DE102017006100B4

DE102017006100B4 - Pumpspeicherkraftwerk

Info

Publication number: DE102017006100B4
Application number: DE102017006100.9A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2037-06-23
Also published as: DE102017006100A1

Abstract

Pumpspeicherkraftwerk, das zur Energieerzeugung die Fallhöhe (14) eines Bergwerksschachtes nutzt, in dem aus einem Oberbecken (1) Wasser über mindestens eine Rohrleitung (4) in ein durch eine Kaverne (2) gebildetes Unterbecken leitbar ist und die Rohrleitung (4) im unteren Bergwerksschachtbereich mit mindestens einer Turbine (7) gekoppelt ist, wobeidie das Unterbecken bildende Kaverne (2) unter Einschluss der mindestens einen Rohrleitung (4) gegenüber dem Bergwerksschacht abgedichtet ist, wobei durch die Abdichtung (9) mindestens ein Entlüftungsrohr (6) von der Kaverne (2) in Richtung Oberbecken (1) geführt ist und in dem mindestens einen Entlüftungsrohr (6) oder gekoppelt mit dem mindestens einen Entlüftungsrohr (6) eine Gasturbine (8) angeordnet ist, die von dem das mindestens eine Entlüftungsrohr (6) durchströmenden Gas antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dassder das Unterbecken bildende Kaverne (2) nach unten hin mindestens eine weitere Kaverne (3) nachgeordnet ist, die mit der Kaverne (2) durch eine durch ein steuerbares Absperrventil (12) absperrbare Rohrleitung (5) verbunden ist, wobei die weitere Kaverne (3) mindestenseine durch ein Absperrventil (13) absperrbare Entlüftungsleitung (11) aufweist, die in die Kaverne (2) mündet oder die mit dem mindestens einen Entlüftungsrohr (6) der das Unterbecken bildenden Kaverne (2) gesteuert verbindbar ist undin der Rohleitung (5) ein Kolben (16) angeordnet ist, der sich unter dem Wasserdruck aus der Kaverne (2) nach unten bewegt und so für eine Gaskomprimierung in der weiteren Kaverne (3) sorgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkraftwerk unter Verwendung von ausgedienten Bergwerken als Ober- und Unterbecken, insbesondere von ehemaligen Salzbergwerken.
Die Nutzung von ausgedienten Bergwerken als Pumpspeicherkraftwerk ist z. B. aus der DE 20 2012 007 767 U1 bekannt. Der Schacht des Bergwerkes dient hier als Strömungsweg.
In der DE 10 2014 011 718 A1 wird desweiteren eine Kombination von Speicherkraftwerken und Geothermiekraftwerken vorgeschlagen, in dem das Wasser aus den Unterbecken in größere Tiefen abgeleitet wird, um Energie in Form von Wärme aufzunehmen.
Bei der DE 10 2011 107 835 A1 sollen in Salzstöcken hergestellte Kavernen als Speicherreservoirs verwendet werden.
Aus der DE 10 2015 002 654 A1 ist weiter ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, mittels derer ein Energieträgermedium in einem Bergwerk als Speicherbehälter speicherbar ist. Hier kommen zwei Flüssigkeiten zum Einsatz, eine im Speicherbehälter und eine, die auf die Flüssigkeit im Speicherbehälter permanent eine Kraft ausübt, so dass beim Öffnen eines Ventils das im Speicherbehälter vorhandene Medium ausströmt und als Energie verfügbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad derartiger, in Bergwerken installierten Pumpspeicherkraftwerken zu erhöhen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorgeschlagen wird ein Pumpspeicherkraftwerk, das zur Energieerzeugung die Fallhöhe eines Bergwerksschachtes nutzt, in dem aus einem Oberbecken Wasser über mindestens eine Rohrleitung in ein durch eine Kaverne gebildetes Unterbecken leitbar ist und die Rohrleitung im unteren Bergwerksschachtbereich mit mindestens einer Turbine gekoppelt ist, wobei die das Unterbecken bildende Kaverne unter Einschluss der mindestens einen Rohrleitung gegenüber dem Bergwerksschacht abgedichtet ist, wobei durch die Abdichtung mindestens ein Entlüftungsrohr von der Kaverne in Richtung Oberbecken geführt ist und in dem mindestens einen Entlüftungsrohr oder gekoppelt mit dem mindestens einen Entlüftungsrohr eine Gasturbine angeordnet ist, die von dem das mindestens eine Entlüftungsrohr durchströmenden Gas antreibbar ist.
Der das Unterbecken bildenden Kaverne nach unten hin ist mindestens eine weitere Kaverne nachgeordnet,
die mit der Kaverne durch eine durch ein steuerbares Ventil absperrbare Rohrleitung verbunden ist, wobei die Kaverne mindestens eine durch ein Ventil absperrbare Entlüftungsleitung aufweist, die in der das Unterbecken bildenden Kaverne mündet oder die mit dem mindestens einen Entlüftungsrohr der das Unterbecken bildenden Kaverne gesteuert verbindbar ist.
Die die beiden Kavernen verbindende Rohrleitung verfügen über einen darin beweglich angeordneten Kolben, so dass infolge der Kolbenbewegung unter dem Druck des Wassers aus der das Unterbecken bildenden Kaverne, das in der darunterliegenden Kaverne befindliche Gas komprimiert und dann der Gasturbine zugleitet wird.
Durch die Anordnung der mindestens einen Gasturbine wird das aus der das Unterbecken bildenden Kaverne durch das zuströmende Wasser verdrängte Gas für die Energieerzeugung genutzt. Das setzt selbstverständlich voraus, dass die das Unterbecken bildende Kaverne über keine weitere Gasaustrittsmöglichkeit verfügt als über das mindestens eine Entlüftungsrohr.
Das mindestens eine Entlüftungsrohr ist im Bereich zwischen dem Austritt aus der das Unterbecken bildenden Kaverne und der Gasturbine bei einer vorteilhaften Ausführung durch ein steuerbares Ventil verschließbar. Auf diese Weise kann das in der Kaverne befindliche Gas vor dem Entweichen komprimiert werden, was zur Erhöhung des Wirkungsgrades der mindestens einen Gasturbine führt, selbst wenn die Gasturbine nicht ständig arbeitet.
Durch das in dem das Unterbecken bildenden Kaverne vorhandene Wasser ließe sich beim Überströmen in die nachgeordnete Kaverne erneut Gas komprimieren, das dann auch über die mindestens eine Gasturbine ableitbar ist unter Erzeugung von Energie. Durch das Ventil in der Entlüftungsleitung erfolgt das Ablassen des Gases aus dieser nachgeordneten Kaverne erst bei einem vorgegebenen Druck.
Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, dass anstelle von Wasser in die daruntenliegenden Kaverne einzuleiten, die die beiden Kavernen verbindende Rohrleitung über einen darin beweglich angeordneten Kolben verfügt, so dass infolge der Kolbenbewegung unter dem Druck des Wassers aus der das Unterbecken bildenden Kaverne, das in der darunterliegenden Kaverne befindliche Gas komprimiert und dann der Gasturbine zugleitet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführung wird auch das Oberbecken durch mindestens eine Kaverne gebildet. Das Pumpspeicherkraftwerk tritt somit nach außen hin überhaupt nicht in Erscheinung und lässt sich komplett nach außen hin abdichten. Insbesondere bei dieser Ausführung kann dann auch mit einem Schutzgas gearbeitet werden, bevorzugt Kohlendioxid. Kohlendioxid hat eine höhere Dichte als Luft, wirkt korrosionshemmend, was bei Salzbergwerken von besonderer Bedeutung ist, und mindert gleichzeitig die Explosionsgefahr.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerkes vor, das zur Energieerzeugung die Fallhöhe eines Bergwerksschachtes genutzt wird, in dem aus einem Oberbecken Wasser über mindestens eine Rohrleitung in ein durch eine Kaverne gebildete Unterbecken leitbar ist und die Rohrleitung im unteren Bergwerksschachtbereich mit mindestens einer Turbine gekoppelt ist, wobei das ausströmende Gas aus der das Unterbecken bildenden Kaverne beim Einleiten von Wasser in diese Kaverne einer Gasturbine zur Erzeugung von Elektroenergie zugeleitet wird.
Vorteilhafterweise wird durch eine Ventilsteuerung das Gas aus der Kaverne erst nach einer Komprimierung der Gasturbine zugeleitet.
Der das Unterbecken bildenden Kaverne ist mindestens eine weitere Kaverne nach unten hin nachgeordnet, wobei die beiden Kavernen über eine Rohrleitung und einem darin beweglich angeordneten Kolben verbunden werden, so dass infolge der Kolbenbewegung unter dem Druck des Wassers aus der das Unterbecken bildenden Kaverne 2, das in der darunterliegenden Kaverne 3 befindliche Gas komprimiert und dann der Gasturbine zugleitet wird.
Anstelle von Wasser in die darunterliegenden Kaverne einzuleiten wird somit ein Kolben zur Gaskomprimierung genutzt.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt:

1 Bergwerkpumpspeicherkraftwerk mit zwei Kavernen als Unterbecken.

1 zeigt ein ausgedientes Salzbergwerk, in das ein Pumpspeicherkraftwerk installiert ist.
Das Pumpspeicherkraftwerk nutzt zur Energieerzeugung Wasser, das durch die Fallhöhe 14 des Bergwerkschachtes beschleunigt wird und eine Wassersäule bildet, in dem das Wasser aus dem Oberbecken 1 über die Rohrleitung 4 in das durch eine Kaverne 2 gebildete Unterbecken geleitet wird. Das Oberbecken 1 besteht hier aus zwei untereinander liegenden Kavernen, die jeweils mit der Rohrleitung 4 verbunden sind. Die Rohrleitung 4 ist im unteren Bergwerksschachtbereich mit der Turbine 7 gekoppelt, die die Energie des Wassers in eine Drehbewegung zur Stromerzeugung umwandelt.
Die das Unterbecken bildende Kaverne 2 ist unter Einschluss der Rohrleitung 4 gegenüber dem Bergwerksschacht abgedichtet, wobei durch die Abdichtung 9 hier vier Entlüftungsrohre 6 von der Kaverne 2 in Richtung Oberbecken 1 geführt sind. Jedes der Entlüftungsrohre 6 ist gekoppelt mit einer Gasturbine 8, die von dem die Entlüftungsrohre 6 durchströmenden Gas beim Füllen der Kaverne 2 angetrieben wird.
Die Entlüftungsrohre 6 sind im Bereich zwischen dem Austritt aus der das Unterbecken bildenden Kaverne und der Luftturbine 8 durch ein steuerbares Ventil 10 verschließbar. Auf diese Weise lässt sich das in der Kaverne 2 befindliche Gas vor dem Entweichen komprimieren, was zu einer Wirkungsgraderhöhung der Gasturbinen 8 beiträgt.
Der das Unterbecken bildende Kaverne 2 nach unten hin ist eine weitere Kaverne 3 nachgeordnet, die mit der Kaverne 2 durch die Rohrleitung 5 verbunden ist.
In der Rohrleitung 5 ist ein Kolben 16 angeordnet, der sich unter den Wasserdruck aus der Kaverne 2 nach unten bewegt und so für eine Gaskomprimierung in der Kaverne 3 sorgt. Die Kolbenrückbewegung erfolgt unter dem Saugdruck beim Pumpen des Wassers in das Oberbecken. Möglich ist auch ein geeigneter motorischer Antrieb, oder es wird ein leichter Überdruck beim Befüllen der Kaverne 3 mit Luft oder Schutzgas erzeugt.
Die Kaverne 3 weist eine durch das Absperrventil 13 absperrbare Entlüftungsleitung 11 auf, die in die Kaverne 2 mündet oder die mit den Entlüftungsrohren 6 der das Unterbecken bildenden Kaverne 2 gesteuert verbindbar ist. Auf diese Weise lässt sich das komprimiert Gas aus der Kaverne 3 ebenfalls für den Antrieb der Gasturbinen 8 nutzen.
Von Vorteil ist es, wenn in das Bergwerk einschließlich der Oberbecken 1 und der Kaverne 2, mindestens jedoch in die Oberbecken 1, die Kaverne 2 und die sie verbindenden Rohrleitungen ein Schutzgas eingebracht ist. Insbesondere hat sich Kohlendioxid bewährt, da Kohlendioxid korrosionshemmend wirkt, was bei Salzbergwerken von besonderer Bedeutung ist, und es gleichzeitig die Explosionsgefahr vermindert.
Die Turbine 7 wird bei niedrigem Netzstrombedarf genutzt, um das Wasser aus der das Unterbecken bildenden Kaverne 2 wieder in die Oberbecken 1 zu pumpen. Anstelle der Turbine 7 können dafür auch gesonderte Pumpen eingesetzt werden.
Um Ausspüleffekte zu minimieren, sollte das eingesetzte Wasser salzgesättigt sein. Ebenso können die Kavernen 2 und 3 mit zusätzlichen Wänden versehen sein.
Die Fallhöhe 14 des Wassers kann 800 m und mehr betragen.
Bezugszeichenliste

1: Oberbecken
2: Kaverne des Unterbeckens
3: weitere Kaverne des Unterbeckens
4: Rohrleitung
5: Rohrleitung
6: Entlüftungsrohr
7: Turbine
8: Gasturbine
9: Abdichtung
10: Ventil zwischen dem Unterbecken und der Gasturbine
11: Entlüftungsleitung
12: Absperrventil Rohrleitung
13: Absperrventil Entlüftungsrohr
14: Fallhöhe
15: Ventil
16: Kolben

Claims

Pumpspeicherkraftwerk, das zur Energieerzeugung die Fallhöhe (14) eines Bergwerksschachtes nutzt, in dem aus einem Oberbecken (1) Wasser über mindestens eine Rohrleitung (4) in ein durch eine Kaverne (2) gebildetes Unterbecken leitbar ist und die Rohrleitung (4) im unteren Bergwerksschachtbereich mit mindestens einer Turbine (7) gekoppelt ist, wobei die das Unterbecken bildende Kaverne (2) unter Einschluss der mindestens einen Rohrleitung (4) gegenüber dem Bergwerksschacht abgedichtet ist, wobei durch die Abdichtung (9) mindestens ein Entlüftungsrohr (6) von der Kaverne (2) in Richtung Oberbecken (1) geführt ist und in dem mindestens einen Entlüftungsrohr (6) oder gekoppelt mit dem mindestens einen Entlüftungsrohr (6) eine Gasturbine (8) angeordnet ist, die von dem das mindestens eine Entlüftungsrohr (6) durchströmenden Gas antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der das Unterbecken bildende Kaverne (2) nach unten hin mindestens eine weitere Kaverne (3) nachgeordnet ist, die mit der Kaverne (2) durch eine durch ein steuerbares Absperrventil (12) absperrbare Rohrleitung (5) verbunden ist, wobei die weitere Kaverne (3) mindestens eine durch ein Absperrventil (13) absperrbare Entlüftungsleitung (11) aufweist, die in die Kaverne (2) mündet oder die mit dem mindestens einen Entlüftungsrohr (6) der das Unterbecken bildenden Kaverne (2) gesteuert verbindbar ist und in der Rohleitung (5) ein Kolben (16) angeordnet ist, der sich unter dem Wasserdruck aus der Kaverne (2) nach unten bewegt und so für eine Gaskomprimierung in der weiteren Kaverne (3) sorgt.
Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das das mindestens eine Entlüftungsrohr (6) durchströmende Gas Kohlendioxid (CO₂) ist.
Pumpspeicherkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Entlüftungsrohr (6) im Bereich zwischen dem Austritt aus der das Unterbecken bildenden Kaverne (2) und der Gasturbine (8) durch ein steuerbares Ventil (10) verschließbar ist.
Pumpspeicherkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (5) bis in Bodennähe der Kaverne (3) geführt ist, so dass sich oben in der Kaverne (3) ein Sammelraum für Gas ausbildet, in dem die Entlüftungsleitung (11) mündet.
Verfahren zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerkes, das zur Energieerzeugung die Fallhöhe (14) eines Bergwerksschachtes nutzt, in dem aus einem Oberbecken (1) Wasser über mindestens eine Rohrleitung (4) in ein durch eine Kaverne (2) gebildete Unterbecken leitbar ist und die Rohrleitung (4) im unteren Bergwerksschachtbereich mit mindestens einer Turbine (7) gekoppelt ist und das ausströmende Gas aus der Kaverne (2) beim Einleiten von Wasser in die Kaverne (2) einer Gasturbine (8) zur Erzeugung von Elektroenergie zugeleitet wird, wobei der das Unterbecken bildenden Kaverne (2) mindestens eine weitere Kaverne (3) nachgeordnet ist, die mit der Kaverne (2) über eine Rohrleitung (5) und einem darin beweglich angeordneten Kolben (16) verbunden ist, so dass infolge der Kolbenbewegung unter dem Druck des Wassers aus der Kaverne (2), das in der weiteren Kaverne (3) befindliche Gas komprimiert und dann der Gasturbine (8) zugleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Ventilsteuerung das Gas aus der Kaverne (2) erst nach einer Komprimierung der Gasturbine (8) zugeleitet wird.