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Die Leistung einer Wasserkraftanlage hängt von dem Produkt aus Massenstrom und Fallhöhe ab. Bei sogenannten Mittel– oder Hochdruckanlagen werden – bezogen auf die Jahresarbeit – nur relativ kleine Massenströme benötigt. Daher sind die Kosten für den Tiefbau und die Turbine relativ gering. Außerdem sind die Drehzahlen der bei diesen Wasserkraftanlagen eingesetzten Turbinen relativ hoch, so dass oft auf ein Getriebe zwischen Turbine und Generator verzichtet werden kann. Aus diesen Gründen sind Mittel- oder Hochdruck-Wasserkraftanlagen tendenziell wirtschaftlicher als Wasserkraftanlagen, die bei niedrigem Gefälle mit einem sehr viel größeren Massenstrom die gleiche Jahresarbeit erzeugen. Bei diesen Wasserkraftanlagen erfordert der große (Wasser-)Massenstrom sehr große Querschnitte in der Zuleitung zu der Turbine und dessen Ableitung durch das Saugrohr in das Unterwasser einer Staustufe. Außerdem muss das Saugrohr der Turbine in den Untergrund hineingebaut werden, was die Baukosten ebenfalls stark nach oben treibt. Schließlich sind die Turbinen von ihren Abmessungen sehr groß, was sich ebenfalls in entsprechend hohen Baukosten niederschlägt.
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Weil die Drehzahl solcher Turbinen sehr gering ist, kommen entweder sehr teure direkt gekuppelte Generatoren zu Einsatz oder es muss zwischen der Turbine und dem Generator ein mehrstufiges Getriebe vorgesehen werden. All diese Faktoren führen dazu, dass unter den heute gegebenen wirtschaftlichen Randbedingungen, wie beispielsweise die Einspeisevergütung des EEG, Wasserkraftanlagen mit kleiner Fallhöhe oft nicht wirtschaftlich sind und sie daher sehr nicht realisiert werden.
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Im Zuge der gesetzlichen Vorgabe des Wasserhaushaltsgesetzes, wonach alle Querbauwerke in der EU für Fische und andere Lebewesen durchgängig gemacht werden müssen, besteht an einer Vielzahl von vorhandenen Querbauwerken die Notwendigkeit Baumaßnahmen durchzuführen. Bei der Prüfung, ob im Zuge der Herstellung der Durchgängigkeit auch eine Wasserkraftnutzung installiert werden kann, scheitert dies oft an der nicht gegebenen Wirtschaftlichkeit.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Konzept beziehungsweise eine Wasserkraftanlage bereitzustellen, welche bei Standorten mit niedriger Fallhöhe und einem großen Wasserangebot, eine wirtschaftliche Alternative zur herkömmlichen Kraftwerken darstellt. Dabei sind eine hohe Zuverlässigkeit, möglichst geringe Investitionskosten und eine lange Lebensdauer von Bedeutung.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine wasser- oder fluidgetriebene Pumpe mit einer Turbine in Reihe geschaltet wird. Mithilfe einer fluidgetriebenen Pumpe ist es möglich, die potenzielle Energie eines großen Wasserstroms mit nur geringem Gefälle zu transformieren in einen kleinen Wasserstrom, der einen entsprechend höheren Druck aufweist. Mit diesem kleinen, aber unter relativ hohem Druck stehenden relativ kleinen Wasser-Massenstrom wird erfindungsgemäß eine kleine schnelllaufende Turbine angetrieben. Dadurch werden die Kosten für die Turbine und den Generator verringert, außerdem können erhebliche Kosten für den Tiefbau eingespart werden. Auch ein Getriebe kann meistens entfallen.
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Das wohl bekannteste Beispiel einer fluid- oder wassergetriebenen Pumpe ist der so genannte hydraulische Widder, auch als Stoßheber bezeichnet. Er wurde im Jahr 1797 von Joseph Michel Montgolfier erfunden. Hydraulischen Widder haben sich seit Jahrhunderten als leistungsfähig, simpel und robust erwiesen.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, einen oder mehrere hydraulische Widder beziehungsweise wassergetriebene Pumpen dazu einzusetzen, dass sie eine Mittel- oder Hochdruckturbine mit unter hohem druckstehenden Wasser versorgen.
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Die Vorteile der Erfindung sollen anhand eines Rechen-Beispiels veranschaulicht werden.
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Wenn man ein Wasserangebot von 20 m3/s bei einer Fallhöhe von 1,5 m unterstellt, dann ergibt sich daraus ein theoretisches Potenzial von etwa 300 kW. Wenn man dieses Potenzial in einer herkömmlichen Wasserkraftanlage mit Turbine, Getriebe und Generator in elektrische Energie umsetzt, dann ist dies mit einem Gesamtwirkungsgrad von etwa 0,7 möglich. Dies bedeutet, dass eine elektrische Leistung von etwa 210 kW realisierbar ist.
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Allerdings ist bei einer solchen Anlage oft die Wirtschaftlichkeit nicht gegeben, so dass dieses Potenzial ungenutzt bleibt.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, mit Hilfe von einer oder mehreren hydraulischen Widdern oder anderen wassergetriebenen Pumpen, den großen Massenstrom von 20 m3/s zu reduzieren und gleichzeitig den Druck des Wassers zu erhöhen.
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So ist es beispielsweise möglich, mit Hilfe eines hydraulischen Widders bei einem Gefälle von 1,5 m einen Druck von 6 bar zu erzeugen, entsprechend einer Fallhöhe von 60 m. Dementsprechend reduziert sich der Wasserstrom von 20 m3 auf 0,5 m3/s, wenn man einen verlustlosen hydraulischen Widder unterstellt.
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Bei einem konservativ angesetzten Wirkungsgrad des hydraulischen Widders von 0,5 wäre der Massenstrom jedoch nicht 0,5 m3/s, sondern nur noch 0,25 m3/s, entsprechend einer hydraulischen Leistung von 150 kW. Mit dieser hydraulischen Leistung von 150 kW kann nun eine Turbine angetrieben werden, die wegen der Fallhöhe sehr klein baut, eine hohe Betriebsdrehzahl hat und entsprechend günstig in der Herstellung und im Betrieb ist. Gleiches gilt für den Generator. Ein Getriebe wird nicht benötigt.
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Wenn man weiter unterstellt, dass auch diese Hochdruckturbine und der dazugehörige Generator einen Wirkungsgrad von 0,7 haben, dann lässt sich eine elektrische Leistung an den Generatorklemmen von 105 kW realisieren.
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Mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit ist die erfindungsgemäße Wasserkraftanlage im Vorteil, wenn die Gesamtkosten der erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage weniger als 50% einer herkömmlichen Wasserkraftanlage mit einer Turbine, deren schluckvermögen 20 m3/s beträgt.
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Wenn die erfindungsgemäße Wasserkraftanlage aufgrund der geringeren Baukosten einen höheren Ausbaugrad hat als eine herkömmliche Wasserkraftanlage und man den Hydraulischen Widder hinsichtlich seines Wirkungsgrads optimiert, steigt die Jahresarbeit entsprechend an und die wirtschaftlichen Vorteile werden noch größer.
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Anhand dieses Beispiels wird deutlich, dass die erfindungsgemäße Wasserkraftanlage keinen Verstoß gegen den Energieerhaltungssatz darstellt, sondern aufgrund der geringeren Baukosten wirtschaftlicher als eine herkömmliche Wasserkraftanlage sein kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage können alle herkömmlichen Bauarten von Mittel- und Hochdruck-Turbinen einsetzt werden, wie beispielsweise Francis-Turbinen, Kaplanturbinen oder Pelton-Turbinen. Besonders wegen ihrer Einfachheit ist eine Pelton-Turbine vorteilhaft. Eine Pelton-Turbine hat auch dann einen großen Vorteil, wenn mehrere parallelgeschaltete wassergetriebene Pumpen eingesetzt werden. Dann kann jede Pumpe oder jeder Hydraulische Widder eine Düse der Pelton-Turbine versorgen, so dass die Pelton-Turbine stets in einem guten Arbeitspunkt betrieben werden kann.
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Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, dass mehrere Pumpen oder Hydraulische Widder in eine gemeinsame Sammelleitung fördern und diese Sammelleitung mit dem Einlass einer Mittel- oder Hochdruckturbine verbunden ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der hydraulische Widder eine Triebleitung, mit einem Stoßventil und einem Druckventil, sowie eine Druckleitung umfasst. Anders als bei herkömmlichen hydraulischen Widdern, ist ein Windkessel nicht unbedingt erforderlich. Dies liegt daran, dass die Turbinen gewissermaßen eine Dämpfungsfunktion haben, so dass auch ohne Windkessel, keine unzulässig hohen Druckstöße in der Druckleitung auftreten.
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Es ist jedoch auch möglich, den Windkessel vorzusehen, um eine Vergleichmäßigung des Massenstroms und des Drucks in der Druckleitung und am turbineneintritt zu erreichen, falls erforderlich.
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Im Gegensatz zu einem herkömmlichen hydraulischen Widder, bei dem das Stoßventil als passives Ventil ausgebildet ist, ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage vorgesehen, dass das Stoßventil von einem Steuergerät der Wasserkraftanlage aktiv gesteuert wird. Dadurch ist es möglich, die Förderhöhe beziehungsweise den Volumenstrom, der von dem hydraulischen Widder gefördert wird, aktiv zu steuern. Dies ermöglicht es, die Wasserkraftanlage entsprechend dem Wasserdargebot in dem jeweils optimalen Arbeitspunkt zu betreiben.
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So kann es bei manchen Turbinenbauarten vorteilhaft sein, bei niedrigem Wasserdargebot den Wasserstrom annähernd konstant zu halten und die Förderhöhe zu reduzieren. Bei anderen Turbinenbauarten wie zum Beispiel einer Pelton-Turbine ist man in der Regel bestrebt, die Förderhöhe konstant zu halten und bei wechselndem Wasserangebot die Wassermenge zu variieren.
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Ein weiterer Vorteil eines aktiv steuerbaren Stoßventils ist dann gegebene, wenn mehrere hydraulische Widder parallel zueinander geschaltet sind und eine gemeinsame Turbine antreiben. Dann nämlich ist es möglich, die hydraulischen Widder zeitlich versetzt anzusteuern, so dass eine Vergleichsmäßigung des zur Turbine geförderten Massenstroms erreicht wird. Dadurch wird auch die Druckbelastung auf der Förderseite des hydraulischen Widder beziehungsweise am Einlass der Turbine reduziert.
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Es ist nun prinzipiell möglich, dass der oder die hydraulischen Widder Wasser in einen Hoch-Behälter fördern und von dort das Wasser in eine Turbine geleitet wird. Diese Bauart ist technisch sehr einfach zu realisieren, und ermöglicht auch eine Zwischenspeicherung von Energie, so dass ein solches Wasserkraftwerk auch als Kurzzeitspeicher genutzt werden kann.
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Alternativ ist es möglich, dass der Zwischenspeicher als Druckbehälter ausgebildet wird und in diesem Zwischenspeicher ein höherer Druck als der Umgebungsdruck herrscht. Damit lässt sich eine sehr kompakte Bauweise realisieren.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch die Verfahren zum Betreiben eines Wasserkraftwerks gemäß dem nebengeordneten Anspruch 10 und dem abhängigen Anspruch 11.
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Diese Verfahren ermöglichen es, sowohl die wassergetriebenen Pumpen als auch die Turbine abhängig vom Wasserdargebot stets in einem optimalen Arbeitspunkt zu halten.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Widders (Stand der Technik) und
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage umfassend eine wassergetriebene Pumpe, eine Turbine und einen Generator.
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In der 1 ist eine Triebleitung 1 schematisch geschnitten dargestellt. Die Triebleitung 1 wird über einen Zulauf 3 mit Wasser zum Beispiel von einem Fluss versorgt. Am tiefsten Punkt der Triebleitung 1 ist ein Stoßventil 5 angeordnet, das in der 1 geöffnet dargestellt ist. Wenn das Stoßventil 5 geöffnet ist, fließt das Wasser vom Zulauf 3 durch die Triebleitung 1 durch das Stoßventil 5. Infolge dessen beschleunigt die Schwerkraft das Wasser in der Triebleitung 1 auf eine Geschwindigkeit v (t).
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Am hinteren Ende der Triebleitung 1 ist ein Druckventil 7 vorgesehen. Das Druckventil 7 hat die Funktion eines Rückschlagventils und sorgt dafür, dass bei bestimmten Druckverhältnissen Wasser von der Triebleitung 1 in einen Windkessel 9 gelangen kann. Außerdem verhindert das Druckventil 7, dass Wasser von dem Windkessel 9 in die Triebleitung 1 zurückströmen kann.
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Von dem Windkessel 9 zweigt eine Druckleitung 11 oder Steigleitung ab, die mit einem höhergelegenen Zwischenspeicher 13 verbunden ist. Die Fallhöhe des Wassers, welches über den Zulauf 3 in die Triebleitung 1 geleitet wird und über das Stoßventil 5 wieder aus der Triebleitung 1 austritt ist, in der 1 mit HTW angegeben. Die Förderhöhe des hydraulischen Widders ist in der 1 mit HF angedeutet. Es wird deutlich, dass die Förderhöhe HF sehr viel größer ist als die Fallhöhe HTw des Triebwassers. Der Volumenstrom des Wassers, das durch Triebleitung 1 strömt, ist sehr viel größer als der Volumenstrom des Wassers in der Druckleitung 11.
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Da ein hydraulischer Widder nur zwei bewegliche Teile besitzt (das Stoßventil 5 und das Druckventil 7), ist er sehr kostengünstig, die Wartung ist einfach und er ist sehr zuverlässig. Trotz (oder wegen) des einfachen Aufbaus, erreichen Hydraulische Widder Wirkungsgrade von mehr als 50 %; ein Wirkungsgrad von 60% wird in der Literatur als "üblich" bezeichnet, wobei Wirkungsgrade von bis zu 80% erreicht wurden! Mit einem Hydraulischen Widder lassen sich Förderhöhen von bis zu 300 m realisieren.
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Die Funktion des Hydraulischen Widders ist seit mehr als zweihundert Jahren bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise im Zusammenhang mit der beanspruchten Erfindung verzichtet wird.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung sei nur soviel gesagt:
Aus einem Zulauf 3 oder Vorratsbehälter strömt Wasser durch die mit einen Gefälle versehene Triebleitung 1 und tritt an deren Ende durch das Stoßventil 5 aus. Durch die Beschleunigung der Wassersäule in der Triebleitung 1 wird die potentielle Energie des Wassers in kinetische Energie umgewandelt.
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Sobald die Wassersäule in der Triebleitung 1 eine ausreichende Geschwindigkeit v erreicht hat, wird das Stoßventil 5 schlagartig geschlossen. In Folge dessen wird die Wassersäule in der Triebleitung 1 abrupt verzögert und die kinetische Energie der Wassersäule in Druckenergie umgewandelt, so dass ein hoher Überdruck (nachfolgend auch als Druckstoß bezeichnet) in der Triebleitung 1 entsteht. Dieser Druckstoß öffnet das Über-Druckventil 7, so dass ein Teil des in der Triebleitung 1 vorhandenen und unter hohem Druck stehenden Wassers in den Windkessel 9 gefördert wird. Das Triebwasser strömt solange in den Windkessel 9 ein, bis der Druck im Windkessel 9 und der Druck in der Triebleitung 1 etwa gleich groß sind und das Druckventil 7 selbsttätig wieder schließt.
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Vom Windkessel 9 gelangt das Wasser in die Druckleitung 11 und von dort in einen Zwischenspeicher 13, der eine größere geodätische Höhe als der Zulauf 3 hat.
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In der 2 ist nun ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage schematisch dargestellt. Dabei umfasst die Wasserkraftanlage eine wassergetriebene Pumpe 15, hier als hydraulischer Widder ausgebildet, eine Turbine 17 und einen Generator 19. Die Bauteile des hydraulischen Widders haben die gleichen Bezugszeichen wie in 1 und es gilt das bezüglich der 1 gesagte entsprechend.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Steuergerät 21 vorgesehen. Das Steuergerät 21 steuert die Stellorgane wie z. B. den Leitapparat der Turbine 17. Falls die Turbine 17 als Peltonturbine ausgebildet ist, steuert das Steuergerät 21 die Öffnung der Düsen der Peltonturbine.
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Anders als bei einem herkömmlichen hydraulischen Widder ist ein Windkessel 9 nicht erforderlich. Es ist jedoch auch möglich, einen Windkessel 9 vorzusehen.
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Stromabwärts des Druckventils 7 ist eine optionale Sammelleitung 23 vorgesehen. Die Sammelleitung 23 ist über das Druckventil 7 mit der Triebleitung 1 in an sich bekannter Weise hydraulisch gekoppelt. Außerdem ist die Sammelleitung 23 über eine Druckleitung 11 mit einem Einlass 25 der Turbine 17 verbunden. Alternativ kann die Triebleitung 1 direkt über die Druckleitung 11 mit dem Einlass 25 der Turbine 17 verbunden sein (nicht dargestellt).
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In der Triebleitung 1 ist nun in einer bevorzugten Ausführungsform ein Durchfluss- oder Geschwindigkeitssensor 27 angeordnet, dessen Ausgangssignale über Signalleitungen an das Steuergerät 21 übertragen werden.
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Des Weiteren ist das Stoßventil 5 über eine Signalleitung mit dem Steuergerät 21 verbunden, sodass das Stoßventil 5 vom Steuergerät 21 aktiv geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Dadurch ist es möglich, die Förderhöhe des hydraulischen Widders und den Volumenstrom in der Triebleitung 1 aktiv zu steuern.
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Beispielsweise kann bei Erreichen einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit v in der Triebleitung 1 das Stoßventil 5 aktiv vom Steuergerät 21 geschlossen werden. Je nach dem wie hoch die Strömungsgeschwindigkeit v zum Zeitpunkt des Schließens des Stoßventils 5 ist, stellt sich ein höherer oder niedriger Druckstoß in der Sammelleitung 23 und in der Druckleitung 11 ein. Über den Sensor 27 ist die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in der Triebleitung 1 als Eingangsgröße für das Steuergerät 21 bekannt, sodass das Steuergerät 21 das Stoßventil entsprechend der gewünschten Förderhöhe ansteuern kann.
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Wenn das Stoßventil 5 vom Steuergerät aktiv angesteuert werden kann, ist es auch möglich, bei einer Störung oder einem Notfall, den hydraulischen Widder sehr schnell zu deaktivieren. Es ist möglich, den hydraulischen Widder durch dauerndes Öffnen oder dauerndes Schließen des Stoßventils 5 außer Betrieb zu nehmen. Dadurch sind weitere Sicherheitsabsperrorgane, wie sie z. B. bei herkömmlichen Peltonturbinen vorzusehen sind, nicht erforderlich.
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Des Weiteren ist es möglich und oft auch vorteilhaft, wenn beim Einlass 25 der Turbine oder in der optionalen Sammelleitung 23 ein Drucksensor 29 vorgesehen ist, dessen Ausgangssignale ebenfalls als Eingangssignal des Steuergeräts 21 dienen.
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Damit ist es möglich, die Förderhöhe der Pumpe 15, bzw. den Druck am Einlass der Turbine 25 nicht nur zu überwachen, sondern auch bspw. diesen Druck auf einen vorgegebenen Sollwert einzuregeln.
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Dabei bestehen mehrere Möglichkeiten diesen Druck zu regeln. Es ist möglich, durch Ansteuern der Stellorgane der Turbine den Druck zu steuern, entsprechend der üblichen Wasserstandsregelung bei konventionellen wasserkraftanlagen.
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Des Weiteren ist es möglich, durch eine entsprechende Ansteuerung des Stoßventils 5 die Förderhöhe HF des hydraulischen Widders bzw. der Pumpe 15 zu steuern. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Druck am Einlass 25 der Turbine durch eine Kombination der Ansteuerung des Stoßventils 5 und der Turbine 17 zu regeln.
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Weil die erfindungsgemäße Wasserkraftanlage über die an sich bekannten Möglichkeiten der Turbinensteuerung hinaus einen zusätzlichen Freiheitsgrad, nämlich die Förderhöhe HF bzw. den Massenstrom in der Druckleitung 11 des hydraulischen Widders, bietet, lässt sich die erfindungsgemäße Wasserkraftanlage in einem sehr weiten Bereich an das vorhandene Wasserdargebot anpassen.
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Eine weitere Möglichkeit, die Wasserkraftanlage variabler im Betrieb zu machen und gleichzeitig die Verfügbarkeit zu erhöhen besteht darin, mehrere Triebleitungen 1 mit Stoßventilen 5 und Druckventilen 7 parallel zueinander zu schalten, wobei die parallel geschalteten hydraulischen Widder in eine gemeinsame Sammelleitung 23 fördern können. Dieses Konzept wird man in der Regel dann bevorzugen, wenn das Wasserdargebot starken Schwankungen unterliegt und/oder die Turbine als Francisturbine, Kaplanturbine oder Propellerturbine ausgebildet ist.
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Wenn die Turbine 17 eine Peltonturbine mit mehreren Düsen ist, dann ist es auch möglich, dass jeder hydraulische Widder eine Düse einer Peltonturbine mit unter Druck stehendem Wasser versorgt und bei niedrigem Wasserdargebot die Zahl der aktiv hydraulischen Widder reduziert wird. Das heißt, dass jede Düse über eine separate Druckleitung 11 von einer Triebleitung 1 mit unter hohem Druck stehendem Wasser versorgt (nicht dargestellt).
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Die Parallelschaltung von mehreren hydraulischen Widdern hat auch noch den Vorteil, dass die Förderung von unter Druck stehendem Wasser in die Sammelleitung 23 vergleichmäßigt wird und beim Ausfall eines Widders lediglich die Leistung der Turbine etwas reduziert wird, nicht jedoch die gesamte Wasserkraftanlage still gelegt werden muss.
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Weil ein hydraulischer Widder relativ kostengünstig ist, kann der Ausbaugrad einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage höher als bei herkömmlichen Wasserkraftanlagen gewählt werden, was die Jahresstromerzeugung erhöht. Außerdem ist es möglich, einen oder zwei dieser hydraulischen Widder als Reserve vorzuhalten und bei Ausfall eines Widders diesen abzusperren und einen der in Reserve befindlichen hydraulischen Widder zu aktivieren.
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Die Hauptausfallursache eines hydraulischen Widders ist das Stoßventil 5, weil es einerseits einen relativ großen Strömungsquerschnitt freigegeben muss und in Folge dessen beim schlagartigen Schließen des Stoßventils 5 erhebliche Kräfte auf den Ventilsitz und das Ventilglied ausgeübt werden. Es ist nun ohne weiteres möglich, in eine Triebleitung 1 zwei oder sogar drei Stoßventile 5 einzubauen, sodass beim Ausfall eines Stoßventils 5, dieses aktiv geschlossen wird und der Betrieb des hydraulischen Widders mit einem oder mehreren der redundant vorhandenen Stoßventile 5 erfolgen kann.
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Entsprechendes gilt natürlich auch für das Druckventil 7.
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In jedem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Ventile 5 und 7 für Wartungs- und Reparaturarbeiten bzw. für einen Austausch gut erreichbar sind. Es empfiehlt sich natürlich auch, dass zwischen Zulauf 3 und Triebleitung 1 ein Absperrschieber (nicht dargestellt) vorzusehen, damit auf einfache Weise der hydraulische Widder deaktiviert werden kann.
