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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pumpspeicher-Wasserkraftwerk nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Energieerzeugungs- und Speichersystem, welches mindestens ein solches Pumpspeicher-Wasserkraftwerk aufweist.
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Aus dem Stand der Technik sind Pumpspeicherkraftwerke allgemein bekannt; derartige Kraftwerke dienen der Speicherung und Erzeugung elektrischer Energie durch Nutzung eines (durch einen Pumpvorgang überwindbaren) Höhenunterschieds zwischen einer Speicherposition eines Trägermediums (typischerweise Wasser) und einer tiefer liegenden, abgelassenen Position aus dem hochgelegenen Speicher. Genauer gesagt nutzt das Pumpspeicherkraftwerk die in diesem Höhenunterschied liegende Differenz an potenzieller Energie, welche das Medium beim Pumpen in die Speicherposition enthält und welche – typischerweise mittels geeignet von dem Medium durchströmten Turbinen und zugehörigen Generatoren – durch das Ausströmen wieder freigesetzt wird.
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Pumpspeicherkraftwerke besitzen durch diese Speicherwirkung den Vorteil, dass sie – etwa im Gegensatz zu typischen regenerativen Energieerzeugungsprinzipien – weitgehend unabhängig von tageszeitlichen, jahreszeitlichen, klimatischen oder anderen Umweltbedingungen sind und sowohl der Speicherbetrieb (d. h. das Pumpen) als auch der Energieerzeugungsbetrieb (d. h. das gesteuerte Auslassen des Mediums durch eine Turbinenvorrichtung) praktisch zu jedem beliebigen Zeitpunkt durchgeführt werden kann.
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Die elektrische Energiespeicherkapazität eines solchen Kraftwerks wird dann primär bestimmt durch den Höhenunterschied sowie eine wirksame Aufnahmekapazität des Mediumspeichers.
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Damit eignen sich dann Pumpspeicherkraftwerke nicht nur zur Pufferung bzw. Sicherung herangeführten Netzstroms, insbesondere bietet sich ein derartiges Pumpspeicherkraftwerk auch an, um, ggf. im unmittelbaren lokalen Zusammenwirken, die prinzipbedingt schwankende elektrische Energieausbeute von regenerativen Energieerzeugungssystemen, wie etwa Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, durch ihre Speicherwirkung zu vergleichsmäßigen.
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Allerdings weisen auch Pumpspeicherkraftwerke – prinzipbedingte – Nachteile auf. Durch einen Wirkungsgrad von maximal ca. 80% (bezogen auf das Verhältnis von eingespeister zu bezogener elektrischer Energie aus einem solchen Kraftwerk) sind die elektrischen Verluste nicht unbeträchtlich. Hinzu kommt, dass bei bislang typischerweise oberirdischer Verortung von Pumpspeicherkraftwerken zahlreiche umwelttechnische, verwaltungsrechtliche und öffentliche Akzeptanzprobleme einer weiten Verbreitung derartiger Pumpspeicherkraftwerke entgegenstehen. So bieten sich, wiederum prinzipbedingt, nur wenige Berg-/Talregionen an, um mit wenig zusätzlichem Bauaufwand ein hinreichend hochgelegenes Speicherbecken zu realisieren, welches dann zu einem signifikant niedriger gelegenen Turbinenort entleert werden kann. Typische Staumauern erfordern hohen Bauaufwand und bedeuten Sicherheitsrisiken. Zu ökologischen Konsequenzen, welche häufig eine negative öffentliche Wahrnehmung prägen, kommen Probleme in der Zugänglichkeit oder der Leitungsführung.
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Auch weisen, im Hinblick auf den vorbeschriebenen potenziell synergistischen Dualismus zwischen Pumpspeicherkraftwerk und regenerativem Energieerzeugungssystem, oberirdische Speicherstandorte häufig das Problem auf, dass diese nicht gleichermaßen gute Standorte etwa für eine Photovoltaik- oder Windkraftanlage sind.
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Im Ergebnis entsteht damit das Problem, die Herstellung- und Betriebsbedingungen für Pumpspeicherkraftwerke, insbesondere für ein Pumpspeicher-Wasserkraftwerk, signifikant zu verbessern, dabei vor allem die Voraussetzungen für niedrigere Herstellungsschwellen zu schaffen.
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Seit kurzem wird daher in der Öffentlichkeit der Gedanke diskutiert, ein solches Kraftwerksprinzip in den Unterwasserbereich zu verlagern. Indem etwa der in einer vorgegebenen Wassertiefe herrschende Wasserdruck ausgenutzt wird, um (insoweit analog dem Pumpspeicher-Wasserkraftwerk) eine Turbine zu durchströmen und entsprechende elektrische Energie zu erzeugen, wird insbesondere das inhärente ökologische Problem eines überirdischen Speicherstandorts überwunden. Eine derartige Vorrichtung zeigt die
DE 10 2011 013 329 A1 , welche etwa seit Mitte des Jahres 2011 auch in der Fach- und Tagespresse breit diskutiert wird.
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Dieser Beitrag zum Stand der Technik lehrt das Vorsehen eines (typischerweise kugelförmigen) Wassertanks auf einem Meeresboden in einer Tiefe von typischerweise 2000 m. In einem (durch Pumpenwirkung) entleerten Zustand dieser Vorrichtung ergibt sich damit die Möglichkeit zur elektrischen Energieerzeugung dadurch, dass (wiederum durch geeignete Turbinenmittel) in diesem Tank einströmendes Wasser, proportional zur Wassertiefe und zum dort herrschenden Wasserdruck, die elektrische Energieerzeugung bewirkt.
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Allerdings ist auch ein derartiges Vorgehen technisch aufwändig und operativ nicht unproblematisch: Zum einen ist das Herstellen und das nachfolgende Versenken bzw. Verankern des Wassertanks (dieser muss zum Erreichen notwendiger Speicherkapazität eine beträchtliche Größe aufweisen) nicht unproblematisch, wobei zugehörige Technologien noch nicht serienreif sein dürften. Zusätzlich ist das Vorsehen sowohl des Einlasses (mit der notwendigen Turbinenvorrichtung) samt zugehöriger Ventil- bzw. Klappensteuerung in der Zieltiefe 2000 m genauso problematisch, wie das Realisieren des Auslasses samt der dort notwendigen Pumpenmittel, um den Wassertank – gegen entsprechenden elektrischen Energieeinsatz – überhaupt erst in den befüllungstauglichen Leerzustand zu versetzen. Hinzu kommt, dass zur praktischen Funktionsfähigkeit dieser Tank zur Atmosphäre hin entlüftet sein muss, was im beschriebenen Stand der Technik gemäß
DE 10 2011 013 329 A1 mit Hilfe eines lediglich schematisch angedachten Schlauches erfolgen soll. Es ist ersichtlich, dass bei den gezeigten Wassertiefen auch diese Entlüftung nicht unbeträchtliche Realisierungs- und Betriebsprobleme bringen dürfte.
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Ausgehend von diesem als gattungsbildend angesehenen Stand der Technik stellt sich daher, zusätzlich zur vorbeschriebenen allgemeinen energietechnischen Herausforderung, die Problematik, ein derartiges unterseeisch vorzusehendes Wasserkraftwerk einfacher in der konstruktiven Realisierung, der Einrichtung und Montage vor Ort sowie in der Betriebssicherheit zu gestalten; im Gegensatz zu den bekannten überirdischen Speicher-Wasserkraftwerken bietet das unterseeische Prinzip das zusätzliche Problem einer deutlich verschlechterten Zugänglichkeit für Wartungs- oder Reparaturzwecke, selbst wenn die Montage und Inbetriebnahme erfolgreich stattgefunden hat.
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Die Aufgabe wird durch das Pumpspeicher-Wasserkraftwerk mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie der unabhängigen Patentansprüche 11 und 12 gelöst; zusätzlich unabhängiger Schutz wird beansprucht für ein Energieerzeugungs- und Speichersystem mit mindestens einem solchen Pumpspeicher-Wasserkraftwerk nach dem unabhängigen Patentanspruch 13.
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In Abkehr von dem aus der gattungsbildenden
DE 10 2011 013 329 A1 als bekannt vorausgesetzten Energieerzeugungsprinzip geht zunächst die vorliegende Erfindung zurück zu dem Grundgedanken des oberirdischen Pumpspeicher-Wasserkraftwerks, bei welchem, entlang der Schachtmittel, im Wesentlichen bei Atmosphärendruck das herabströmende Wasser beschleunigt wird und so die (ursprüngliche) potenzielle Energie in die Turbinen- bzw. Generatormittel treibende kinetische Energie wandelt.
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Bereits aufgrund geltender Strömungs- und Widerstandseffekte ist eine effektive Höhe einer mit den Schachtmitteln ermöglichten Fallstrecke begrenzt, bietet aber damit auch die Möglichkeit, erfindungsgemäß das Pumpspeicher-Wasserkraftwerk in wesentlich geringeren Wassertiefen auf oder an dem Meeresboden zu verankern, als es beim gattungsbildenden Stand der Technik der Fall ist. Damit ergeben sich dann insbesondere beträchtliche Vorteile bei der Herstellung, Einrichtung (Montage) und im laufenden Betrieb bzw. für die Wartung, wobei zusätzlich vorteilhaft eine derartige Anlage sich dann auch für Küstenbereiche eignet, welche typischerweise nicht die (zum Betrieb der gattungsgemäßen Anlagen erforderliche) Meerestiefe erreichen, sondern welche zusätzlich, lokal benachbart, regenerative Energiesysteme vorsehen lassen, oder sogar, zum Zweck günstiger Ergänzung oder Nachrüstung, bereits existent haben.
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Die erfindungsgemäßen Schachtmittel, ergänzend oder alternativ, die weiterbildungsgemäß vorgesehene Trägerstruktur, gestatten dann in überraschend einfacher und wirksamer Weise nicht nur das Montieren und Halten der synergistisch mit dem Pumpspeicher-Wasserkraftwerk zusammenwirkenden regenerativen Energieerzeugungsvorrichtungen, insoweit zum Realisieren des Systems nach dem unabhängigen Patentanspruch, auch gestattet eine derartige Schacht- bzw. Trägerstruktur das vorteilhafte einfache und betriebssichere Vorsehen einer Entlüftung, von Wartungs- bzw. Zu- und Ableitungsaggregaten oder dergleichen Infrastruktur. In diesem Zusammenhang sind die erfindungsgemäßen Schachtmittel nicht beschränkt auf einen Einzelschacht; im Rahmen der Erfindung sind vielmehr auch mehrere Schächte, etwa geeignet benachbart oder beabstandet, für einen gemeinsamen Wassertank und/oder mehrer Schächte, zugeordnet einer Mehrzahl von Einzeltanks, Realisierungsformen derartiger Schachtmittel.
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Wiederum weiterbildungsgemäß ist es etwa diesbezüglich besonders bevorzugt, ein in den Wassertank reichendes Entlüftungsrohr oder einen Entlüftungsschlauch an oder in den Schachtmitteln zu führen; diese sorgen damit nicht nur für mechanische Stabilität und Führung, sondern zusätzlich für Schutz vor externen bzw. Betriebseinflüssen und verbessern damit das Betriebsverhalten signifikant.
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Zusätzlich bietet etwa die weiterbildungsgemäß alternativ oder ergänzend zu den Schachtmitteln vorgesehene Trägerstruktur die Möglichkeit, unmittelbar bereits vorhandene oder (wieder-)verwendbare maritime Träger einzusetzen, wie etwa (Öl-)Plattformstrukturen oder dergleichen bekannte Systeme. Damit bietet dann die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher Weise die Gelegenheit, derartige vorhandene Infrastruktur (wie etwa in der tendenziell eher flachen Nordsee) zur Verankerung des meeresbodenseitigen Wassertanks, zusätzlich zur Führung bzw. Verankerung der Schachtmittel zu verwenden und dann an einer oder aller dieser Strukturen im Überwasserbereich geeignete Energieerzeugungsaggregate – vorteilhaft wären neben photovoltaischen- oder Windgeneratoren insbesondere auch im Wasseroberflächenbereich wirksame Wellen- und/oder Strömungsgeneratoren – einzusetzen, zuverlässig zu verankern und mit im Ergebnis geringem Aufwand einem kurzfristigen Energieerzeugungsbetrieb zuzuführen.
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In wiederum vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung, für welche in Verbindung mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Hauptanspruchs auch unabhängig Schutz beansprucht wird, gestattet es die vorliegende Erfindung in besonders einfacher und eleganter Art, den Wassertank zur Verankerung auf oder an dem Meeresboden geeignet modular, flexibel herstell-, montier- und/oder austauschbar zu gestalten. Indem nämlich weiter vorteilhaft erfindungsgemäße modulare Hohlkörper so ausgestaltet sind, dass diese, weiter bevorzugt einzeln oder in kleineren Modulgruppen, an einen Einsatzort herangeführt, dort auf den Meeresboden versenkt – und noch über Wasser oder erst dann am Einsatzort unter Wasser – miteinander verbunden werden können. Die weiterbildungsgemäß vorgesehenen Wasserdurchlässe bieten den Vorteil, dass geeignet mechanisch stabil, die Hohlkörper einzeln und lediglich für sich selbst, die Druck- und Stabilitätskriterien am Meeresboden erfüllen müssen, gleichwohl dann zu einem strömungstechnischen Ganzen werden, mithin also, je nach Anzahl und Ausgestaltung der Hohlkörper, ein Unterwasser-Aufnahmeraum als erfindungsgemäßer Wassertank geschaffen wird, welcher jeweils flexibel an die gewünschten bzw. benötigten geografischen und energetischen Erfordernisse angepasst werden kann.
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Wiederum weiterbildungsgemäß ist es dabei sowohl bevorzugt, diese (einzelnen) Hohlkörper mit polygonalen Querschnitts- bzw. Grundflächen auszugestalten, um insoweit ein späteres Zusammenfügen zu vereinfachen, als auch diesen Hohlkörpern, insbesondere im Hinblick auf daraus gebildete größere Strukturen, geeignete Verstrebungen oder dergleichen Verstärkungen zuzuordnen; eine typische Wabenform ist eine bevorzugte Realisierung dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung.
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Im Ergebnis führt damit die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher und potenziell praktisch nutzbarer Weise die konzeptuellen Vorteile und die Einfachheit eines (Überwasser-)Pumpspeicher-Wasserkraftwerks zusammen mit den Ansätzen aus der
DE 10 2011 013 329 A1 , welche, in Abkehr von strömendem Wasser unter Atmosphärendruck, auf (signifikant höheren) Wasserdruck bei deutlich tieferer Einsatztiefe des Wassertanks setzt. Es steht damit zu erwarten, dass die vorliegende Erfindung der unterseeischen elektrischen Energiespeicherung und -erzeugung eine völlig neue Dimension eröffnet, nicht zuletzt als nunmehr erstmals auch seichtere Küstengewässer für die Technologie zugänglich werden und etwa im Küstenbereich vorhandene und bereits genutzte regenerative Energie (z. B. Windenergie) mit Hilfe der vorliegenden Erfindung auch konstruktiv und unmittelbar lokal an- und eingebunden werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine Schemadarstellung des Pumpspeicher-Wasserkraftwerks gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Zusammenwirken mit an der Trägerstruktur vorgesehenen Windkraftanlagen;
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2 eine Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung analog 1, jedoch mit unmittelbar an den Schachtmitteln vorgesehenen regenerativen Energieerzeugungsanlagen, insoweit ohne zusätzliche Trägerstruktur;
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3 Einzel- und Kombinationsdarstellungen von modulartig miteinander zum Erzeugen des Wassertanks verbindbaren Hohlkörpern;
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4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung unter Nutzung des aus Hohlkörpern der 3 gebildeten Wassertanks, mit wasseroberflächenseitig vorgesehener Mehrzahl alternativer regenerativer Energieerzeugungssysteme;
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5 eine Variante der dritten Ausführungsform als vierte Ausführungsform der Erfindung, wobei wiederum, unter Verzicht auf eine separate Trägerstruktur, die Schachtmittel zum Verankern der Überwasser-Energieerzeugungssysteme ausgestaltet sind, und
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6 eine Weiterentwicklung des Erfindungsprinzips als fünftes Ausführungsbeispiel, wobei den Schachtmitteln, entlang der durch diese gebildeten Fallstrecke, eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Turbinen- bzw. Generatoreinheiten so zugeordnet sind, dass aus einer vorhergehenden Einheit austretendes Wasser entlang der Schachtmittel fällt und bis zum Eintreten in einer darauffolgenden Turbinen- bzw. Generatoreinheit wiederum eine signifikante (ggf. maximal erreichbare) Geschwindigkeit erreicht hat.
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Unter Bezug auf die 1 wird nachfolgend ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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Ein im Grundriss sechseckförmiger Wassertank 10 einer (gleichen) Kantenlänge von 54 m besitzt bei einer Innenhöhe von 15 m ein Füllvolumen von ca. 115.000 m3. Dieser Tank, geeignet aus einem Metallmaterial realisiert und durch (nicht gezeigte) Verstrebungen bzw. wabenartige Verstärkungen im Innenraum verstärkt, wird geeignet in einer Werft oder dergleichen Betrieb hergestellt und, nach dem Versenken im (typischerweise küstennahen) Meer am Meeresgrund 12 durch Ankermittel 14 verankert.
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Sich vertikal von einer Wassertankoberfläche erstreckend, ist ein rohrartiger Schacht 16 eines Innendurchmessers von ca. 3 m gebildet, wobei zwischen diesem 30 m langen, eine Fallstrecke für einströmendes Wasser bietenden Schacht 16 und einem Einlass zum Wassertank 10 ein Turbinengehäuse 18 vorgesehen ist, in welchem eine (schematisch gezeigte) Turbine 20 so gelagert ist, dass durch den Schacht 16 einströmendes und entlang der vertikalen Fallstrecke beschleunigtes Wasser die Turbine 20 mit möglichst maximaler Geschwindigkeit durchströmt und so elektrische Energie erzeugt, welche über wiederum schematisch gezeigte Kabelmittel 22 zu geeigneten Verteilknoten abgeführt werden kann.
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Wie das schematische Schaubild der 1 zusätzlich erläutert, ist, den Schacht 16 umgebend und zusätzlich mechanisch stützend, eine Trägereinheit 24 vorgesehen, welche bodenseitig mechanisch mit dem Wassertank 10 bzw. dem Turbinengehäuse 18 verbunden ist und, vertikal entsprechend der Fallstrecke dimensioniert, eine Montageplattform 25 für regenerative Energieerzeugungsmittel in Form einer Anordnung aus Windkraftgeneratoren 30 anbietet.
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Zusätzlich zeigt die 1 ein im Wandbereich im Schachtinneren geführtes Entlüftungsrohr 32, welches einends durch den Einlass und außerhalb eines Wirkungsbereichs der Turbine 20 in den Tank 10 hineinragt und anderenends so weit aus einer schematisch dargestellten (maximalen) Wasseroberfläche 34 herausragt, dass selbst bei maximal anzunehmendem Tidenhub und/oder Seegang eine obere Öffnung dieses Entlüftungsrohres 32 frei bleibt, mithin sichergestellt ist, dass zu jedem Zeitpunkt durch dieses Rohr 32 das Behälterinnere des Tanks 10 zur Oberwasserumgebung entlüftet ist.
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Nicht in der 1 gezeigt sind ebenfalls dem Wassertank 10 zugeordnete Pumpenmittel, welche bevorzugt seitlich oder bodenseitig an den Tank 10 angreifen und als Reaktion auf eine Ansteuerung der darin vorgesehenen Pumpen eine Entleerung des Tanks 10 bewirken können. Dabei erfolgt eine Arbeit dieser Entleerungspumpen gegen den in der dargestellten Wassertiefe geltenden Wasserdruck. Das Aufschwimmen eines teilweise oder vollständig entleerten Wassertanks 10 verhindern die entsprechend dimensionierten Verankerungen 14. Gleichermaßen können weiterbildungsgemäß im Rahmen der Erfindung Verankerungen so ausgebildet werden, dass diese, in der Art eines Puffers, eines (zusätzlichen) luftgefüllten Tanks oder dergleichen, unter den Wassertank 10 greifen und so ein zu weites Absenken dieses Wassertanks 10 beim Befüllen verhindern; dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn durch derartige Maßnahmen, etwa aufgrund einer unregelmäßigen Oberfläche am Meeresgrund, der Wassertank bodenseitig nicht auf dem Grund aufsitzen soll.
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Der Betrieb der in 1 gezeigten Vorrichtung als Energieerzeugungs- und Speichersystem für mittels der Windräder regenerative erzeugte Energie ist wie folgt: Energie dieser Generatoren (etwa während Zeiten intensiven Windes) wird benutzt, um mittels der Pumpenmittel den Wassertank 10 (möglichst vollständig) zu entleeren. Auch bieten sich für einen solchen Entleerungsbetrieb Zeiten an, zu welchen (der Leitung 22 nachgeschaltete) Verbraucher oder Verteiler keinen Energiebedarf aus dem in 1 gezeigten System haben.
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Ein (vollständig oder teilweise) entleerter Tank 10 bietet dann die Möglichkeit, auch während Flaute oder anderer Nicht-Betriebszustände der Windkraftanlagen 30 (etwa im Wartungsbetrieb) elektrische Energie zu erzeugen. Dies geschieht dadurch, dass im Einlassbereich des Schachts 16 vorgesehene Ventil- bzw. Absperrmittel 38, welche sich typischerweise zum Realisieren eines zuverlässigen Einströmungsverhaltens für umgebendes Meerwasser geringfügig unterhalb eines (minimalen) Wasserspiegels befinden, geöffnet werden, so dass Meerwasser in den obersten Randbereich des Schachts 16 eintreten und entlang der durch den Schacht 16 gebildeten Fallstrecke bis zur Turbine 20 beschleunigt werden kann. Hier wird dann in der gewünschten Weise und unabhängig von einem aktuellen Betriebszustand der Windräder 30 Energie gewonnen.
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Im dargestellten exemplarischen Ausführungsbeispiel bei dem Wassertank 10 einer Kapazität von 115.000 m3 und einer (als ideal angenommenen) Fallstrecke von 30 m, insoweit entsprechend einer vertikalen Schachterstreckung, ergibt die potentielle Energie des Wassers aus dem Höhenunterschied von 30 m für das maximale Füllvolumen des Tanks 10 eine theoretische Energie von ca. 10 MWH; bei einer praktischen Approximation unter Berücksichtigung von Turbinenwirkungsgrad, Strömungs- und anderen Bremswiderständen auf das Wasser, möglichen konstruktiven Mindervolumina im Tankinneren durch Verstärkungen usw. mit ca. 50% würde damit überschlagsweise eine derartige Anordnung immer noch 5 MWH Energie speichern können, erscheint insoweit als ein nahezu ideal synergistischer Partner für eine begrenzte Anzahl von Windrädern einer typischen Maximalleistung von ca. 500 KW ... 1 MW bis zu ca. 7,5 MW pro Einheit.
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Es zeigt sich zudem, dass die in 1 gezeigte Vorrichtung nicht nur in plausibler Weise mit herkömmlichen Techniken (etwa auch aus dem Schiffsbaubereich) herstellbar-, montier- und verankerbar ist, auch bietet die begrenzte Fallhöhe, insoweit entsprechend einer typischen Meerestiefe von hier angenommenen 30 m, die Gelegenheit zur Nutzung etwa des nordeuropäischen küstennahen Meeresbereichs (welche, insoweit synergistisch, hohe Windenergieausbeuten verspricht). Ferner erleichtert die gegenüber dem Stand der Technik geringe Montage- und Betriebstiefe etwaige Einrichte- und Wartungsarbeiten, verbunden wiederum mit vergleichsweise geringer (Druck-)Belastung der in dieser Wassertiefe betriebenen Aggregate.
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Mit gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 1 analog bezeichneten Funktionskomponenten bzw. Baugruppen unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel der 2 dadurch, dass auf eine zusätzlich Aufwand bedeutende Trägerkonstruktion (24 in der 1) in der Vertikalen verzichtet werden konnte; lediglich ein oben liegender Plattformbereich 25, getragen vom rohrartigen Schacht 16, ist hier Montagesockel für die exemplarisch dargestellten Windkraftanlagen 30. Bei im Übrigen identischer Realisierung verdeutlicht die Gegenüberstellung der Ausführungsbeispiele der 1, 2 auch die inhärente Flexibilität der vorliegenden Erfindung: So ist es nämlich insbesondere auch sinnvoll und bevorzugt, im Bedarfsfall schon vorhandene Trägerstrukturen, bereits auch schon zusätzlich Bodenanker anbietende Ölplattformen oder andere Einheiten als Trägerstruktur 24 zu benutzen, um dann mit entsprechendem verringertem Aufwand einen Schacht 16 für die Wasser-Fallstrecke vorzusehen und in der notwendigen Weise vertikal und querschnittlich zu führen bzw. zu stabilisieren. Wiederum vorteilhaft für diese Flexibilität wirkt sich die erfindungsgemäße erforderliche geringe Wassertiefe aus, was zusätzlich eine nahezu universelle Verwendbarkeit der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Gewässer- bzw. Küstenkontexten erwarten lässt, und wobei der Fachmann nicht notwendigerweise einen Meeresküstenkontext als geeignet für die vorliegende Erfindung ansehen wird, sondern diese etwa auch in Küstenbereichen (größerer) Seen oder dergleichen realisieren würde. Natürlich eignet sich die vorliegende Erfindung auch zur Verwendung im offenen Meer und/oder im Zusammenhang mit großen Meerestiefen, wobei wiederum weiterbildungsgemäß nicht notwendigerweise eine Verankerung des Wassertanks unmittelbar am Meeresboden erfolgen muss, sondern dieser auch durch geeignete Schwimmer oder dergleichen in Verbindung mit Bodenankern in einer vom Meeresboden beabstandeten Position gehalten werden kann.
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Die 3 mit den Einzelansichten 3a bis 3d verdeutlicht eine zusätzliche Weiterbildungsmöglichkeit der Erfindung, welche einen zunächst einfachen monolithischen Wassertank 10 ersetzen oder ergänzen kann durch eine modularisierte Anordnung einer Mehrzahl von Tankelementen 11, welche, etwa in der Art der 3a bzw. 3b, einander benachbart und unter Ausbildung geeigneter (nicht gezeigter) Wasserdurchtritte zwischen diesen, Modulstrukturen in der Art einer Kette 40, 40a ausbilden können, und welche zusätzlich weiterbildungsgemäß etwa durch geeignetes kreisförmiges Anordnen in der in der 3 gezeigten Art komplexe (gleichwohl strömungstechnisch und im Raumverbrauch günstige) Torusstrukturen ausbilden können, wie es etwa die Figurenansichten 3c bzw. 3d für einen derart geschlossenen Ring 42 als Wassertank zeigen.
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Es wird deutlich, dass, wiederum entsprechend dem modularen Prinzip und der der vorliegenden Erfindung inhärenten Flexibilität, aus geeignet geformten Einzelkörpern 11 (welche im Beispiel der 3 wiederum mit exemplarisch sechseckförmiger Grundfläche ausgestaltet sind) beliebige Tankvolumina ausgebildet werdet können, welche dann entweder unmittelbar an einem Einsatzort noch im Bereich der Wasseroberfläche vor einem Versenken miteinander (etwa in die der 3c bzw. 3d gezeigte Form) verbunden werden, oder aber nach einzelnem Versenken auf den Meeresboden in eine solche Form verbracht werden. Nach dem Verbinden der Einzelmodule untereinander zum Erreichen eines strömungstechnischen Gesamttanks würde dann, wie in der vorbeschriebenen Art, durch Leerpumpen mit den zugeordneten Unterwasser-Pumpenmitteln gegen entsprechenden Energieeinsatz ein solcher Tank betriebsbereit zum Empfangen einströmenden Wassers (wiederum durch geeignet einlassseitig zugeordnete Turbinenmittel) sein können.
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Die 4 und 5 verdeutlichen entsprechende Varianten des oben beschriebenen ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiels; hier ist der Wassertank 10 unmittelbar durch die Anordnung der Mehrzahl von Einzelmodule 42 ersetzt, wobei wiederum die gegenüber den Ausführungsbeispielen der 1, 2 identischen Bezugszeichen insoweit gleiche bzw. gleich wirkende Funktionskomponenten bezeichnen.
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Auch die Ausführungsbeispiele der 4, 5 unterscheiden sich dadurch, dass, je nach vorhandenem Einsatzzweck, Ausgestaltung des Schachtrohres 16 und ggf. bereits vorhandener Träger-Infrastruktur (Bezugszeichen 44 in 4) entweder der Schacht 16 durch eine solche zusätzliche Trägerstruktur geführt und gestützt bzw. verstärkt sein kann, bzw., bei entsprechend mechanisch stabiler Ausgestaltung, eine solche zusätzliche Trägerstruktur auch entfallen kann (5). In diesem Fall würde dann die Trägerplattform 25 ausschließlich auf dem Schacht 16 ruhen, während im Ausführungsbeispiel der 4 zusätzlich die Trägerstruktur 44 eine mechanische Stütze anbietet.
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Die 4 und 5 zeigen (wiederum exemplarisch) zusätzliche Varianten alternativer (und wiederum bevorzugt regenerativer) Generatoren, welche auch in der Art eines Generatormix eingesetzt werden können: Neben einer bereits beschriebenen Windkraftanlage können geeignet etwa photovoltaische Energieerzeugungsvorrichtungen (in Form des schematisch gezeigten Panels 46), alternative schwebende Windgeneratoren 48, Wellen- bzw. Tidengeneratoren 50 oder dergleichen Varianten umgebungstauglicher Energieerzeuger eingesetzt werden. Wiederum ergänzend oder alternativ (in den Figuren nicht gezeigt) eignet sich die Erfindung auch zum Zusammenwirken mit auf bzw. im Wasser schwimmenden (gegebenenfalls auch an das System entfernt angekoppelten) Generatoren wie z. B. geeignet schwimmenden, mit Stahlseilen oder dergleichen an der Trägerstruktur 44 bzw. am Schacht 16 befestigten Windrädern. Der Fachmann wird entsprechend den lokalen Gegebenheiten, typischen Klimabedingungen und dergleichen Parametern geeignete Generatoren auswählen, dimensionieren und mischen, wiederum auch unter Berücksichtigung der durch den Wassertank 42 angebotenen maximalen Füllkapazität und einem für ein Leerpumpen erforderlichen Energiebedarf.
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Die 6 zeigt eine erfindungsgemäße Weiterbildung, welche mit sämtlichen der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele geeignet kombinierbar ist. Gezeigt ist in der vergrößerten Ansicht ein (wiederum typischerweise rohrförmiger) Schacht 16, welcher im oberen Bereich durch geeignete Einlassschieber bzw. Einlassventile 38 in der oben beschriebenen Weise verschließbar ist. Im Unterschied zu den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen, bei welchen typischerweise eine Einzelturbine (symbolisiert mit 20) am bodenseitigen Auslassende des Schachtrohres 16 vorgesehen war, erfolgt hier das Vorsehen einer Mehrzahl von entlang der Fallrichtung (also entsprechend der Vertikalen in der Figurenebene) vorgesehenen Einzelturbinen 20a, 20b, usw. mit entsprechend nachgeschalteten elektrischen Anschluss- bzw. Abführaggregaten 21a, 21b, usw., mit dem Effekt, dass insbesondere bei größeren Schachtlängen und einer etwa luft- bzw. strömungswiderstandsbedingten maximal erreichbaren Fallgeschwindigkeit einer durch den Bereich 38 eintretenden Wassermenge bereits nach Teilhöhen ht eine jeweilige Turbine folgt, so dass in effizienterer Weise das Energiepotential ausgenutzt werden kann: Wird nämlich vorteilhaft eine Teilhöhe ht so dimensioniert, dass beim Erreichen einer vorgelagerten Turbine 20a eine auftreffende Wassermenge ihre ungefähre maximale Geschwindigkeit erreicht hat, erfolgt hier bereits eine erste Stufe der elektrischen Energieerzeugung; aus der Turbine 20a austretendes Wasser hat dann wiederum entsprechend einer nachfolgenden Teilhöhe ht (ggf. hier noch zu verlängern um ein Korrektiv für einen Auslasswiderstand aus 20a) bis zum Auftreffen auf eine nachfolgende Turbine 20b wiederum in etwas ihre maximal mögliche Geschwindigkeit erreicht. Diese Anordnung lässt sich, symbolisiert durch die Pfeilschar 50, geeignet, und entsprechend einer vorbestimmten Schacht-Gesamtstrecke, kaskadieren.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele, Konfigurationsmöglichkeiten und/oder Dimensionierungsbeispiele beschränkt; vielmehr wird deutlich, dass mit dem erfindungsgemäßen Prinzip nahezu beliebige Varianten erzeugt werden können, welche sich sowohl territorial-geographisch, als auch klimatisch, als auch energie-technisch-kapazitiv an jeweils erforderliche oder wünschenswerte Vorgaben und Bedingungen anpassen können. Es steht somit zu erwarten, dass mittels der vorliegenden Erfindung in überraschend einfacher und eleganter Weise die Nachteile sowohl landgebundener Pumpspeicherkraftwerke als auch zum Stand der Technik bekannter Tiefsee-Einheiten überwunden werden und zu leicht herstell- und montierbaren und hochgradig betriebssicheren, für den Alltag tauglichen Systemen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011013329 A1 [0009, 0011, 0014, 0021]
