform nur in stillgelegten Steinkohle-, Braunkohle- und Erzgruben, Steinbrüchen, unterirdischen Kavernen, tiefen Binnenseen oder im Meer eingesetzt werden. Den Versuch, das Problem durch wenige Megaspeicher in Form von Lageenergiespeichern lösen zu wollen, stellt die Idee von Prof. Dr. Heindl, Hochschule Wangen, dar. Hierbei sollen aus Felsen riesige Zylinder ausgesägt werden, die anschließend durch untergepumptes Wasser gehoben werden. Im Bedarfsfalle soll dann das unter Druck stehende Wasser durch Turbinen gepresst und über angeschlossene Generatoren Strom erzeugt werden. Größter Nachteil der Idee ist, sie lässt sich technisch zur Zeit nicht umsetzen. Nachteil bei einer Realisierung wären die extrem hohen Baukosten und der hohe Zeitverbrauch für die Umsetzung sowie nicht überschaubare Zusatzkosten für großflächige Leitungsnetze, die von den wenigen Megaspeichern, deren Lagen zudem nur auf felsige Gebiete beschränkt wären, zu den Verbrauchsstätten führen müssten.
Ihr baulicher Nachteil liegt darin, dass sich die aus Felsgestein bestehenden Zylinder verkanten würden, da ihre Materialstruktur in sich nicht homogen ist. Dies würde zu einem Totalausfall der Speicher führen. Gleiches ergäbe sich, wenn Windkräfte über die riesige Oberfläche dieser Zylinder gleiten oder gegen deren Seitenflächen drücken würden. Zudem ist ungeklärt, in welcher Form und wo die durch die Turbinen geleiteten riesigen Wassermassen gesammelt werden sollen. Das Anlegen von Speicherseen in felsigem Gestein wäre mit extrem hohen Kosten verbunden, für eine Installation der Speicherseen außerhalb, in weicheren Erdbereichen, würden sehr lange Rohrleitungen benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einsatzgebiete für Energiespeicher durch viele dezentral angesiedelte, besonders leistungsstarke wie kostengünstige Speicher mit geringer Flächenausdehnung in Form von Pumpspeichern mit schwimmendem Speicherteil um ein Vielfaches zu erhöhen und deren Akzeptanz bei den Bürgern nachhaltig zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, dass der Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil aus einer mit Wasser gefüllten, zylinderförmigen Außenschale und einem innenliegend schwimmenden Speicherteil mit Niedrigbord und Boden sowie einer darin befindlichen Öffnung mit darin eingelassenem, aufstrebenden Steigrohr und einem in dessen unterem Bereich befindlichen Absperrschieber mit anschließender Wasserturbine und Welle und einem hiermit verbundenen Generator sowie aus aufstrebenden Druckrohren mit Ventilen und oben befindlichen Pumpen nebst Saugrohren, die von den Pumpen bis in die Nähe des Bodens reichen, besteht, dergestalt, dass für die Leistungsabgabe des Pumpspeichers der schwimmende Speicherteil geflutet wird.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Flächenverbrauch gegenüber herkömmlichen Pumpspeichern wesentlich geringer ist, da statt zwei separater Speichereinheiten in unterschiedlichen Höhenlagen nur eine Speichereinheit benötigt wird. Dadurch erhöhen sich die Möglichkeiten für den Bau von Pumpspeichern mit schwimmendem Speicherteil um ein Vielfaches, insbesondere im Flachland und in Küstengebieten, was sich besonders vorteilhaft und kostensparend auswirkt, da hier die meisten Windenergie-Anlagen und Windparks angesiedelt sind. Da die Kosten der neuen Speicher weit unter denen bekannter Pumpspeicher liegen, ist ihr Bau schon für kleinere Windparks rentabel und deshalb auch für mittlere Firmen, Kommunen und Stadtwerke, die sich von ihren Energieversorgern unabhängiger machen wollen, sehr interessant. Ein wichtiger Vorteil der Erfindung liegt in dem geringeren Druckverlust durch den Wegfall langer Druckrohre zwischen den Speichereinheiten, besonders aber darin, dass durch das Eigengewicht des schwimmenden Speicherteils und dem durch Fluten aufgenommenen Wasserballast der Arbeitsdruck des Wassers beständig steigt und im Mittel wesentlich höher ist als bei bekannten Pumpspeichern. Dieser gleichmäßig steigende Arbeitsdruck ist zudem sehr Material schonend und wirkt sich besonders positiv auf die Lebensdauer der Wasserturbinen aus. Durch den schwimmenden Speicherteil besteht zudem die Möglichkeit, alle Reparaturen im Trockenen ausführen zu können. Da der Unterschied zwischen dem auf der Innen- und Außenseite des schwimmenden Speicherteils wirkenden Wasserdrucks gering ist, kann der Speicherteil sehr material- und kostensparend erstellt werden. Ein Verkanten des schwimmenden Speicherteils und somit Blockieren des Arbeitsprozesses durch Windkräfte ist durch seine geschützte Lage ausgeschlossen. Aufgrund seiner einfachen Bauweise ist die Leistung des neuen Pumpspeichers jederzeit abrufbar – sie lässt sich aber auch über längere Zeit konservieren. Durch das Errichten von Solarpaneelen oberhalb der Außenschale lässt sich selbst bei Windflauten mittels Sonneneinstrahlung eine Speichertätigkeit aufrechterhalten.
Um unterschiedliche Vorgaben erfüllen zu können, weisen die Grundflächen der Pumpspeicher mit flutbarem Schwimmkörper eine runde bis mehreckige Form auf.
Um das Fluten des Schwimmkörpers regulieren oder abstellen zu können, wird der Wasserzufluss durch einen Absperrschieber geregelt.
Damit Verkantungen des Schwimmkörpers vermieden werden, befinden sich alle außerhalb der Mitte befindlichen Vorrichtungen zueinander im Gleichgewicht.
Um den wasserempfindlichen Generator und die Pumpen vor aufsteigendes Wasser zu schützen, befinden sich diese, an Säulen befestigt, oberhalb der höchsten Wasserlinie.
Damit der Schwimmkörper gegen die Außenschale abgedichtet wird, befindet sich am oberen Rand des Niedrigbords des Schwimmkörpers eine Dichtung.
Um die Abdichtungsfähigkeit der Dichtung durch ein veränderbares Volumen zu erhöhen, ist diese als Quelldichtung ausgeführt.
Damit die Quelldichtung Halt und Führung bekommt, wird diese von einem verstellbaren Formring geführt.
Um den Bereich unterhalb des schwimmenden Speicherteils kontrollieren zu können, verfügt die Außenschale im oberen Bereich über eine Schleusenkammer.
Um die Speichertätigkeit mittels Sonnenenergie auch bei Windflauten zu ermöglichen, sind oberhalb der Außenschale Solarmodule befestigt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen
1 Schnitt: Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil
2 Schnitt: Pumpspeicher mit geflutetem Speicherteil
Die Außenschale 1 des Speichers ist bei der Leistungsabgabe fast bis zum oberen Rand mit Wasser gefüllt, in dem der schwimmende Speicherteil 2, bestehend aus Niedrigbord 3 und Boden 4 mit Öffnung 5, schwimmt. Aufgrund dessen Gewichts, einschließlich aller auf ihm befindlichen Apparaturen 6–17, 19 übt dieser Druck auf das ihn umschließende Wasser aus. Durch diesen Druck fließt nach Öffnen des Absperrschiebers 7 verstärkt Wasser durch das Steigrohr 6. Hierbei wird die Wasserturbine 8 sowie der mit ihr durch eine Welle 9 verbundene Generator 10 angetrieben und Strom erzeugt. Dabei fließt das Wasser in den schwimmenden Speicherteil 2 und erhöht mit zunehmender Füllung dessen Gewicht, wodurch sich der Wasserdruck im Steigrohr 6 und somit die Leistungsabgabe der Wasserturbine 8 kontinuierlich erhöhen. Dieser Vorgang lässt sich über den Absperrschieber 7 regeln. Der Wasserdruck im Steigrohr 6 hält so lange an, bis der schwimmende Speicherteil 2 auf Grund gesunken ist. Danach wird er von Pumpen 13, die entweder durch billigen oder gar überschüssigen Strom aus Windenergie- oder Solaranlagen gespeist werden, über Saugrohre 14 leergepumpt und das Wasser gleichzeitig über Druckrohre 11 unter den schwimmenden Speicherteil 2 gepresst, so dass dieser für eine erneute Leistungsabgabe wieder zur Wasseroberfläche aufsteigen kann. Für diesen Vorgang wird der Absperrschieber 7 geschlossen. Im aufgetauchten Zustand des schwimmenden Speicherteils 2 befindet sich die Dichtung 16 mit dem verstellbaren Formring 17, um Korrekturen und Reparaturen an ihnen ausführen zu können, oberhalb der Wasserlinie. Im abgetauchten Zustand des schwimmenden Speicherteils 2 befinden sich der gegen Wasser zu schützende Generator 10 sowie die Pumpen 13, an Säulen 15 befestigt, über der höchsten Wasserlinie. Um die Unterseite des schwimmenden Speicherteils 2 kontrollieren zu können, verfügt die Außenschale 1 im oberen Bereich über eine Schleusenkammer 18. Damit eine Speichertätigkeit auch bei Windflauten mittels Sonnenenergie ermöglicht werden kann, sind oberhalb der Außenschale 1 Solarmodule 19 befestigt.
Der schwimmende Speicherteil 2 lässt sich aus unterschiedlichen Materialien bauen. Da dessen Form durch die Außenschale 1 und dem planen Boden des Erdreichs bereits vorgegeben ist, wäre der Einsatz von Faserbeton in Form von Ortbeton besonders zweckmäßig, zumal dessen Ausdehnung bei Wärme gering ist und durch das kühlende Wasser des Speichers weiter verringert würde. Ein Schrumpfen des Bodens 4 des schwimmenden Speicherteils 2 in der Fläche, ließe sich nach Trocknen des Ortbetons durch ein nachträgliches Angießen des Niedrigbords 3 kompensieren.
Die Wahl einer vieleckigen bis runden Grundform der Außenschale 1 ist aus statischen Gründen vorteilhaft und mit planen Fertigteilen erreichbar. Sollen mehrere Speicher vereint werden, um Platz zu sparen, bietet sich insbesondere eine sechseckige Grundform an, mit der sich die Außenschalen 1 wabenförmig zusammenschließen lassen.
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 102012002330 [0003]

Claims

Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus einer mit Wasser gefüllten, zylinderförmigen Außenschale 1 und einem innenliegend schwimmenden Speicherteil 2 mit Niedrigbord 3 und Boden 4 sowie einer darin befindlichen Öffnung 5 mit darin eingelassenem, aufstrebenden Steigrohr 6 und einem in dessen unterem Bereich befindlichen Absperrschieber 7 mit anschließender Wasserturbine 8 und Welle 9 und einem hiermit verbundenen Generator 10 sowie aus aufstrebenden Druckrohren 11 mit Ventilen 12 und oben befindlichen Pumpen 13 nebst Saugrohren 14, die von den Pumpen 13 bis in die Nähe des Bodens 4 reichen, besteht, dergestalt, dass für die Leistungsabgabe des Pumpspeichers der schwimmende Speicherteil 2 geflutet wird.
Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundflächen der Pumpspeicher eine runde bis mehreckige Form aufweisen.
Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluten des Schwimmkörpers 2 durch einen Absperrschieber 7 regelbar ist.
Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle außerhalb der Mitte befindlichen Vorrichtungen 11–15 zueinander im Gleichgewicht befinden.
Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserempfindliche Generator 10 und die Pumpen 13, an Säulen 15 befestigt, sich oberhalb der höchsten Wasserlinie befinden.
Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass sich am oberen Rand des Niedrigbords 3 eine Dichtung 16 befindet.
Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil nach Anspruch 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung 16 als Quelldichtung ausgeführt ist.
Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung 16 von einem verstellbaren Formring 17 geführt wird.
Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale 1 im oberen Bereich über eine Schleusenkammer 18 verfügt.
Pumpspeicher mit schwimmendem Speicherteil nach Anspruch 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Außenschale 1 Solarmodule 19 befestigt sind.