DE102020002609A1

DE102020002609A1 - Unterwasser-PSKW im Tagebau-Restsee

Info

Publication number: DE102020002609A1
Application number: DE102020002609.5A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Luther; Horst Schmidt-Böcking
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2021-11-04
Also published as: DE102020002609A9

Abstract

Die Erfindung betrifft den Bau eines großen Unterwasser-Pumpspeicher-Kraftwerkes (U.PSKW) in einem ausgebeuteten tiefen Tagebaugelände, wobei als Oberbecken der bei der Rekultivierung zu erstellende See 0 und als Unterbecken geeignete Hohlkörper 202 in der tiefen Rinne dieses Sees eingesetzt werden. Die Erfindung vertieft und ergänzt die zu diesem Gebiet von den gleichen Erfindern am 10.7.2019 eingereichte Patentanmeldung DE 10 2019 118 725: „Verfahren zur Errichtung eines Pumpspeicherkraftwerks in einer Bodenvertiefung, insbesondere in einer Tagebaugrube.“Das beigefügte Bild 33 zeigt als ein Ausführungsbeispiel ein U.PSKW in „massiver Leichtbauweise“ (202) mit einem „Streifenfundament“ (601), das von einer massiven Bodenplatte (60) umgeben ist. Durch diesen „Kragen“ wird ein Grundwasserstrom vom freien Seewasser (0) zum U.PSKW stark eingeschränkt und eventuelle Restströme können durch die wasserdurchlässigen Teile des „Streifenfundamentes“ (601) in das Speichervolumen einsickern und werden dann von dort zusammen mit dem Speicherwasser bei der nächsten Entleerung ausgepumpt.

Description

Die Erfindung betrifft den Bau eines großen Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerkes (U.PSKW) in einem ausgebeuteten tiefen Tagebaugelände, wobei als Oberbecken der bei der Rekultivierung zu erstellende See und als Unterbecken geeignete Hohlkörper in der tiefen Rinne dieses Sees eingesetzt werden.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Nachnutzung eines Braunkohlereviers und baut auf den von den gleichen Erfindern am 10.7.2019 eingereichten Patentanmeldungen DE 10 2019 118 726 und insbesondere DE 10 2019 118 725 „Verfahren zur Errichtung eines Pumpspeicherkraftwerks in einer Bodenvertiefung, insbesondere in einer Tagebaugrube“ auf.
Beschreibung
0. Einleitung und Bezug auf DE 2019 118725
Zweck und Potential der Erfindung:
Der Zweck der Erfindung besteht darin, tiefe Tagebaulöcher oder sonstige tiefe Löcher auf der Erdoberfläche einer Nutzung durch Errichtung eines „riesigen“ U.PSKW zuzuführen. In /DE_SeeEi1/ haben wir dazu grundsätzliche Überlegungen zum zukünftigen Gesamtaufbau der Energieversorgung in Deutschland angestellt und dargelegt, dass die Energiewende sinnvollerweise als Zusammenwirken von Stromerzeugern aus erneuerbarer Energie (Wind und Sonne) mit einer sich aus zwei unterschiedlichen Speichertypen zusammengesetzten Speicherstruktur aufzufassen ist („Zwei-Speichermodell“). Im Einzelnen wurde dies insbesondere im Abschnitt „Die Energiewende erfordert Kurz- und Langzeitspeicher“ von /DE_SeeEi1/ hervorgehoben.
Das „riesige“ wirtschaftliche und energetische Potential des Hambacher Loches im Rheinischen Braunkohlerevier, das für den Bau von Pumpspeicherkraftwerken theoretisch ausgenutzt werden könnte, wurde u.a. in den Abschnitten „Energetisches Potential eines zum PSKW umgewandelten Tagebaues“ und Energetisches Potential: Tief Ausgebaggerte und erweiterte Rinne im See von /DE_SeeEi1/ beschrieben; wobei wir aber darauf verweisen mussten, dass uns keine detailliertere Angaben des Betreibers verfügbar waren.
Hier müssen wir nun eine nicht unwichtige Korrektur anbringen: Im Abschnitt „Wirtschaftliches Potential pro m³ nutzbarem Hohlraum“ von /DE_SeeEi1/ haben wir bei der groben Abschätzung der Kosten eine durch die Verhältnisse im Steinkohlebergbau motivierte Annahme benutzt, die aber beim Braunkohletagebau im Hambacher Loch nicht zutreffend ist. Der dort in Gl(42) eingeführte „TaubesGesteinFaktor“, der beschreibt wieviel taubes Gestein zu jedem geförderten Kubikmeter Braunkohle zusätzlich aus derselben Teufe gefördert werden muss, und den wir in der dortigen Gl.(42) mit 2 geschätzt haben, spielt bei der Braunkohle im Tagebau Hambach keine Rolle. Hier enthalten die eigentlichen Braunkohleflöze praktisch überhaupt kein totes Gestein mehr, so dass dort tatsächlich gilt:
TaubesGesteinFaktor = 1
Würde man nun der Vorgehensweise in der in /DE_SeeEi1/ durchgeführten Schätzung weiter folgen, ergäbe sich als Fazit der doppelte Wert, nämlich 35 [€/m³__hohl], für die Kosten, die man für ein in der Abbauteufe direkt (= netto) als Speichervolumen einsetzbares Nutzloch aufbringen müsste. Allerdings muss man berücksichtigen, dass man ab einer gewissen Teufe auch das Volumen, das durch den Abraum oberhalb des im Hambacher Loch ja relativ tief liegenden Braunkohleflözes freigelegt wird, ebenfalls noch als Nutzloch auffassen kann; dann kann man den in /DE_SeeEi1/ angegebene Rechenwert von
rund 20 [€/m³__hohl]
und die daraus gezogenen Folgerungen zum Teil (d.h. für eine Teufe bis etwa Unterkante des Braunkohleflözes) möglicherweise doch aufrechterhalten. Man kann also dort einen großen Teil der für die Energiewende in Deutschland benötigten Kurzzeitspeicher-Kapazität als U.PSKW realisieren.
Allerdings hat die RWE als Betreiber und Eigentümer eine weitere Vertiefung des Hambacher Loches für die Zwecke der Errichtung von PSKW ausgeschlossen /RWE 2019/, so dass die weitergehenden Überlegungen im Abschnitt „Energetisches Potential: Tief Ausgebaggerte und erweiterte Rinne im See“ in /DE_SeeEi1/ bezüglich des Hambacher Loches gegenwärtig noch nicht als realisierbar erscheinen können..
Stand der Technik:
Der Stand der Technik ist in der Beschreibung zu DE 10 2019 118 725 /DE_SeeEi1/ in den Abschnitten „Braunkohletagebau als Standort für PSKW“ und „Unterirdische und Untersee - PSKW“ ausführlich dargestellt worden. Unseres Wissens sind in der kurzen Zwischenzeit keine wesentlichen Ergänzungen von Dritten hinzugekommen. Der durch unsere Patentanmeldungen DE 10 2019 118 725.7 und DE 10 2019 118 726.5 (/DE_SeeEi1v/) erweiterte Stand der Technik ist in den eingereichten Patenansprüchen und der dortigen Beschreibung dargestellt. Siehe hierzu insbesondere die Abschnitte: „Ausbau eines bestehenden Tagebaus als PSKW“ und
„Weitere Ausführungsformen und Details zur Konstruktion und Auslegung“.
Der hierdurch erweiterte Stand der Technik lässt sich im Hinblick auf die Vertiefungen und Ergänzungen, die wir in dieser Schrift darstellen, wie folgt zusammenfassen:

Ziel von /DE_SeeEi1/ war der modulare Aufbau einer Gesamtheit von gleichartigen Speicherkörpern in möglichst dichter Packung und in mehreren Stockwerken. Hierzu wurde u.a. eine hexagonal dichteste Packung von Hohlkugel-Speicherkörpern vorgeschlagen, wobei sich der freie Zugang 24 zwischen den Pumpturbinen und dem „Oberbecken“ 0 des PSKW, also dem Restsee des Tagebauloches, direkt als Eigenschaft der „kristallographischen Struktur“ der hexagonal dichtesten Anordnung ergibt.

Bei den Berechnungen haben wir häufig die „StEnSea -Kugel“ als Referenz benutzt; diese bezieht sich auf ein Forschungsprojekt „Stored Energy in the Sea“, welches von dem Fraunhofer Institut iee (früher IWES), Kassel, und der Baufirma Hochtief AG, Essen, auf der Grundlage unserer Patente /DE_Meerei1/ und /DE_Meerei2/ entwickelt wurde und bisher zu dem Test eines um den Maßstab 1:10 verkleinerten Modelles im Bodensee geführt hat /StEnSea/. Die von uns für die Kalkulationen zugrunde gelegten Abstraktionen und Rechenwerte der „StenSea Kugel“ sind in DE 10 2019 118 725.7 (/DE_SeeEi1/) im Kapitel „Unterirdische und Untersee-PSKW“ zusammengestellt.
Ein aus DE 10 2019 118 725.7 resultierender, neue Stand der Technik kann anhand von Bild 1 und Bild 2, bei denen es sich um eine leicht modifizierte Reproduktion der und aus /DE_SeeEi1/ handelt, veranschaulicht werden. Bild 1 zeigt die Draufsicht auf die in der (beispielweise) Hambacher Rinne eingebetteten Hohlraum-Kugelspeichern in hexagonal dichtester Packung. Die Kugeln sind nur zweidimensional durch ihre waagerechten Querschnitts-Großkreise dargestellt. Man sieht flächendeckend die zweitoberste Lage und auf der linken Seite einen Teilbereich der obersten Lage. Die dargestellte hexagonal dichteste Kugelpackung ergibt aus Symmetriegründen von unten nach oben durchgehende senkrechte Freiräume 24 und 22, deren eine Hälfte (nämlich 24) wie dargestellt als Zugangs- oder Verbindungsschächte mit einem lichten Engpass-Schacht 4 genutzt werden können.
In der hexagonal dichtesten Kugelpackung liegen die Kugeln jeder dritten Ebene wieder exakt über den Kugeln einer ersten Ebene. Dies wird in einem in Bild 2 dargestellten senkrechten Querschnitt (auf der Linie [A .. A#] von Bild 1) deutlich. In Bild 2 wird ein Spezialfall dargestellt, bei dem bis auf ein Verbindungsrohr 44 zwischen freiem See 0 und der Pumpturbinen-Station 77 die gesamte Speicheranlage völlig mit Abraum oder Ballastmaterial zugeschüttet ist. Die Wartung und ein eventueller Ersatz der Pumpturbine erfolgt -wie in einem Bergwerk- über eine im Seeboden verlegte Strecke 67, die mit einem zentralen Versorgungs- und Personenschacht 5 verbunden ist.
[redaktionelle Anmerkung: Wir benutzen in dieser Schrift die in /DE_SeeEi1/ eingeführten Bezeichnungsnummern weitgehend unverändert weiter.]

1. Anknüpfungspunkte für eine Weiterentwicklung:
- Aufgrund unserer nun etwas erweiterten Erkenntnisse über das Hambacher Loch und aufgrund der weiteren gedanklichen Durchdringung der Problematik ergeben sich einige Kritikpunkte, Erkenntnisse und Erweiterungen an den in DE 10 2019 118 725.7 vorgetragenen Überlegungen zur Nutzung eines Tagebauloches als U.PSKW. Die wichtigsten Erkenntnisse, die uns zu weiteren Ansatzpunkten für die technische Umsetzung führen, sind die folgenden:
  - • Es ist günstiger die Kraftableitung der Massengewichte möglichst senkrecht vorzunehmen. Ziel bleibt: lange Lebensdauer durch (fast) keine Bewehrung des Betons!
  - • Die freie Zugänglichkeit insbesondere zur Pumpturbine ist für den Betreiber von ausschlaggebender Bedeutung; sie muss daher einfach und routinemäßig gegeben sein.
  - • Es ist (leider) nicht damit zu rechnen, dass man die Rinne außerplanmäßig vertiefen oder erweitern möchte. Wir müssen also im Hambacher Loch von der gegebenen Teufe von 400 bis 450 m ausgehen. Daher bestimmt die Auftriebsvermeidung und nicht die statische Dimensionierung den Massen Einsatz, sofern man jede irgendwie mögliche Entstehung von resultierenden Auftriebskräften nicht sicher vermeiden kann (siehe hierzu aber Kapitel 5).
  - • Eine hexagonal dichteste Kugelpackung ermöglicht die größte Speicherdichte, wenn man nur die Innenvolumina der Kugeln als Speicherraum betrachtet. Dieser Vorteil wird jedoch durch einige Nachteile dieser Anordnung beeinträchtigt:
    - der Aufbau der verschachtelten Anlage erscheint aufwendig es gibt keine glatten senkrechten Bruchflächen, da die einzelnen Kugelebenen gegeneinander versetzt sind
    - die freien Zugangsräume 24 sind relativ eng; dies behindert insbesondere die hydraulische Zusammenschaltung sehr vieler Speicherkugeln auf eine besonders leistungsstarke und daher besonders großvolumige Pumpturbine

Erfindungsgemäße Ansatzpunkte für die Umsetzung der Anforderungen und Verbesserung der Technik
Im folgenden geben wir einen Überblick über die technischen Details der Erfindung, die in ihrer Gesamtheit zu einer durchgreifenden Verbesserung des Konzeptes eines U.PSKW führen; es muss betont werden, dass lediglich isolierte Veränderungen im Einzelfall sogar zu einer Verschlechterung führen können.
Die folgenden Ansatzpunkte beziehen sich auf eine vorwiegend senkrechte Kraft-Übertragung.

(1.) Für große Teufen bleibt die hexagonal dichteste Kugelpackung eine interessante Option, da sie es erlaubt, den baustatisch notwendigen Betoneinsatz zu minimieren. Es muss jedoch dafür Sorge getragen werden, dass die Massenkräfte zwischen den Kugeln möglichst senkrecht erfolgen. Dies lässt sich ermöglichen, indem man die Kraftübertragung nach unten jeweils über übernächste Kugelebenen leitet, die ja identisch sind und exakt senkrecht übereinanderstehen. (Kapitel 2).
(2.) Eine weitere Möglichkeit zur senkrechten Kraftübertragung besteht darin, dass man die durchgehenden „verfüllbaren“ Zugangsräume 22, die ja im Unterschied zu den freien Zugangsräumen 24 nicht als Ab- und Anströmungsweg für die Pumpturbinen 77 benötigt werden, als Raum zur Anbringung tragende Pfeiler einer Innenskelett-Konstruktion verwendet. (Kapitel 3) Die folgenden Ansatzpunkte beziehen sich überwiegend auf die neu vorgestellte einfach kubische Kugelpackung. (Kapitel 4)

Eine Einschränkung bei der Auswahl geeigneter Anordnungen der Speicherkugeln bestand in /DE_SeeEi1/ darin, dass immer nur ein einziger Speicherkörper-Typ betrachtet und dann versucht wurde, das Lückenvolumen möglichst klein zu machen. Eine gute Idee ist es aber, auch Teile des Lückenvolumens zu Speicherzwecken nutzen. Eine Elementarzelle der gesamten Speicheranordnung besteht dann nicht mehr aus nur einer einzigen Art von Speicherkörper (z.B. Kugel oder Zylinder oder prismatischer Hohlkörper), sondern verschiedene Typen von Speicherkörpern werden zusammen eingesetzt. Wegen der hervorragenden baustatischen Eigenschaften der Kugelwandung bleibt es zweckmäßig beizubehalten, dass die Kraftableitung des gesamten Speicherbauwerkes weitgehend über die senkrecht übereinander liegenden und kraftschlüssig verbundenen Speicherkugeln als „Speichersäulen“ erfolgt.
Daraus ergeben sich die folgenden Ansatzpunkte zur Verbesserung des Standes der Technik:
(3.) Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, neben der in /DE_SeeEi1/ als Konstruktionsbeispiel behandelten hexagonal dichtesten Kugelpackung auch die einfach kubische Packung heranzuziehen. Diese besteht darin, die Kugeln eines Stockwerks quadratisch anzuordnen, und jede weitere Ebene unverschoben auf die unterliegende Ebene aufzusetzen, so dass alle Ebenen identisch sind. (Für eine ausführlichere Beschreibung der auf unsere Anwendung bezogenen Eigenschaften der Einfach Kubischen Struktur siehe Kapitel 4). Da es nun keine Packungsbedingten Mulden für die Aufnahme der Kugeln des folgenden Stockwerkes mehr gibt, müssen die direkt übereinander liegenden Kugeln durch eine „Schuh-Helm“ Konstruktion (siehe Kapitel 2.1) kraftschlüssig verbunden werden, was ja auch aus statischen Gründen erwünscht ist (siehe oben).
(4.) Der Vorteil der Einfach-kubischen Packung besteht darin, dass die senkrechten Zwischenräume (22, 24) zwischen den Kugeln relativ groß sind und ihnen jeweils durchgehende, zylindrische oder prismatische Hohlkörper, vornehmlich quadratische Schächte mit der Kantenlänge (siehe Kapitel 4.1) $A = x^{*} D$
mit x=0,4142 ; D= Kugeldurchmesser
einbeschrieben werden können. Diese können zu jeweils unterschiedlichen Zwecken genutzt werden, und zwar als:

[1.] Freier Zugangsschacht 44, der für Versorgung der Pumpturbinen mit an- und abströmendem Wasser notwendig ist und auch den Zugang zu den Pumpturbinen garantiert.
[2] Verfüllbarer Schacht 42. Das sind die übrigen Schächte, die also nicht für den Betrieb der Pumpturbinen unumgänglich sind. Diese können als Kanäle für Stromleitungen und Wasserrohre benutzt werden, wobei diese Funktion aber auch von einem freien Zugangsschacht 44 übernommen werden kann.
[3] zusätzlicher Speicherschacht 43. Hierfür muss der Schacht oben druckfest abgeschlossen werden. Damit kann er aber auch für anliegende Speicherkugel als druckfester Zugang zur Pumpturbinen Einheit 77 mitbenutzt werden.

(5.) Aus Symmetriegründen bleiben bei der einfach kubischen Anordnung die Zwischenräume (22, 24) zwischen den Kugeln unverändert, wenn man die Anordnung um 90 Grad dreht: Aus den „senkrechten Zwischenräumen“ werden dann analoge waagerechte Zwischenräume denen man analoge waagerechte „Schächte“ 43w einbeschreiben kann. Die waagerechte Ausrichtung der Speicher wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad der Pumpturbinen aus (Kapitel 4.3.2).
(6.) Zusätzlich zu den oben genannten senkrechten (oder alternativ waagerechten) Schächten gibt es in der einfach kubischen Kugelanordnung noch diagonal verlaufende Zwischenräume, die durch etwas kleinere, diagonal verlaufende ebene (bzw. alternativ schiefe) Speicherschächte 43d ausgenutzt werden können.
Bei einer waagerechten Anordnung der Speicherschächte 43w lassen sich über die diagonalen Speicherschächte 43d benachbarte Stockwerke der Speicheranordnung hydraulisch miteinander verbinden.
(7.) Der Freie Zugangsschacht 44 ist groß genug, dass er in Verbindung mit einer bei Druckausgleich leicht abhebbaren bzw. aufsetzbaren Montageplatte 76 für die Pumpturbine(n) 7 in der Pumpturbineneinheit 77 einen guten Service-Zugang bietet. Dann können die Pumpturbinen auch nachträglich montiert werden und bei späterer Erweiterung des Speichervolumens ggfls. vergrößert werden.
Fazit und innerer Zusammenhang:
Kurz gesagt: Die einfach kubische Symmetrie der Kugelanordnung erlaubt eine einfache Möglichkeit der weitgehend senkrechten Kraftableitung und ergibt einfache und große Zugangsräume zum Oberbecken. Bei dieser Symmetrie ergibt sich jedoch zunächst gegenüber der hexagonal dichtesten Kugelpackung ein deutlich größeres Lückenvolumen, welches aber als Raum für einen weiteren Typ von Speicherkörpern so ausgenützt werden kann, dass sich insgesamt doch eine praktisch ebenso hohe Packungsdichte des gesamten Speicherraumes ergibt.
Die folgenden Ansatzpunkte ermöglichen eine unter Umständen drastische Kostensenkung bei der Errichtung einer großvolumigen Speicheranlage
(8.) Das Ausgieß-Prinzip (Kapitel 4.2 und 4.5)
Die Errichtung einer derart großvolumigen Speicheranlage kann erleichtert werden, wenn man die druckfesten Hohlkörper zunächst als dünnwandige Schalungskörper oder abschnittsweis als dünnwandige, den späteren Speicherraum umschließende Schalungselemente montiert und dann die gesamte Anlage mit Beton ausgießt. Wegen der Ausdehnung der Anlage wird der Spiegel des flüssigen Betons nur langsam ansteigen, so dass die unteren Bereiche sich noch während des Ausgießprozesses verfestigen und daher keinen Seitendruck mehr auf die Schalung ausüben.
(9.) Auftriebsverhinderung (Kapitel 5)
Die erfindungsgemäße einfach kubische Packung der tragenden senkrechten Speicherkugel Säulen ermöglicht baustatisch relativ „dünne“ Wanddicken. In Verbindung mit der konsequenten Ausnutzung der übrigbleibenden Hohlräume zur zusätzlichen Speicherung ergeben sich dann hohe Füllfaktoren F_füll, die wir gemäß Gl(1) (/DE_SeeEi1/; dortige Gl(10)) $F_{füll} = {x_V}^{*} x_Pack$
ansetzen als Produkt des Wanddicken-Volumenfaktor x_V, der das Verhältnis des inneren Volumens der Hohlkugel, also des für die Speicherung verfügbaren Speichervolumens V_Sp, zum gesamten Volumen der Hohlkugel V_a. beschreibt, und des Packungsfaktors x_Pack, der berücksichtigt, dass man Hohlkugeln und andere Hohlkörperspeicher nicht beliebig dicht zusammenpacken kann.
Bei abnehmender Teufe wird wegen der geringeren Auflast die baustatisch und konstruktionsbedingt erlaubte Wanddicke kleiner und entsprechend der Wanddicken-Volumenfaktor x_V größer. Dies wirkt sich direkt auf die Baukosten auswirkt. Aber dieser Vorteil kann nur ausgenutzt werden, wenn die Gesamtmasse des Baukörpers nicht durch eine notwendige Auftriebskompensation nach unten begrenzt ist. Neben den bekannten Verfahren zur Auftriebskompensation durch Verankerung im Untergrund oder durch Ballast, der in den Baukörper (meist auf Kosten von Speicherraumes) eingebaut oder als Abdeckung auf dem Baukörper aufliegt, stellen wir einen neuen Ansatz vor:

Die große Grundfläche des Baukörpers, eine randseitige Sicherheitszone mit Auftriebskompensation und eine geringe Wasserdurchlässigkeit des Bodens erlauben eine innere Zone ohne als Auftriebskraft wirkenden unterseitigen Wasserdruck, sofern dort eine geeignete Fundamentierung mit partieller Drainage in untenliegende Speicherkörper zu einer unteren Wasserdruckentlastung auf die tragenden Bauteile führt.

Der folgende Ansatzpunkt erleichtert eine nachträgliche Erweiterung bei gefülltem See
(10.) Als Vorbereitung für den nachträglichen hydraulischen Anschluss weiterer Speichereinheiten ist es zweckmäßig, für geeignete Speicherschächte 43 einen leicht abnehmbaren Innendeckel 94 vorzusehen, der -ähnlich wie die Montageplatte 76 für die Pumpturbineneinheit 77- bei Druckausgleich leicht demontierbar ist. (Kapitel 4.7)
Im Folgenden sollen nun die erfindungsgemäßen Vorschläge einzeln anhand von Beispielen und Konstruktionsdetails dargestellt werden; es muss aber betont werden, dass oft nur eine Kombination von Details zu einer wirklichen Verbesserung führt. Beispielsweise ist die einfach kubische Kugelanordnung zunächst kontraproduktiv und erreicht erst durch die zusätzlichen Maßnahmen zur Hohlraumnutzung und ggfls. Auftriebsverhinderung ihren Vorteil.
Übersicht über die Bilder
Die Grundideen der Erfindung mit ihrem inneren Zusammenhang sowie einige der möglichen Ausformungen und Weiterentwicklungen werden auch in den nachfolgend zusammengestellten Bildern aufgezeigt. Eine ausführlichere Beschreibung der Bilder findet sich in der Anlage: „Ausführliche Bildunterschriften“.

Bild 1: Zum Stand der Technik (nach /DE_SeeEi1/ und der dortigen ): Draufsicht: Hambacher Rinne mit eingebetteten Hohlraum-Kugelspeichern in hexagonal dichtester Packung.
Bild 2: Zum Stand der Technik (nach /DE_SeeEi1/ und der dortigen ). Bis auf ein Verbindungsrohr 44 zwischen freiem See 0 und PT-Station 77 völlig eingebettete Speicheranlage (senkrechter Ausschnitt).
Bild 3: Senkrechter Schnitt durch zwei direkt senkrecht übereinander angeordnete Speicherkugeln 3a und 3b. Zwischen diesen Kugeln wird eine einigermaßen homogene Kraftübertragung durch einen Schuh-Helm-Puffer 370 vermittelt.
Bild 4: Längsschnitt durch eine Einheit von zwei analogen Speicherkugeln 3a und 3b in übernächsten Ebenen einer hexagonal dichtesten Kugelpackung, die durch eine Schuh - Helm Säule 370 im Blindschacht 27 in der Zwickel-Ebene 271 miteinander kraftschlüssig verbunden sind.
Bild 5: Speichersäule 337 mit den zur Schuh-Helm -Säule 370 benachbarten 3 Kugeln in der Zwischenebene.
Bild 6: Draufsicht: Rinne eines.Tagebauloches mit eingebetteten Hohlraum-Kugelspeichern in hexagonal dichtester Packung. In der Hälfte 22 der Zugangsräume zum See sind Stützpfeiler 93 als Bestandteile eines Innenskeletts zur Aufnahme von Gewichtskräften des Unterbeckens eingerichtet.
Bild 7: Eine Zuordnung der in einer Ebene liegenden Speicherkugeln einer Ebene, hier dargestellt durch ihre ebenen Großkreise, zu den z.B. jeweils gemeinsam benutzen Freien Zugangsraum 24, auf dessen Boden sich jeweils eine oligotarke Pumpturbine befindet. In den übrigbleibenden, verfüllbaren Zugangsräumen 22 können z.B. zusätzliche Speicherhohlkörper 43 oder Ballast angeordnet werden.
Bild 8: Draufsicht auf vier in einer Ebene zusammengehörige Speicherkugeln, die einen freien Zugang 24 definieren und von einer oligotarken Pumpturbine 77 auf dem Seeboden betrieben werden.
Bild 9: Draufsicht auf die Speicheranlage in der Ebene der horizontalen Großkreise der Speicherkugeln 3 ohne innere Trennwände.
Bild 10: Draufsicht auf die Speicheranlage in einer waagerechten Zwischenebene zwischen den Speicherkugeln 3. In den von parallelen Breitseiten der Schächte (42; 43; 44) eingefassten Leerraum lassen sich quadratische, waagerecht verlaufende, diagonale Schächte 43d einbauen, deren Breite A/2 beträgt.
Bild 11: Die noch vollständige Wabenstruktur aus Trennwänden 49 und quadratischen Hohlprismen, den Schächten 44 und 43 (bzw. 42).
Bild 12: Offene Wabenstruktur aus quadratischen Hohlprismen (den Schächten 44 und 43 (bzw. 42)) und lediglich randständigen Trennwänden 49.
Bild 13: Speicheranlage bestehend aus Speicherkugeln 3, die in eine offene Wabenstruktur (siehe Bild 12) aus prismatischen Schächten (43;44) eingegossen ist. Draufsicht auf die Speicheranlage in der Ebene der horizontalen Großkreise der Speicherkugeln. Alle Speicherhohlräum sind in ein durch Ausgießen erstelltes Tragendes Betonbett 9 eingehüllt.
Bild 13a: Ausschnitt einer Eingegossene Speicheranlage in Draufsicht (siehe Bild 13), bei der in einer Kopfebene 244 zusätzlicher Raum für Abgesetzte Zugangsschächte 444 (zwei Beispiele) geschaffen wurde.
Bild 14: Draufsicht auf die Speicheranlage in der waagerechten Zwischenebene zwischen den Kugeln. Die Speicherhohlräume sind in ein durch Ausgießen erstelltes Tragendes Betonbett 9 eingehüllt.
Bild 15: Ausschnitt aus der Draufsicht nach Bild 14, wobei die diagonalen Speicherschächte 43d nun in beiden senkrecht aufeinander stehenden Diagonalrichtungen eingezeichnet sind.
Bild 16: Speicherschacht 43. Links: mit direkter hydraulischer Verbindung zur Pumpturbine und rechts: mit indirekter Verbindung über einen unten liegenden hydraulischen Anschluss an eine benachbarte Speicherkugel.
Bild 17: Senkrechter Schnitt durch Speicherschacht 43 mit hochgewölbter, evtl. leicht ausgesteifter Betonschale 94a und mit druckfestem eingegossenem „Deckel“ 94:
Bild 18: Ein Speicherschacht 43 in Verbindung mit einem Sammelrohr 6 als hydraulischer Zubringer aller zugeordneten Speichereinheiten zur Pumpturbinen- Einheit 77.
Bild 19: Speicheranlage bestehend aus Speicherkugeln 3, die in eine offene Wabenstruktur aus quadratischen waagerechten Speicherschächten 43w eingegossen ist. Alle Speicherhohlräume sind in ein durch Ausgießen erstelltes Tragendes Betonbett 9 eingehüllt.
Bild 20: Speicheranlage bestehend aus Speicherkugeln 3, die in eine „offene Wabenstruktur“ aus jetzt waagerechten quadratischen Speicherschächten 43w eingegossen ist. Die diagonalen Speicherschächte 43d bieten sich für eine hydraulische Verbindung zwischen den Stockwerken an.
Bild 21: Senkrechte Kopfebene 244 mit Freiwasserzugangs-Schacht 44 für eine konsequent in Stockwerken ausgerichteten Speicheranlage mit Speicherkugeln 3 und waagerechten Speicherschächten 43w.
Bild 22: Aufsetzen des Turbinentellers 78 mit den einmontierten Pumpturbinen 7 auf dem Gehäuse der Pumpturbineneinheit 77.
Bild 23: Anordnung aus einem Speicherzylinder 34 und zwei Speicherkugeln 3 in Verbindung mit einem Sammelrohr 6 als hydraulischer Zubringer aller zugeordneten Speichereinheiten zur Pumpturbinen- Einheit 77.
Bild 24: Draufsicht und Seitenansicht einer nur aus abgeschlossenen Rohren 30 bestehenden Speicheranlage.
Bild 25: Zusammenstellung mehrerer Speichereinheiten nach Bild 24 zu einer großen Gesamtanlage. Durch den hexagonalen Grundaufbau entstehen keine „toten Räume“
Bild 26 Der Deckel für den Speicherkörper, ausgebildet als Halbkugel 31 oder auch als Kegel 31a, kann von einem Arbeitsboden 32 aus von innen verschalt werden.
Bild 27: Eine der vielen möglichen Ausbildungen eines Unterwasser -PSKW mit einem aus hohen Hohlraumsegmenten in Polyederform bestehenden Unterbecken, das auch zu Befestigung der Abraumschichten eingesetzt wird.
Bild 28: Demonstrationsbild für verschiedene Arten der hydraulischen Zusammenfassung von Speicherkörpern in einem Stockwerk des Unterbeckens.
Bild 29: PSKW mit einem durch eine Ringstaumauer 333 vom Obersee 0 abgetrennten Untersee, an dessen Boden-Fundament 6 randständig die Pumpturbinen angeordnet sind, die über breite seitliche Zugangsschächte 44 mit dem Obersee 0 hydraulisch verbunden sind
Bild 30: Pumpspeicherkraftwerk bestehend aus dem Restsee eines ehemaligen Tagebauloches als Obersee und einem oder mehreren Unterbecken, welche sich als Innenbereich einer über der tiefen Abbaurinne errichteten Ring-Staumauer ergibt.
Bild 31: Ring-PSKW (nach Bild 29) mit zusätzlichem Satelliten -Unterwasser-PSKW 201.
Bild 32. Unterwasser-PSKW, bei dem nur der äußere Bereich auftriebskompensiert ist. Für den innere Bereich ergibt sich ein höchstens sehr geringer „artesischer Wasserfluss“, der durch offene Stellen im Streifenfundament drainiert werden kann.
Bild 33: Unterwasser-PSKW in „massiver Leichtbauweise“ 202 mit Streifenfundament, das von einer massiven Bodenplatte umgeben ist. Durch diesen „Kragen“ wird ein Grundwasserstrom vom freien Seewasser zum U.PSKW eingeschränkt.

Gleichungsnummern
$F_{füll} = x_V* x_Pack$
$A/D = Wurzel (2) - 1 = 0,4142$
$x_Pack = {V_3 + V_43 + V_43d} / V_W = 0,5236 + 0,1716 + 0,0429 = 0,7381$
2. Senkrechte Kraftübertragung zwischen den Kugeln
2.1 Einfach kubische Symmetrie der Kugelanordnung
Bei einer einfach kubischen Anordnung der Kugeln werden die Kugeln in jedem Stockwerk ohne Versetzung direkt nebeneinander angeordnet. An ein unteres Stockwerk mit einfach kubisch angeordneten Kugeln lassen sich auch in der darauffolgenden Ebene am einfachsten weitere einfach kubisch Kugelstrukturen andocken. Dann sitzt eine Kugel direkt auf der anderen, wobei eine einigermaßen homogene Kraftübertragung durch einen Schuh-Helm-Puffer 370 vermittelt werden kann (Bild 3).
Der Schuh-Helm-Puffer 370 kann sowohl als Einheit als auch als getrennte Kombination von Schuh und Helm aus Beton konstruiert werden. Im einfachsten Fall besteht er aus einem Ring, der auf die untere Kugel aufgesetzt wird und mit geeignetem Füllmaterial, z.B. Sand mit Lockergestein (ggfls. in kontrollierter Körnung); aufgefüllt wird. Die Kanten des Ringes können so ausgeformt oder mit einem Wulst versehen werden, dass sie ohne unerwünschte Punktbelastung auf die Kugeloberflächen passen. Dieser Ring muss nicht wasserdicht sein, sondern lediglich die Schüttung und resultierende Querkräfte in der Schüttung aufnehmen.
Eine Säule, die aus mehreren senkrecht übereinander angeordneten und durch einen Schuh-Helm-Puffer 370 mechanisch verbundenen Kugeln besteht, bezeichnen wir als Speichersäule 337.
Der Schuh-Helm-Puffer 370 kann, ebenso wie die gesamte Speichersäule 337 auch als Teilbereich einer tragenden Betonstruktur 9 durch ein Ausgießverfahren für die gesamte Anordnung (siehe Kapitel 4.2 „Eingegossene Speicherkörper“) indirekt erzeugt werden.
Im Hinblick auf eine spätere Verallgemeinerung kann man den Schuh-Helm-Puffer sich zusammengesetzt denken aus einem Schuh 372 und einem Helm 371, wobei der Schuh die Gewichtskräfte aus der der oberen Kugel 3b über den Helm 371 auf die untere Kugel überträgt.
Zur Bezeichnung: Wenn wir betonen wollen, dass der „Schuh 372“ bzw. Helm 371 fester Bestandteil eines Körpers (z.B. der Speicherkugel) ist, so bezeichnen wir ihn auch als Fuß 372 bzw. Kopf 371, wobei schon die gleiche Bezeichnungsnummer anzeigt, dass dies funktional gleichwertig ist.
Im Abschnitt 4.1 werden weitere Eigenschaften und Konstruktionsmöglichkeiten, die sich aus der einfach kubischen Symmetrie der Kugelanordnung und der Aufgabenstellung des gesamten Bauwerkes als Unterbecken eines Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerkes (U.PSKW) ergeben, dargelegt.
2.2 hexagonal dichteste Kugelanordnung
Das um den Auftrieb verminderte Gewicht des Betonkörpers wird bei der hexagonal dichtesten Anordnung der Speicherkugeln /DE_SeeEi1/ über die Kontaktflächen zwischen den einzelnen Kugelebenen auf den Seeboden übertragen.
Beim Projekt StEnSea /StenSea/ wurde diese Aufgabe durch die Ausbildung eines besonderen „Fußes“ der Betonkugel („Meerei“) gelöst. Bei dem kompakten Aufbau eines Unterbeckens aus vielen Speicherhohlkörpern in einem Tagebauloch liegen die Verhältnisse einerseits einfacher, da der spätere Seeboden zunächst frei zugänglich ist und entsprechend hergerichtet werden kann (einschließlich einer regelrechten Fundamentierung für den Baukörper). Andererseits soll aber das Unterbecken wesentlich höher in mehreren Stockwerken gebaut werden, was zu neuen Anforderungen an die Ableitung der Schwerkraft- Kräfte führt.
Eine wichtige Eigenschaft der hexagonal dichtesten Kugelpackung besteht darin, dass eine jede waagerechte Kugelebene exakt identisch angeordnet ist wie ihre übernächst obere und ihre übernächst untere Nachbarebene. Ein derartiges Paar von in übernächsten Ebenen senkrecht übereinander liegenden Kugeln bezeichnen wir als „übernächst analoge Kugeln“, wobei wir aber nach der Eingewöhnung das Beiwort „übernächst“ auch wieder weglassen können, da es identische Lagen der Kugeln ja sowieso nur in jeweils übernächsten Ebenen gibt. Von diesem Anordnungsprinzip haben wir bisher schon Gebrauch gemacht, um die zum Wasser offenen senkrechten Zugangsräume 22 und 24 zu schaffen.
Aber bei dieser Anordnung gibt es auch gleich viele versperrte Räume, die wir als Blindschächte 27 bezeichnet haben (siehe Bild 2 und /DE_SeeEi1/), die sich senkrecht zwischen den analogen Kugeln erstrecken.
Ein direkter Lösungsansatz für die Kraftübertragung besteht darin, dass wir die Kraft zwischen den Kugelebenen nun

• nicht mehr wie bisher (/DE_SeeEi1/) über die jeweils drei unteren Randkugeln, auf denen jede Kugel einer oberen Ebene aufsitzt, übertragen,
• sondern direkt eine kraftschlüssige senkrechte Verbindung zwischen übernächst analogen Kugeln schaffen. Dies wird dadurch erreicht, dass das analoges Kugelpaar über ein senkrechtes, gekoppeltes Schuh-Helm-Paar 370 verbunden wird. Die obere Kugel erhält einen Schuh, die untere einen Helm und beide spiegelsymmetrische ausgeführten Teile werden kraftschlüssig verbunden, was beim senkrechten Aufeinanderliegen sich bereits von alleine ergibt.

Diese senkrechte Zusammenstellung von zwei „übernächst analogen“ Kugeln, die durch ein Schuh -Helm Paar 370 im Blindschacht 27 auseinandergehalten werden, zeigen wir in Bild 4: Man beachte, dass die Schuh-Helm Säule 370 so gebaut werden kann, dass sie mit nur sehr wenig Bewegungsraum den Blindschacht 27 ausfüllt. Die Schuh-Helm Säule 370 wird von Seitenflächen derjenigen drei Kugeln eingezwängt, auf denen die obere Kugel ohne die Vorrichtung 370 aufsitzen würde. Helm 371 und Schuh 372 treffen sich aus Symmetriegründen in der Engpass - Ebene, in der der Blindschacht 27 seine kleinste Querschnittsebene besitzt und die wir hier als Zwickel-Ebene 271 bezeichnen wollen.
Die enge Verschränkung der nebeneinanderstehenden Speichersäulen ergeben eine sehr stabile Konstruktion; dies lässt sich aus Bild 5 ersehen, bei dem als ein Ausschnitt aus einer größeren Speichersäule 337 auch die zu einer einfachen Schuh -Helm -Säule 370 benachbarten 3 Kugeln in der Zwischenebene eingezeichnet sind. Der Längsschnitt ist durch den senkrechten Großkreis der rechts anliegenden Kugel gezeichnet. Die beiden anderen Kugeln des Dreierpaketes, auf dem die Kugel 3a „aufschwebt“, liegen auf der linken Seite der Schuh -Helm Säule 370 vor und hinter der Zeichenebene und berühren sich an der vergrößert gezeichneten Markierung. Zur Orientierung betrachte man beispielsweise die in /DE_SeeEi1/als und gezeigten Längsschnitte.
Bei strammer Einpassung läuft die Montage einer neuen Ebene von Kugeln beispielsweise folgendermaßen ab:

(0.) Wir gehen davon aus, dass eine untere Ebene n schon vorliegt und für jede der aufzusetzenden Kugeln das untere Dreierpack von Kugeln, die sich auf ihrer mittleren Höhe am Zwickel 271 in ihren waagerechten Großkreisen berühren, schon vorliegt, und sich auch der Helm 371 der Kugeln der darunterliegenden Ebene mit seinem oberen Ende bereits im Zwickel 271 steckt.
(1.) Nun wird von oben der Schuh 372 eingeführt, der sich - festgehalten von den Wänden des Dreierpacks- bis in die Zwick-Ebene 271 erstreckt und dort auf den korrespondieren Helm 371 der Kugeln der nächsttieferen Ebene trifft.
(2) Auf die nach oben weisende Aufnahmeschale 373 des Schuhs 372 wird nun die Kugel 3b, die ein Bestandteil der Ebene n+1 ist, aufgelegt.
(3) Auf die zur neuen Kugel 3b in der alten Ebene n benachbarten Kugel wird nun symmetrisch ein Helm 371 aufgesetzt (3) die Schritte (1) bis (3) werden für die gesamte neue Ebene n+1 durchgeführt

Die Kraftableitung über die dicken Kugelwände innerhalb einen Ebene und über die massiv ausführbaren, eingezwängten Schuh -Helm Säulen 370 in den Blindschächten 27 stellen ein leistungsfähiges Stützgewebe für den Inhalt der Speicherkugel und die /um den Auftrieb verminderte Masse) der gesamten Anlage dar.
Die entscheidende Frage wird sein, wie viele Unterwasser-Stockwerke wird die Anlage tragen können. Hierzu muss eine exakte Rechnung der Baustatik durchgeführt werden.
Weitere Anmerkungen:

Die Schuh -Helm Paar 370 muss keineswegs zwingend massiv ausgestattet sein, sondern muss nur die auftretenden Kräfte aufnehmen und baustatisch sicher nach unten leiten. So kann sie beispielsweise innen hohl sein und etwa auch eine hydraulische Verbindung (z.B. ein etwas flexibles Rohr 627, siehe Bild 3) zwischen den übernächst analogen Kugeln aufnehmen. Man kann sie auch so ausformen, dass sie aus einer kraftübertragenden Konstruktion besteht und u.U. darüber hinaus durch Wände über geeignete Hohlräume zur sicher fixierten Aufnahme von Ballastmaterial verfügt.

Eine Anordnung von mehreren senkrechten Speicherkugeln 3, die über Schuh-Helm-Paare 370 verkettet sind, bezeichnen wir als Speichersäule 337. In einem oligotarken Unterbecken kann für jede Speichersäule eine Pumpturbine an ihrem Fußende eingesetzt werden, oder es können auch mehrere Speichersäulen gemeinsam auf eine entsprechend leistungsfähigere Pumpturbine geschaltet werden. Das gesamte Unterbecken setzt sich aus Speichersäulen zusammen; bei einer geradzahligen Anzahl der Ebenen sind alle Speichersäulen identisch, wobei es allerdings zwei unterschiedliche Anbindungen an das Fundament gibt, je nachdem ob die Speichersäule in der untersten oder zweituntersten Ebene beginnt.
Bei Betrachtung einer einzelnen Speichersäule kann man die ungeheure Stabilität bei lokaler Flexibilität noch nicht erkennen. Diese ergibt sich erst durch den Zusammenbau zu einer Einheit, in der die Kugeln in hexagonal dichtester Kugelpackung angeordnet sind. Diese Anordnung bezeichnen wir als die „dichteste verschränkte Speichersäulen -Packung“. Sie ist so stabil wie eine dichteste Kugelpackung und leitet die Schwerkraft-kräfte im Wesentlichen senkrecht nach unten ab.
Autarker und oligotarker Betrieb:
Man kann die Kugeln einer Speichersäule über ein gemeinsame Turbine oligotark betreiben. Da jedoch eine weitere Einbettung der Kugeln zur Verbreiterung der Kraftübertragungswege durch die geordnete Kraftableitung über die Schuh-Helmpaare 370 nicht mehr erforderlich ist können die offenen Freiraum-Zugänge 24 weiterhin benutzt werden und ermöglichen so auch einen autarken Betrieb der einzelnen Kugeln.
3. Weiterer Ansatz: Innenskelett
Inneres Skelett mit durchgehenden Pfeilern im verfüllten Zugangsraum 22
Die hexagonal dichteste Kugelpackung ist geometrisch durch die bis zum Boden durchgängige Zugangsräume (22 und 24) ausgezeichnet, deren Ausmaße sich letztendlich im Packungsfaktor x_Pack=0.74 ausdrücken. Wie in /DE_SeeEi1/ im dortigen Kapitel „DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG“ als Punkt „(5.) Geometrische Anordnung der SeeEier“ bereits im Zusammenhang dargestellt, besitzt jede Kugel einen direkten Zugang zu drei an ihr anliegende Zugangsräume (22 oder 24), und von einem Zugangsraum aus kann man in jeder Ebene drei anliegende Kugeln direkt erreichen. Daher kann man den Zugang von den Kugeln zu den Zugangsräumen so auswählen, dass ein Teil der Zugangsräume überhaupt nicht als hydraulischer Zugang zum See genutzt wird und daher z.B. auch verfüllt werden kann. In Bild 1 (= aus /DE_SeeEi1/) wurde genau die Hälfte der Zugangsräume als „verfüllter Zugangsraum 22“ ausgewählt, was auch aus Symmetriegründen nahegelegt wird. Nun kann man den zur Verfüllung einsetzbaren Zugangsraum 22 aber nicht nur mit Sand oder Steinen verfüllen, sondern man kann ihn auch dazu benutzen um
durchgehende tragende Pfeiler einen Innenskelett-Konstruktion im Zugangsraum 22 einzusetzen.
Mit dieser Innenskelett Konstruktion, die einerseits auf der Fundamentplatte aufliegt, aber hydraulisch völlig abgetrennt von den Speicherelementen ist und im Freiwasser des Sees steht, lassen sich beliebige Anteile des Gewichtes der Unterbeckenkonstruktion auffangen. Bild 6 zeigt die Anordnung in der Draufsicht. Es handelt sich hierbei fast um die gleiche Darstellung wie in Bild 2 (Original in /DE_SeeEi1/; ), lediglich die „verfüllten Zugangsräume“ 22 sind in Bild 6 näher als Räume für die Aufnahme der Säulen 93 eines Innenskeletts spezifiziert. Die Kugeln sind wieder nur zweidimensional durch ihre waagerechten Querschnitts-Großkreise dargestellt. Man sieht flächendeckend die zweitoberste Lage und auf der linken Seite einen Teilbereich der obersten Lage. Die dargestellte hexagonal dichteste Kugelpackung ergibt aus Symmetriegründen von unten nach oben durchgehende senkrechte Freiräume 24 und 22, in deren eine Hälfte (nämlich hier 22) wie dargestellt Stützpfeiler 93 zur Aufnahme von Gewichtskräften des Unterbeckens genutzt werden kann.
Auch das Innenskelett ist für eine „Hybridkonstruktion“ einsetzbar, bei der der untere Teil des Unterbeckens mit einem Innenskelett versehen ist und später angebrachte obere Kugelebenen nachträglich angebracht werden.
4. Einfach kubische Anordnung der Speicherkugeln.
4.1 Speichersäule, zusätzliche Speicherkörper und Freiwasser-Zugangsraum
Schon in Kapitel 2.1 wurde die einfach kubische Anordnung der Speicherkugeln eingeführt und gezeigt, wie in dieser Symmetrie die Kugeln in jedem einzelnen Stockwerk ohne Versetzung direkt nebeneinander und die einzelnen Stockwerke ebenfalls ohne jede Versetzung direkt übereinander angeordnet sind. Eine einigermaßen homogene Kraftübertragung der direkt übereinander liegenden Speicherkugeln wird durch eine vornehmlich den Schwerkraftlinien angepasste Betonverbindung, den Schuh-Helm-Puffer 370, vermittelt (Bild 3), so dass sich insgesamt ein Bauwerk ergibt, dessen tragende Struktur im Wesentlichen durch diese senkrechten Speichersäulen 337 gebildet wird. Wir betrachten nun die Eigenschaften und Konstruktionsmöglichkeiten, die sich aus der einfach kubischen Symmetrie der Kugelanordnung und der Aufgabenstellung des gesamten Bauwerkes als Unterbecken eines U.PSKW ergeben.
In unserer vorangehenden Patentanmeldung (/DE_SeeEi1/) verfolgten wir die Strategie, den Packungsfaktor x_Pack (siehe Gl.(1)) der einheitlichen Speicher-Hohlkörper möglichst groß zu machen und gelangten daher zur hexagonal dichtesten Packung und nutzten den noch verbleibenden „minimalen“ Leerraum als Freiwasser- Zugangsraum 24 zum Obersee oder als verfüllbaren - Zugangsraum 22, wobei man eine Enge des Zugangsraum 24 in kauf nehmen musste. Nun, bei den in einfach kubischer Symmetrie angeordneten Speicherkugel 3, erhalten wir zunächst ein Unterbecken, das zwischen den Speichersäulen 337 noch über ein relativ großes freies Volumen verfügt, über dessen Struktur und Nutzung im Folgenden nachgedacht werden soll. Der erfinderische Ansatz besteht darin, dass man jetzt neben den Speicherkugeln noch zusätzliche Speicher- Hohlkörper in der lockeren Struktur des Unterbecken unterbringt und gleichzeitig dafür sorgt, dass der Freiwasser-Zugangsraum 24 zum Obersee wesentlich größer ausfällt (- bei gleicher Größe der Speicherkugeln).
In Bild 7 ist der grundsätzliche Aufbau einer einfach-kubischen Anordnung der Kugeln aufgezeigt, wobei durch jeweils vier 4 Kugeln in einer Ebene ein Zugangsraum 22 oder 24 gebildet wird. Es liegt nahe, die Menge der Kugeln in Vierertupeln zu strukturieren, und einige davon als Einheit zusammenzufassen und hierfür jeweils einen zum Seewasser offenen Zugang als „Freiwasser“ -Zugangsraum 24 vorzusehen. Bei der in Bild 7 beispielhaft gewählten Aufteilung werden ein Viertel aller Zugangsräume als „Freiwasser“ -Zugangsraum 24 festgelegt, die restlichen 3 Viertel können dann als „verfüllbarer“ Zugangsraum 22 anderweitig genutzt werden.
Am Boden eines „Freiwasser“ -Zugangsraum 24 kann eine oligotarke Pumpturbineneinheit 77 angeordnet werden, wobei mit dem Begriff „oligotark“ ausgedrückt wird (siehe /DE_SeeEi1/), dass diese Pumpturbineneinheit 77 nicht für eine einzige (dies würden wir mit „autark“ bezeichnen) sondern für einige (= „oligo“) Speichereinheiten zuständig ist. Um bei der Nutzung der Zugangsräume 22 freie Hand zu haben und z.B. auch eine Verfüllung mit Ballastmaterial zu erlauben, sollte der „Freiwasser“ -Zugangsraum 24 zwischen freiem See 0 und der PT-Station 77 durch ein senkrechtes Rohr oder einen quadratischen Verbindungs-Schacht 44 sicher freigehalten werden (siehe Bild 8). Es zeigt sich später, dass ein derartiger Schacht auch für das Erstellen der Anlage hilfreich ist. (siehe Abschnitt 4.2 „Eingegossene Speicherkörper“).
Den engsten ebenen Querschnitt eines Zugangsraumes (22 oder 24) bezeichnen wir als lichten Engpass oder „Zwickel“. Bei der einfachen kubischen Anordnung der Kugeln mit Außendurchmesser D lässt sich in diesen Zwickel ein Quadrat mit der Kantenlänge A oder auch ein Kreis mit demselben A als Durchmesser einbeschreiben. Aus einer einfachen geometrischen Betrachtung ergibt sich: $A/D = Wurzel (2) - 1 = 0,4142$
Die Zuleitungen von den Speicherkugeln zur Pumpturbineneinheit 77 können beispielsweise an der Innenwand des Verbindungs-Schachtes 44 angebracht und befestigt werden - wie man das ja auch aus Schächten im Bergbau kennt. Bei Einsatz von StEnSea-Kugeln (/DE_SeeEi1/) ergibt sich für den Verbindungs-Schacht 44 ein Rohrdurchmesser bzw. eine Seitenlänge bei einem quadratischen Schacht von ca. 14 m. Dies ist gegenüber den im Bergbau gebräuchlichen Schächten (z.B. 10m oder kleiner) sehr komfortabel. Man kann daher davon ausgehen, dass die Pumpturbine 77 am Boden des Schachtes 44 gut von oben zugänglich ist.
Man beachte, dass das Wasser im „Freiwasser“ -Zugangsraum 24 immer unter dem hydraulischen Druck der gesamten Wassersäule steht.
In die nicht für den Freiwasser -Zugang benutzten sonstigen Zugangsräume 22 können nach entsprechenden baulichen Anpassungen Schächte mit anderen Funktionen eingefügt werden; insbesondere handelt sich hierbei um den Typ

• Verfüllbarer Schacht 42. Das sind dem Freiwasser Verbindungs-Schacht 44 ähnliche, oben nicht notwendigerweise abgeschlossene, die beispielsweise als Kanäle für Stromleitungen und Wasserrohre benutzt werden, wobei diese Funktion aber auch von einem freien Zugangsschacht 44 übernommen werden kann. Außerdem können sie - auch zusätzlich- mit Ballastmaterial gefüllt werden.
• Zusätzlicher Speicherschacht 43. Hierfür muss der Schacht oben druckfest abgeschlossen werden. Damit kann er aber auch für anliegende Speicherkugel als druckfester Zugang zur Pumpturbinen Einheit 77 mitbenutzt werden.

Bild 9 zeigt eine Draufsicht auf die gesamte Speicheranlage in der Ebene der horizontalen Großkreise der Speicherkugeln. Diese Ebene wird nahezu vollständig durch Wand und Innenraum der Speicherkugeln und der großen quadratischen Schächte (42, 43 und 44) ausgefüllt.
Verschieben wir die Beobachtungsebene um einen halben Durchmesser (also um D/2) nach oben oder unten, so erhalten wir eine Draufsicht auf die gesamte Speicheranlage in der horizontalen Ebene genau zwischen den Speicherkugeln (Bild 10). Wir deuten die Lage des Fußpunktes der oberen Kugel und des oberen Abschusses der unteren Kugel durch eine deutliche Markierung an, den ein pedantischer Leser als Mittelebene des Schuh-Helm-Puffer 370 interpretieren mag. In dieser Zwischenebene lassen sich in dem von parallelen Breitseiten der Schächte (42; 43; 44) eingefassten Leerraum quadratische, waagerecht verlaufende, diagonale Schächte 43d einbauen, deren Breite etwa A/2 beträgt. Von den beiden rechtwinklig sich kreuzenden Scharen dieser „diagonalen Speicherschächten 43d“ ist in Bild 10 der Übersichtlichkeit nur die eine Hälfte dargestellt. Ergänzt man sich zwischen den in Bild 10 von rechts unten nach links oben bereits eingezeichneten diagonalen Speicherschächten 43d noch die sich nicht überlappenden Teile der um 90 gedrehten Speicherschächte (siehe Bild 15) so erkennt man, dass auch diese Zwischenebene größtenteils durch Wand und Inneres von Speicherkörpern ausgefüllt wird.

Zur Bestimmung des Packungsfaktors betrachten wir einen Würfel, der eine Speicherkugel umschließt und fassen alle in ihm enthaltenen Teile von senkrechten bzw. waagerecht-diagonalen Schächte als Speicherschächte 43 bzw. 43d auf. Die Wanddicken werden durch einen gesonderten Wanddickenvolumenfaktor x_V (siehe Gl.(1) oder/DE_SeeEi1/: dortige Gl.(9) im Absatz „Der Füllfaktor“) erfasst, so dass wir für die Bestimmung des reinen Packungsfaktors x_Pack mit einem Bruttovolumen mit einer virtuellen Wanddicke von Null rechnen können; d.h. wir rechnen mit den Außenmaßen. Ein Blick auf Bild 9 und Bild 10 (wobei man sich hier noch die von unten links nach rechts oben verlaufenden Teilstücke der diagonalen Speicherschächte 43d wie in Bild 15 hinzudenken muss) zeigt uns, dass die Würfelzelle mit dem Volumen Vw = D³ netto die folgenden Speichervolumina enthält:

V_3 = D³ * π/6 =	D³ * 0,5236	für die volle Speicherkugel 3
V_43 = A²D = D³ (A/D)² =	D³ * 0,1716	für 4*1/4 Senkrechte Schächte 43
V_43d = (A/2)²D = % V_43 =	D³ * 0,0429	für 8*1/8 diagonale Schächte 43d

Aufsummiert ergibt sich also für die reine Speicheranordnung ein Packungsfaktor $x_Pack = {V_3 + V_43 + V_43d} {/ V}_{W} = 0,5236 + 0,1716 + 0,0429 = 0,7381$
und diese Gl.(3) ist es wert, als Satz formuliert zu werden:
Der Packungsfaktor für unseren kombinierten Speicher, der auf einem einfach kubisch strukturierten Gerüst aus kugelartigen Speichersäulen und zusätzlichen quadratischen Speicherschächten beruht, ist praktisch genauso groß wie der optimale Packungsfaktor der hexagonal dichtesten Kugelpackung.
Von dem Packungsfaktor der reinen Speicheranordnung nach Gl.(3) muss noch der Volumenanteil abgezogen werden, der für die Nutzung eines senkrechten Schachtes als Freiwasser-Zugangsschacht 44 benötigt wird.
Aus Symmetriegründen bleiben bei der einfach kubischen Anordnung die Zwischenräume (22, 24) zwischen den Kugeln unverändert, wenn man die Anordnung um 90 Grad dreht: Aus den „senkrechten Zwischenräumen“ werden dann analoge waagerechte Zwischenräume, denen man analoge waagerechte Schächte einbeschreiben kann, was wir in der Bezeichnungsziffer durch einen Index „w“ andeuten; ein waagerecht liegender Speicherschacht wird daher mit der Bezeichnungsziffer 43w markiert. Um dies bildlich darzustellen, brauchen wir - (wie bei jeder Symmetrieoperation) unser Bild 9 überhaupt nicht verändern; wir müssen nur die Bezeichnungsziffern anpassen: Aus den senkrechten Speicherschächte 43 sind nun die waagerechten Speicherschächte 43w geworden, und die Freiwasser- Zugangsschächte 44 haben ihre Funktion verloren und wir sollten sie in die waagerechten Speicherschächte 43w umwandeln. Auch die diagonalen Speicherschächte in Bild 10 bleiben bei der ganzen Speicheranlage um 90° natürlich erhalten; sie verlaufen jetzt aber nicht mehr in einer waagerechten Ebene, sondern diagonal von unten nach oben. Das ist ganz praktisch, weil man nach Wegfall der senkrechten Speicherschächte 43 die Möglichkeit erhält, die nun waagerechten Speicherschächte 43w in benachbarten Stockwerken der Speicheranordnung über die diagonalen Speicherschächte 43d hydraulisch miteinander zu verbinden und über diesen Weg auch die Pumpturbineneinheit 77 zu erreichen.
Bei einer großen Höhe der gesamten Speicheranlage ist die waagerechte Orientierung der großen Speicherkörper in den einzelnen Stockwerken vorteilhaft, da man das Speicherwasser aus den einzelnen Etagen getrennten Pumpturbinen 7 zuführen kann, die dann nur in einem kleinen Hubbereich arbeiten müssen; dies wirkt sich günstig auf ihren Wirkungsgrad aus.
4.2 Eingegossene Speicherhohlkörper
Bei Betonarbeiten machen die Kosten für die Schalung einen beachtlichen Teil der Gesamtkosten aus. Durch Einsparen an Schalungsaufwand können also ggfls. Mehrkosten bei der Betonqualität aufgefangen werden. Es soll daher im Folgenden davon abgesehen werden, dass man Materialkosten einsparen kann, wenn man den Einsatz des hochwertigen Betons auf die „tragenden Bauteile“ beschränkt und zur Sicherstellung des Abtriebes nur leicht gebundene Ballastmaterialien, die wir summarisch als „Leichtbeton“ bezeichnen, einsetzt. Wie kann man also die Hohlräume von Speicherkörpern mit wenig Schalungsaufwand vor Ort herstellen? Die erfindungsgemäße Antwort besteht darin, die Errichtung einer derart großvolumigen Speicheranlage durch ein spezielles Ausgießverfahren zu erleichtern:

Die druckfesten Hohlkörper werden zunächst als dünnwandige Schalungskörper oder abschnittsweis als dünnwandige, den späteren Speicherraum umschließende Schalungselemente angeordnet, und dann wird das freie Volumen zwischen den Hohlkörpern kontinuierlich mit Beton ausgegossen . Wegen der Ausdehnung der Anlage wird der Spiegel des flüssigen Betons nur langsam ansteigen, so dass die unteren Bereiche sich noch während des Ausgießprozesses verfestigen und daher keinen Seitendruck mehr auf die Schalung ausüben.

Zunächst wird das Verfahren anhand eines Beispiels erläutert:

Eine sehr große Speicheranlage wird man schon aus praktischen Gründen und auch wg. der Dehnungsfugen in kleinere Einheiten unterteilen. Wir betrachten also einen Bauabschnitt des gesamten Unterbeckens, der auf einer Bodenfläche errichtet wird. Im Entwurf gehen wir zunächst von einer Aufteilung in zwei Strukturen aus:
Erstens in eine Wabenstruktur (siehe Bild 11) aus senkrechten ebenen Wänden, aus denen einerseits die Schächte 43 (bzw. 42) und 44 und andererseits die Trennwände 49 gebildet werden, und
Zweitens in die großvolumigen dünnwandigen Speicherkörper, die wir zunächst als Speicherkugeln 3 (zweifach gekrümmte Fläche) eingeführt haben, für die wir aber auch andere Speicherkörpern z.B. Rohre (einfach gekrümmte Fläche), oder Prismen (die sich aus ebenen Flächen zusammensetzen) einsetzen können (siehe hierzu Kapitel 4.6 Prismatische Hohlkörper). Diese setzen wir in das Innere der einzelnen Waben.

Die Wabenstruktur kann sich über mehrere Stockwerke erstrecken. Die großvolumigen Speicherkörper können sowohl in einzelnen Stockwerken angeordnet werden wie im Falle der bisher eingeführten Speicherkugel 3, als sich auch über mehrere oder alle Stockwerke erstrecken (wie bei Rohren und prismatischen Hohlkörpern). Im aktuellen Beispiel ordnen wir Speicherkugeln stockwerksweise an.
Ausgehend von Bild 11 könnte man nun den Außenraum jeder Kugel innerhalb ihrer hexagonalen Wabe mit Beton ausfüllen. Dann sieht man aber, dass man von den vielen Trennwänden 49 eigentlich nur diejenigen braucht, die am Rand der Einheit liegen. Die inneren Trennwände kann man allesamt weglassen und erhält nach Bild 116 die endgültige nach innen offene Wabenstruktur aus den senkrechten Schächten und nur noch den zum Außenraum abschließenden Trennwänden.
Bild 13 zeigt nun das Ergebnis unserer Konstruktion in der Draufsicht auf die Ebene der horizontalen Großkreise der Speicherkugeln 3: Eine Speicheranlage ohne innere Trennwände, bei der die Speicherhohlräume in ein durch Ausgießen erstelltes Tragendes Betonbett 9 eingehüllt sind. (Die in Bild 13 eingezeichnete Schnittebene [#S# : #S'#] bezieht sich auf den vertikalen „Diagonal-Schnitt“ in späteren Bildern, z.B. Bild 16).
Die Anlage lässt sich in der Schnittebene #244# auftrennen und auseinanderziehen, wodurch zusätzlicher Raum 244 insbesondere für eine weitgehende Erweiterung des Zugangsschachtes 44 zu einem Abgesetzten Zugangsschacht 444 entsteht (Bild 13a). Der Querschnitt desselben kann sich aus einer einfachen geometrischen Vergrößerung des quadratischen Zugangsschachtes 44 (links in Bild 13a dargestellt) ergeben, man kann ihm aber auch einen rechteckigen (rechts in Bild 13a dargestellt) oder auch eine komplexere jede Ecke ausnutzende Form geben.
In diesem Raum 244 können auch zusätzliche Speicherschächte 43 oder auch entsprechend vergrößerte Speicherschächte angeordnet werden (hier nicht dargestellt).
Bild 14 zeigt die Draufsicht auf die Speicheranlage in der Zwischenebene zwischen den Speicherkugeln. In dieser Ebene verbinden sich die Kugelfüße der oberhalb der Zeichenebene angeordneten Speicherkugeln über das (hier nicht extra ausgewiesene) Schuh -Helm Paar 370 mit den Kugelköpfen der unterhalb der Zeichenebene angeordneten Speicherkugeln 3. Alle Speicherhohlräume sind in ein durch Ausgießen erstelltes Tragendes Betonbett 9 eingehüllt.
Von den beiden rechtwinklig sich kreuzenden Scharen der „diagonalen Speicherschächten 43d“ ist in Bild 14 der besseren Übersichtlichkeit nur die eine Hälfte dargestellt. Die mögliche vollständige Umhüllung der senkrechten Verbindungsfläche zweier Kugeln 3 durch Abschnitte der diagonalen Speicherschächten 43d'' wird in Bild 15 gezeigt. Man beachte, dass die dort gezeigten senkrechten Schächte 43 und 44 durch alle Stockwerke verlaufen, während die „diagonalen Speicherschächten“ 43d eigentlich nur waagerechte Kanäle mit quadratischem Querschnitt sind, deren Mittelebene in Bild 15 dargestellt ist.
Anmerkung zur Kompensation des Auftriebes:

Bei der Planung der Speicheranlage muss man immer die Auftriebskräfte im Auge behalten. Falls man aus derartigen Gründen eine größere Masse der Anlage benötigt, gibt es mehrere Wege dies lokal -also in unmittelbarer Nähe zu dem zu kompensierenden Hohlraum- zu erreichen:
- (1.) Man kann die ebene Schicht zwischen den Kugeln etwas vergrößern, u.U. auch mit Ballastmaterial
- (2.) Man kann die diagonalen Speicherschächten 43d einfach weglassen; ihr Volumen wird dann beim Ausgieß-Prozess automatisch durch den Beton ersetzt.
- (3.) Man kann die diagonalen Speicherschächten 43d auch konstruktiv bestehen lassen, aber funktional als Ballastraum nutzen, indem man ihren Innenraum mit lokal vorhandenem oder anfallendem Aushub ausfüllt.
- (4.) Die „verfüllbaren Schächte“ 42 können auf die gleiche Weise mit Ballastmaterial ausgefüllt werden.
- (5.) Man kann preiswerteren aber weniger qualifizierten Beton einsetzen und dadurch eine höhere Wanddicke der Speicherkörper in Kauf nehmen.

Nach der Festlegung der Betonqualität und der Zuordnung, welche der senkrechten Schächte als Freiwasser-Zugangsschacht 44 eingesetzt werden müssen, kann man die übrigen Schächte so auf die Funktionen „verfüllbarer“ Schacht 42 und Speicherschacht 43 aufteilen, dass die gesamte Speicheranlage im geforderten Ausmaße auftriebskompensiert ist. Hierbei sind die in Gl.(3) angegebenen Volumenanteile sinngemäß einzusetzen.
Anstelle oder zusätzlich zu der lokalen Auftriebskompensation kann man auch eine „globale“ Erhöhung des Gesamtgewichts der Unterbecken dadurch erreichen, dass man die oberste Betonschicht des gesamten Unterbeckens etwas stärker ausführt als statisch notwendig. Hierbei könnte man auch an eine Zusatzschicht aus Ballastmaterial denken, aber man muss den spätere Weiterbau, nach der Füllung des Sees, im Auge behalten.
Hinweis: Im Kapitel 5.2 wird ein Verfahren zur konstruktiven Verminderung der Auftriebskraft angegeben.
Eine Variante mit lokaler Erstellung der Speicherkugel:

Neben dem oben angegebenen Konstruktionsverfahren aus dünnen Fertigkörpern gibt es noch eine vollständige lokale Herstellungsmöglichkeit: Beim Hochziehen der Schalung kann die innere Wand einer Speicherkugel 3 dabei zusammen mit der Schalung für die ebenen Betonwänden erstellt werden. Dies ist im Grunde genommen eine Vereinfachung eines Verfahrens zur Herstellung von dickwandigen Kugeln, welches von der Firma Hochtief, Essen, für das StEnSea Projekt entwickelt und in EP 2 7000 594 „Verfahren zur Herstellung eines Unterwasserspeichers“ beschrieben wurde. Danach wird die Kugelwand dadurch erstellt, dass der Zwischenraum zwischen einer Innenschalung und einer Außenschalung, die beide durch passend übereinander gesetzte, geeignete Torus-Ringe unterschiedlicher Abmessung sukzessiv aufgebaut werden, mit Beton ausgegossen wird. Das Verfahren wird im Grundsatz durch 7 des Patentes dargestellt; eine erklärende Zusammenfassung der geplanten Herstellung der StEnSea-Kugel durch eine Membranschalung aus Luftschläuchen wurde durch Meyer e.a. /Meyer e.a. 2017/ in einem Vortrag der Hochtief -Solutions AG auf dem Deutschen Bautechniktag 2017 wiedergegeben und findet sich insbesondere in der dortigen Folie 6.

Der Kerngedanke unseres Vorschlages einer vor Ort „eingegossenen Speicherkugel“ besteht nun darin, die Schalung für die Innenwand der Kugel (und u.U. auch die „äußere Basisschalung“) nach dem Hochtief-Patent EP 2 7000 594 zu übernehmen, aber die Schalung für eine kugelförmige Außenwand durch eine aus Platten (bzw. Fertigbauteilen) zusammengesetzte verlorene Schalung zu ersetzen. Die innere Schalungskugel befindet sich also nun nicht mehr innerhalb einer Außenschalungs- Kugel, sondern in einer sehr einfachen ebenen Außenschalung, die zweckmäßig als „offene hexagonale Wabenstruktur“ nach Bild 12 konzipiert ist.
Beim Bau der Anlage stellen die stückweise im Voraus hochgezogenen Schächte wichtige Inseln im „Betonmeer“ dar und können als Stützpunkte für Krane und andere Maschinen und Gerüste dienen. Auch erleichtern sie das Positionieren beim nassen Erweiterungsbau der Anlage.
4.3 Einige Anmerkungen zu Komponenten der Speicheranlage
Im Folgenden werden noch einige beispielhaften Einzelheiten zur Ausgestaltung einzelner Komponenten der Speicheranlage angegeben
4.3.1 Speicherschacht 43
Die Schachtwände sind zwar dünn, aber durch das Ausgießen mit Beton werden sie Bestandteil eines großen druckfesten Betonkörpers 9. Es fehlt also nur noch ein druckfester Deckel 94 und eine hydraulische Verbindung zur Pumpturbine 77. Letztere kann extern durch eine eigene Leitung 64 erfolgen (-wie rechts in Bild 16 dargestellt-) oder auch indirekt durch eine interne Verbindung zu einer der vier angrenzenden Speicherkugel erreicht werden (links in Bild 16). Der „druckfeste Deckel“ 94 kann -entsprechend der direkten Wortbedeutung- als nachträglich aufgesetzter dicker Deckel ausgeführt werden.
Er kann aber andererseits auch einfach nur den Bereich der Betonausgießung 9 bezeichnen, der den Speicherschacht 43 nach oben abschließt. Dann wird man zunächst eine druckgünstig konstruierte Schalung 94a - z.B. eine „dünne“ nach oben hochgewölbte Betonschale -die man als oberstes Segment beim Aufbau des quadratischen Schachtes einsetzt und nach unten hin so verankert, dass sie den Hohlraum dicht abschließt. Dann wird im Verlauf der Fertigstellung des gesamten Betonkörpers 9 auch diese Schale 94a mit Beton ausgegossen. Da sie nur den Druck des ausgegossenen noch flüssigen Betons auszuhalten hat, kann sie dünn und „provisorisch“ ausgeführt sein. Man könnte die hochgewölbte Betonschale 94a vielleicht als Fertigbauelement produzieren oder sie aus Fertigbauelementen zusammensetzen. (Bild 17).
Im Hinblick auf eine spätere Erweiterung der Speicheranlage kann der Deckel 94 des Speicherschachtes 43 mit einer kleineren, leicht abnehmbaren Kappe 94b versehen werden, der im Gegensatz zum fest eingegossenen Deckel bei Druckausgleich leicht angehoben und abgenommen werden kann - wie es sich eben für eine Kappe gehört (Bild 17c). Die Kappe 94b liegt innerhalb des Deckels 94 in einer Aussparung der Betonausfüllung 9 auf und schließt einen kleinen Kanal, den Zugangskanal 94c nach außen hin ab. Bei der Erweiterung der Anlage kann die zusätzliche Speichereinheit über den bisher durch die Kappe 94b verschlossenen Zugangskanal 94c mit dem Speicherschacht 43 verbunden werden und erhält dadurch einene breiten Zukangskanal zu Pumpturbineneinheit 77.
Speicherschacht 43 als Zugangsleitung:

Alternativ zur getrennten hydraulischen Führung des Speicherwassers für Speicherkugeln und Speicherschächte (vgl. Bild 16) kann man je Pumpturbinen-Einheit 77 einen der Speicherschächte 43 als Master auswählen, der alleine an die Pumpturbinen Einheit 44 hydraulisch angebunden ist und selbst aber mit allen zugeordneten Speicherkugeln und Schächten direkt oder indirekt hydraulisch verbunden ist. Dies wird in Bild 18 dargestellt.

Es können auch mehrere Speicherschächte getrennt auf die Pumpturbinen-Einheit 77 aufgeschaltet werden und dort z.B. verschiedenen Turbinen zugeordnet werden. Beispielsweise können je nach Stockwerk die Speicherkugeln 3 einen anderen Speicherschacht 43 als hydraulische Verbindung zur Pumpturbineneinheit 77 benutzen.
4.3.2 Waagerechter Speicherschacht 43w
Eine durchgängig waagerechte Anordnung der Speicherkörper in festgelegten Stockwerken wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad und den sonstigen Betrieb der Pumpturbine aus, da nun der Leistungsbereich durch die Stockwerkshöhe (und nicht durch die gesamte Bauwerkshöhe) vorgegeben wird.
Aus Symmetriegründen bleiben bei der einfach kubischen Anordnung die Zugangsräume (22, 24) zwischen den Kugeln unverändert, wenn man die Anordnung um 90 Grad dreht: Aus den „senkrechten Zugangsräumen“ werden dann analoge waagerechte Zwischenräume, denen man analoge waagerechte „Schächte“ einbeschreiben kann, was wir in der Bezeichnungsziffer durch einen Index „w“ andeuten; ein waagerecht liegender Speicherschacht wird daher mit der Bezeichnungsziffer 43w markiert. Obwohl in der Bergmannssprache ein „waagerechter Schacht“ eigentlich als „Strecke“ zu bezeichnen wäre, möchten wir zur Vereinfachung und Betonung von Analogie und Symmetrie unsere gewählte Bezeichnung „waagerechter Speicherschacht“ beibehalten.
Die Verbindung zum Oberbecken muss natürlich weiterhin durch einen senkrechten Zugangsschacht 44 erfolgen. Diese werden in bestimmten senkrecht zum Verlauf der waagerechten Speicherschächten 43w stehenden Ebenen angeordnet.
Bild 19 zeigt eine derartige Speicheranlage; es zeigt die Seitenansicht (sic!) auf Speicherkugeln 3 in der Ebene der senkrechten Großkreise und die nun waagerechten quadratischen Speicherschächte 43w. Alle Speicherhohlräume sind in ein durch Ausgießen der offenen Wabenstruktur erstelltes Tragendes Betonbett 9 eingehüllt. Aus Symmetriegründen ähnelt diese Seitenansicht mit den waagerecht angeordneten Speicherkörpern 43w der Draufsicht auf die Speicheranlage mit den senkrechten Speicherschächten 43 in Bild 13.
Bild 20 zeigt die gegenüber Bild 19 waagerecht um D/2, also um einen halben Kugeldurchmesser, verschobene senkrechte Seitenansicht auf die Speicherhohlräume. Die Speicherkugeln 3 sind in dieser Zwischenebene zwischen den Kugeln nur noch als Markierung für ihre seitlichen Berührungspunkte dargestellt. In dieser Zwischenebene verlaufen die diagonalen Speicherschächte 43d von rechts oben nach unten (und ebenso - aber hier nicht eingezeichnet von links oben nach unten). Der Weg über die diagonalen Speicherschächte 43d bieten sich daher für eine hydraulische Verbindung zwischen den Stockwerken und insbesondere für eine direkt hydraulische Verbindung zwischen einem bestimmten Stockwerk und der Pumpturbinenstation 77 an. Hierbei kann man auf dem Weg nach unten auch abwechselnd Abschnitten in rechtsdiagonalen (von rechtsoben nach unten) und in linksdiagonalen Speicherschächte 43d benutzen.
Bild 21 zeigt eine senkrechte Zwischenebene (zwischen den Speicherkugeln) analog zu Bild 20, die aber in der mittleren Spalte einen senkrechten Freiwasser-Zugangsschacht 44 mit Pumpturbineneinheit 77 enthält: In dieser Kopfebene 244 kann ein abgesetzter Zugangsspalt 444 eingerichtet werden. Auf der linken Seite in dieser senkrechten Kopfebene befindet sich auch beispielhaft eine hydraulische Zuwegung vom obersten Stockwerk zur Pumpturbineneinheit 77; sie verläuft direkt über Teilstücke von diagonalen Speicherschächten 43d.
Diese hydraulische Zuwegung ist aber nicht an die den Zugangsschacht 44 enthaltene Kopfebene 244 gebunden, sie kann in jeder senkrechten Zwischenebene stattfinden und in waagerechter Richtung Abschnitte von waagerechten Speicherschächte 43w benutzen. Die gesamte Speicheranlage enthält also ein dreidimensionales Netzwerk aus waagerechten Speicherschächten 43w und schiefen diagonalen Speicherschächten 43d, so dass durch geeignete hydraulische Verbindungen zwischen diesen Elementen und Abschottungen innerhalb einzelner Element eine Vielfalt von hydraulischen Wegen vorgegeben werden kann.
Man beachte, dass die einfach kubische Anordnung der Speicherkugeln und die weitgehend senkrechte Übertragung der Gewichtskräfte es erlauben, das Bauwerk insbesondere in einer senkrechten Ebene zwischen den Kugeln, in der die senkrechten Zugangsschächte 44 (genauer: die Mittelebene 244 der Zugangsschächte 44) angeordnet sind, ohne problematische Änderung der Statik auseinander zu ziehen. Dadurch entsteht ein frei verfügbares Volumen für eine Erweiterung der Zugangsschächte 44 zu einem abgesetzten Zugangsschacht 444, dessen Querschnitt nicht mehr an den Durchmesser der Speicherkugeln gekoppelt ist Dies ist besonders dann wichtig, wenn man -aus welchen Gründen auch immer-, eine im Verhältnis zur StEnSea Kugel deutlich kleineren Kugeldurchmesser auswählen möchte.
Bild 21 zeigt, dass auch bei einer konsequent in Stockwerken ausgerichteten Speicheranlage mit Speicherkugeln 3 und waagerechten Speicherschächten 43w, eine derartige Erweiterungsmöglichkeit 244 für einen Abgesetzter Zugangsspalt 444 besteht.
Zusätzlich gibt es noch die Möglichkeit, in der in Bild 21 dargestellten Kopfebene 244 parallel zum senkrechten Freiwasser Zugangsschacht 44 auch senkrechte Speicherschächte 43 am Kopfende einer Spalte von waagerechten Speicherschächten 43w zu errichten.
Durch diese leistungsstarken hydraulischen Wege lassen sich große Speicherkapazitäten auch in einer einzigen waagerechten Ebene realisieren, so dass man große Pumpturbinen auch für einen engen Hubbereich einsetzen kann.
4.4 Austauschbare Pumpturbinen am Fuße des Zugangsschachtes 44
Zur Pumpturbinen Einheit 77 gehören eine oder auch mehrere Pumpturbinen 7. Sie befindet sich am Fuße des freien Zugangsschachtes 44 und nimmt die druckfesten Zuleitungen zu den zugeordneten Speichereinheiten, also zu den Speicherkugeln 3 bzw. den Speicherschächten 43 auf. Man beachte, dass in den miteinander verbundenen Speichereinheiten auch im energetisch ausgespeicherten Zustand nur der Binnendruck der inneren Wassersäule herrscht, da eine Kraft-schlüssige vollständige Flutung der Speicheranlage verhindert wird (siehe /DE_SeeEi1/ Abschnitt „Zwei Bemerkungen zum Bau und zum schonenden Betrieb.....“) und diese daher nie zu exakt 100% mit Wasser gefüllt ist. In der Speicheranlage herrscht also immer ein starker Unterdruck gegenüber dem statischen Wasserdruck des Sees vor der Turbine. Daher werden bewegliche oder nur locker verankerte Platten fest auf ihre Unterlage gedrückt.
Die Turbinen 7 werden daher zweckmäßigerweise auf einem Turbinenteller 78 (z.B. einer Betonplatte) festmontiert, so dass sie mit einer geeigneten Aufhängung als fertige Einheit z.B. über ein Seil bewegt werden können (Bild 22).
Diese leichte Handhabung des Turbinentellers 78 erlaubt es die gesamte Turbinenanlage „im Trocknen“ zu montieren und dann im geräumigen Zugangsschacht 44 herabzusenken und einfach auf die Öffnung des Gehäuses der Pumpturbinen-Einheit 77 aufzusetzen. Bei Inbetriebnahme der Pumpe entsteht der Unterdruck und der Turbinenteller 78 wird fest auf seine Unterlage gedrückt. Auch im Turbinenbetrieb bleibt der Anpressdruck erhalten und selbst wenn es gelegentlich einmal trotz aller Vorkehrungen dennoch zu einem vollständigen Druckausgleich käme, würde beim kraftvollen Anfahren der Pumpe der Anpressdruck sofort wieder entstehen.
Vor dem Abmontieren des Turbinentellers kann durch das behutsame Öffnen des Ventil 75 der vollständige Druckausgleich hergestellt werden.
Wegen der guten Zugänglichkeit und einfachen Montage der Pumpturbinen ist es technisch möglich, zumindest bei kleinen und mittleren Leistungen die Pumpturbinen erst nach Füllung des Sees zu montieren. Dies ist von großer ökonomischer Bedeutung, weil dadurch die erheblichen Kosten für die Pumpturbinen erst unmittelbar vor der Inbetriebnahme der Speicheranlage anfallen; es muss also hierfür kein „schlafendes“ Kapital vorinvestiert werden.
Anmerkung: Bei einer Betätigung nach vielen Betriebsjahren könnte es Schwierigkeiten mit der Öffnung des Ausgleichventils 75 geben. Für diesen Fall kann man eine Art „Notventil“ vorsehen, das es erlaubt, die massive Betondecke wenigsten an einer, dafür vorgesehenen Stelle einfach zu durchbohren. Hierfür würde sich beispielsweise eine dünne, am besten konische, Hülse, die mit weichem Material, z.B. Mörtel, ausgegossen ist und leicht durchbohrt werden kann, eignen.
4.5 Verallgemeinerung des Prinzips der eingegossenen Hohlkörper
Bisher wurde das Prinzip, aus in der Fläche angeordneten dünnwandigen Hohlkörpern durch Vergießen des Zwischenraumes mit Beton druckfeste dickwandige Speicherkörper zu erstellen, speziell auf die Kombination von Hohlkugelspeicher 3 und quadratische Prismen-Speicher (die Speicherschächte 43, 43w und 43d) angewendet. Besonders interessant ist dabei, dass die dünnwandigen Hohlkörper selbst keineswegs zwingend als fertige Elemente bereitstehen müssen, sondern auch zusammen mit dem Vergießen der Zwischenräume in einem einzigen Arbeitsgang „hochgezogen“ werden können; d.h. die Schalung für die Umrandung der Hohlkörper dient dann gleichzeitig auch als Schalung für das Vergießen.
Es ist vielleicht auch möglich die Schalung selbst zu „drucken“, wie das im Unterabschnitt „Bemerkung zu einem fortlaufendem 3-D Druck der Hohlkugel-Schalung“ in /DE_SeeEi_1/ angedacht wurde. Hierbei muss lediglich selbstredend beachtet werden, dass die frisch gegossenen Schalungsabschnitte vor dem Ausgießen des nächsten Höhen-Abschnitt der Zwischenräume bereits ausreichend erhärtet sind.
4.5.1 Weitere eingegossene Hohlkörper
Das erfindungsgemäße „Verfahren der eingegossenen Hohlkörper“ lässt sich auch auf andere Hohlkörper übertragen. So können z.B. auch Prismen mit sechseckigem oder einem anderen polygonen Querschnitt als Schachtspeicher (senkrecht oder waagerecht) eingesetzt werden.
Besonders naheliegend ist es, die Speicherkugeln durch Speicherrohre zu ersetzen. In der Draufsicht brauchen wir hierfür noch nicht einmal neue Zeichnungen anzufertigen, wir müssen nur die beispielsweise in den Abbildungen Bild 9, Bild 13 u.a. eingezeichneten „Großkreise“ nunmehr als Querschnittsfläche der Speicherrohre interpretieren. Auch die Seitenansichten ändern sich nur geringfügig, was beispielhaft in Bild 23 aufgezeigt wird. Man beachte, dass nur die Oberseite des Speicherzylinders 34 durch eine Halbkugel druckfest abgeschlossen ist, seine Unterseite wird hingegen durch eine besonders dicke aber unproblematisch herzustellende ebene Fundamentschicht druckfest gemacht.
Bei gleicher Festigkeit muss die Zylinderwand dicker (nach der „Kesselformel“ doppelt so dick) als die Kugelwand sein, so dass die Zylinderform bei gleichem Außendurchmesser entgegen dem ersten Eindruck kein größeres Speichervolumen ergibt.
Im Abschnitt 4.6 werden bespielhaft einige Konstruktionen mit polygonen Hohlkörpern angegeben.
4.5.2 Eingegossene Speichersysteme (Speicherkörper und Verbindungskanäle)
Das erfindungsgemäße „Verfahren der eingegossenen Hohlkörper“ lässt sich schließlich auch auf ganze Speicheranlagen übertragen. Man baut also zunächst eine dünnwandige Hohlraumstruktur aus Speicherkörpern, Verbindungskanälen und den einschließenden Außenwänden (ebenfalls noch dünnwandig) und füllt dann die Zwischenräume mit Beton aus.
Der Auffüllvorgang kann so vorgehen, dass die unteren Teile schon selbsttragend erhärtet sind, während die höher liegenden Teile noch flüssig sind. Dann wird das Gewicht der erhärteten Teile nur über die bereits entstandene feste Beton- Struktur nach unten abgeleitet, und es ergibt sich dort kein seitlicher Druck mehr auf die Schalung. Die dünnwandige Schalung muss nur dem Seitendruck des noch flüssigen Betons standhalten.
Die Hohlschalungs-Struktur kann nach der Festigung des Betons zur Wiederverwendung je nach der inneren Zugänglichkeit zumindest teilweise abgezogen werden.
Man beachte, dass die senkrechten quadratischen Hohlprismen, ein (späterer) Speicherschacht 43 ebenso wie ein freier Zugangsschacht 44, bei der Montage als außenliegender Standort für Baukrane und sonstige Werkzeuge dienen können, was insbesondere bei der Ausformung der Kuppeln wichtig ist.
4.6 Prismatische Hohlkörper
Speicherkugeln erlauben bei gleichem Druck die dünnsten Wände. Daher eignen sie sich besonders für:

• große Tiefen
• als kompakte Speichereinheiten in stockwerksunterteilter Anordnung.
• bei einer Genehmigungsauflage, den theoretischen Auftrieb der Hohlkörper ortsnah vollständig oder weitgehend durch Ballastmaterial zu kompensieren.

Daher wird eine Ausführungsform beispielhaft beschrieben, die aus einer Speichereinheitszelle aus senkrecht stehenden prismatischen Hohlkörpern, z.B. polygonförmige Röhren (z.B. außen Sechseckform), oder runden Rohren mit einem halbkugelähnlichen oberen Abschluss besteht. Diese Anordnung ist in Draufsicht und Seitenschnitt in Bild 24 dargestellt.
Die Einheit besteht aus z.B. neunzehn dicht gepackten Polygonröhren 30 in dichter hexagonaler Anordnung. Die Ansammlung wird am Rand durch die randständigen Wände einer gedachten hexagonalen Umschließung der außenliegenden Rohre abgeschlossen. Zum Zusammenschluss der Röhren werden sie zu einer Einheit aus Beton gegossen mit mindestens einer zentralen Turbineneinheit. Das Gewicht des Betons wird so berechnet, dass der Auftrieb der leeren Einheit kleiner als sein Eigengewicht sein sollte; sonst wird eine zusätzliche Gewichtsbelastung (z.B. Beschwerung mit Geröll) notwendig.
Die einzelnen Nummern in Bild 24 betreffen:

9 = Die in einem Arbeitsgang gegossenen Betonteile.
30 = Der Innenhohlraum eines Segmentes (Durchmesser mindestens 2 m bis ca. 50 m) und mindestens ca. 20 m bis 250 m hoch).
44 = Das Verbindungsrohr (evtl. auch aus Stahl etc.) von oberem See zur Turbine (führt hohen Druck), durch das das Wasser beim Stromeinspeichern von der Pumpe (Turbine) hochgepumpt wird und bei Stromerzeugung hinunter strömen kann. Dieses Rohr hat eine entsprechend dicke Wandstärke, da je nach Wasserhöhe ein hoher Druck von innen wirkt. Dieses Rohr sollte evtl. gegen die anderen Speicherröhren abgestützt werden können. (Das Verbindungsrohr 44 entspricht dem „freien Zugangsschacht“ 44 in vorherigen Abbildungen))
104 = Der Notzugang für Wartung (mindestens 1 m bis ca. 5 m Durchmesser) abgeschlossen mit einer zu öffnenden Schleuse oder ähnlich. Bei notwendiger Wartung wird oder kann auf diesen Notzugang ein Eingangsrohr (evtl. bis Wasseroberfläche führend) montiert.
107 = Quergänge für evtl. Wartungsarbeiten.
77 = Die Turbinen sitzen am unteren Ende des Verbindungsrohres 44 und können an einem Stahlseil (oder ähnlich) herabgelassen und wieder zur Wartung hochgeholt werden. Natürlich nur, wenn die Segmente mit Wasser gefüllt sind und damit Druckausgleich zwischen Speichersegment und äußerer Wassersäule hergestellt ist. (vgl. auch Kapitel 4.4 „Austauschbare Pumpturbinen..."). Bei Bedarf kann man den freien Zugangskanal 44 zur Pumpturbine auch dadurch noch weiter vergrößern, dass man an Stelle des inneren Rohres 103 in der zentral liegenden Speicherzelle einfach diese gesamte Speicherzelle selbst zu einem Zugangskanal umfunktioniert: Sie ist dann oben offen und unten gegen die Speicheranlage druckfest abgeschlossen; man verliert zwar etwas Speicherraum, aber der Aufwand für das druckfeste Innenrohr 44, die Abdeckung und den druckfesten Durchgang des Rohres durch die Abdeckung werden eingespart.
6 = Die Rohrverbindungen 6 im Boden des Segmentes verteilen das Wasser auf alle Segmente der Einheit.

Das Bild 25 zeigt im horizontalen Querschnitt das Aneinanderfügen von mehreren Speichereinheiten nach Bild 24. Durch den hexagonalen Grundaufbau entstehen keine verlorenen Zwischenräume, so dass das vorliegende Volumen optimal für den Speicherzweck genutzt wird und eine dichteste Packung ermöglicht wird.
Weitere Anmerkungen zu den Formen, die Herstellung, Montage und Wartung der möglichen Speichersegmente:

Formen: Einheits-Speichereinheitszelle: Stehende Röhren aus Beton, z.B. Polygonförmige Röhren (z.B. außen Sechseckform), die zu einer Einheit (z.B. 19 solche Röhren => symmetrische Druckverteilung! siehe Bild 24) gegossen werden. Eins der Rohre - evtl. auch aus Stahlführt zu einer zentralen Turbineneinheit, die an der tiefsten Stelle dieser Röhre montiert wird. Innenform der Röhren kann bevorzugt sphärisch sein (höhere Druckfestigkeit). Das Gewicht des verbauten Betons kann so berechnet werden, dass der Auftrieb der Einheit im Leerzustand möglichst kleiner als das Eigengewicht ist. Sonst wird eine zusätzliche Gewichtsbelastung (z.B. Beschwerung mit Geröll) notwendig.

Herstellung: Die 19 Röhren einer Einheit (gilt auch für andere Geometrien) können mit einer langsam hochfahrenden zusammenhängenden Schalungseinheit gegossen werden. Die oben abschließenden Kuppeln können vor Ort gegossen oder separat aufgesetzt werden.
In Bild 26 wird dargestellt, wie man den Deckel (Rundkuppel 31 oder Kegel 31a) einfach erstellen kann. Zunächst wird man grundsätzlich am oberen Ende des Rohres eine Arbeitsplattform 32 einbauen (das können Fertigteile sein). Von dieser Plattform aus kann man den Deckel von innen leicht einschalen und durch eine Ausstiegsluke 35 erhält man einen Zugang. Die Ausstiegsluke sollte einen Durchmesser von 1 bis 2 m aufweisen; sie wird später im Betrieb geschlossen, aber bei Bedarf kann sie immer wieder geöffnet werden.
Montage: Die ganze Röhreneinheit mit Sockel kann einmal im Tagebau vor Ort gegossen werden, aber auch nach Flutung des Sees in einem separaten Dock schwimmend hergestellt werden und an der gewünschten Stelle auf der Sohle des Sees im See ortsgenau versenkt werden, so dass auch nach Flutung des Loches die Gesamtanlage noch vergrößert werden kann (wenn die Sohle des Sees im Tagebau entsprechend vorbereitet wurde).
Hier wären dann auch CONTAINER-Schiffähnliche Formen der Speichereinheit möglich (siehe unser altes Patent 2011 /De_Meerei2).
Wartung: Da das System eine sehr lange Lebensdauer (Betonteile evtl. einige 100 Jahre) haben soll, sollte es Vorrichtungen enthalten, dass im Innem der Röhren evtl. auch von Menschen eine Wartung (z.B. Reinigung) durchgeführt werden kann. Daher sollte es einen Notzugang (siehe Nr. 104 in Bild 24 z.B. eine Schleuse) und innerhalb der Segmente einer Einheit auch Querzugänge (siehe Nr. 107 in Bild 24) haben. Diese Wartungszugänge können auch anders angebracht werden.
Vorteil im Vergleich zur freistehenden Kugelform (siehe Stensea-Projekt): Bei Verwendung von freistehenden Kugeln mit Fuß wird die Turbinen/Pumpen Einheit von oben in die Kugel geschoben und muss bei einer 30 m Durchmesser Kugel ca. 30 m in die Kugel hineinragen, was zu vermehrten Vibrationen führen kann. In der obigen Konstruktion sitzt die Turbineneinheit fest auf dem vorgefertigten Flansch und wird auch ohne Anschrauben durch den hohen Wasserdruck vibrationsfrei montiert sein (siehe hierzu auch Unterkapitel „4.4 Austauschbare Pumpturbinen am Fuße des Zugangsschachtes“).
Da im hier vorgestellten Vorschlag der Wassereinlass in die Einzelsegment am tiefsten Punkt erfolgt, ist im Gegensatz zum bisherigen STENSEA-Projekt (Kugelform mit Montage der Turbine von oben durch die ganze Kugel hindurchführend) viel vorteilhafter und wahrscheinlich weniger wartungsanfällig und somit kostengünstiger.
In Bild 27 wird eine der vielen mögliche Ausbildungen einer Gesamtanlage beschrieben. Es zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Hambacher Loch nach Errichtung des Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerkes. In der zentral verlaufenden ausgekohlten tiefen Rinne auf der Teufe von ca. 460 m wird zunächst ein Bodenfundament 60 verlegt, das die Turbinenstationen und die Logistik enthält. Darauf wird dann die oben beschriebene hohe (beispielsweise 105 -200 m) Speicheranlage , die mit ihren Hohlraumsegmenten in Polyederform als Unterbecken 200 des Pumpspeicherkraftwerkes dient, errichtet. Das Unterbecken wird zunächst durch eine stabilisierende Betondecke 16 abgeschlossen, auf der dann noch aus dem reichlich vorhandenen Abraum des Braunkohletagebaus verdichtetes Füllgeröll 13 in einer Höhe bis zu vielleicht 100 m abgelagert werden kann. Auch seitlich kann das hohe Unterbecken durch Einbettung zur Befestigung des Hanges herangezogen werden. Die Verbindung zwischen den Pumpturbinen des Unterbecken 200 und dem verbliebenen Obersee 0 von rund 100 m Tiefe erfolgt durch lange Verbindungsrohre, in diesem Falle werden also die Verbindungsrohre 44 besonders lang ausgeführt.
4.7 Spätere Erweiterung
Sehr große und tiefe Tagebaulöcher besitzen das Potential, auch ungewöhnlich leistungsstarke PSKW zu beherbergen. Andererseits können wg. der langsamen Erstbefüllung viele Jahre zwischen dem „trockenen“ Aufbau des Unterbecken und der Inbetriebnahme vergehen. Im Kapitel „4.4 Austauschbare Pumpturbinen am Fuße des Zugangsschachtes 44“ haben wir bereits darauf hingewiesen, dass die Pumpturbinen, die ja einen hohen Kostenanteil der Gesamtanlage aufweisen, zumindest bei kleinen und mittleren Leistungen auch nachträglich, - bei bereits gefülltem See-, installiert werden können.
Man kann aber auch die bauliche Speicheranlage noch nachträglich -bei gefülltem See- erweitern; dies war auch der eigentliche Ansatzpunkt unseres „Meerei“-Patentes (/DE_Meerei1/, /DE_Meerei2/).
Zur späteren Erweiterung eines bestehenden Unterwasser- PSKW gibt es grundsätzlich drei Ansätze.

(1.) Nur das Speichervolumen wird erweitert. Die hydraulische Anbindung eines neu aufgesetzten Speichervolumens an ein bestehendes Unterbeckens erfolgt über die bereits im Kapitel 4.3.1 dargestellte, von außen zugängliche und leicht abnehmbaren Kappe 94b und den darunter liegenden Zugangskanal 94c (siehe Bild 17c). Die zusätzliche Speichereinheit ist dadurch direkt an einen bestehenden Speicherschacht 43 angekoppelt und erhält somit einene breiten Zugangskanal zu einer Pumpturbineneinheit 77. Die bereits bestehende Pumpturbinenanlage wird also mitbenutzt, eine zusätzliche elektrische Anbindung ist nicht erforderlich.
(2.) Speichervolumen und Anschlussleistung werden erhöht. Bei großen Erweiterungen dürfte es sinnvoll sein, nicht nur das Speichervolumen, sondern auch die Anschlussleistung zu erhöhen. Dies erfolgt in zwei Schritten, die konstruktiv weitgehend unabhängig voneinander sind:
- Die hydraulische Anbindung erfolgt -wie oben im Ansatz 1 dargestellt- über den Speicherschacht 43
- Die hydraulisch zugeordnete Pumpturbinen-Einheit 77 wird für eine höhere Leistung umgerüstet. Hierzu wird - wie im Kapitel 4.4 beschrieben- der Pumpensatz mit Pumpturbinen-Teller 78 herausgehoben, im Trockenen neu konfiguriert und dann wieder installiert.
(3.) Aufsetzen einer neuen selbständigen Einheit aus Speichervolumen und Pumpturbine. Man kann die Oberfläche des bestehenden Unterbeckens außerhalb des Bereiches, in dem ein offener Zugangsschacht 44 die freie Verbindung zum oberen See erfordert, als neuen „Seeboden“ zur Aufnahme einer fertigen Einheit aus Speichervolumen und Pumpturbine auffassen. Entsprechend dem Meerei-Konzept (/DE_Meerei1/, DE_Meerei2/) oder darüberhinausgehend kann man beispielsweise:
- eine einzelne oder mehrere hydraulisch unverbundene Speicherhohlkugeln (mit eingebauter Pumpturbine) abgesetzt werden.
- oder auch ein vollständig selbständiges neues Unterbecken, mit hydraulischer Verbindung der neuen Speicherkörper und gemeinsamer Nutzung einer neuen Pumpturbineneinheit 77 auf der untersten Ebene des neuen Unterbeckens abgesetzt werden.
- und hierbei sogar einen anderen Typ des Unterbeckens zum Einsatz bringen. So kann man z.B. auf ein Unterbecken mit etagenweiser Ausrichtung und Hohlkugeln als vorherrschenden Speicherkörpern auch ein weiteres selbständiges Unterbecken aus senkrecht stehenden Prismen (nach Kapitel 4.6 Prismatische Hohlkörper) aufsetzen

Diese selbständigen Einheiten sollten selbstverständlich elektrisch an die bereits vorhandene Elektro-Installation angeschlossen werden, und daher sollte bereits beim Trockenbau des ersten Unterbecken eine entsprechende „Steckdose“ für den weiteren Ausbau vorgesehen werden. Falls man sich dazu entschieden hat, die elektrische Unterverteilung zur Anbindung der einzelnen Pumpturbinen-Einheiten 77 wegen der guten Zugänglichkeit in „Elektroachsen“ auf der Oberfläche des Unterbeckens anzuordnen, ist die „Steckdose“ sowieso schon leicht zugänglich. Aber man sollte dann überlegen, ob man beim Aufstocken des Unterbeckens die Kabel dort belässt oder aber die gesamte Unterverteilung für Pumpturbinen des neuen und auch für diejenigen des schon bestehenden Unterbeckens neu auf der Oberfläche des neu aufgesetzten Unterbeckens installiert.
Die vorhandenen Zugangsschächte 44 des alten Unterbeckens müssen zur Anbindung der bestehenden Pumpturbinen-Einheiten 77 bestehen bleiben und bis zum freien Seewasser weitergeführt werden. Da sie in der Regel großzügig bemessen sind, können sie grundsätzlich auch zur hydraulischen Versorgung der neu aufgesetzten Unterbecken herangezogen werden.
Man kann aber - u.U. nur zur Ergänzung- auch in dem aufgesetzten Unterbecken neue Zugangsschächte 44 einrichten, die dann geometrisch oberhalb von Speicherschächten des alten Unterbecken angeordnet sind (in Analogie zu Bild 28).
4.8 Etagenweise hydraulische Anbindung
Pumpturbinen sind auf eine bestimmte Druckdifferenz ausgelegt und arbeiten optimal nur in einem mehr oder weniger engen Druckbereich. Wenn daher das Unterbecken eine gewisse Höhe übersteigt, kann es sinnvoll werden, dasselbe auch hydraulisch in einzelne Stockwerke zu unterteilen; dann kann das Speicherwasser getrennt nach diesen Höhenbereichen der Pumpturbineneinheit 77 mit verschiedenen auf die einzelnen Höhenbereiche abgestimmten Pumpturbinen 7 zugeführt werden. Dort können dann verschiedene Pumpturbinen mit besonderer Auslegung für die einzelnen Etagen zuständig sein und parallel geschaltet arbeiten.
Einen etwas geringeren Effekt kann man auch dadurch erreichen, dass man die einzelnen Stockwerke in einer überlegten Reihenfolge zwar über hydraulisch abgetrennte Leitungen aber mit einer gemeinsamen Pumpturbine abarbeitet. Hierbei nutzt man aus, dass der Pegel des Oberbeckens bei fortlaufendem Turbinenbetrieb langsam absinkt: Beispielsweise kann bei energetisch gefülltem Unterbecken (also Vakuum im Unterbecken) der Turbinenbetrieb zeitlich so ablaufen, dass die Stockwerke des Unterbeckens von oben nach unten mit Triebwasser befüllt werden: am Anfang wird also über eine gesonderte Leitung das oberste Stockwerk mit Triebwasser gefüllt wird, danach das zweit- oberste usw. und am Ende, wenn der Obersee schon deutlich abgesenkt ist, wird erst das unterste Unterbecken mit Wasser gefüllt; dadurch wird die Druckdifferenz an der Turbine zeitlich etwas ausgeglichen und die Extremfälle „maximale Höhendifferenz zwischen vollem Oberbecken und dem untersten Stockwerk des Unterbeckens“ und „minimale Höhendifferenz zwischen minimal gefüllten Oberbecken und obersten Stockwerk des Unterbeckens“ werden vermieden.
Für eine Mischung aus dem Einsatz mehrerer verschiedener Pumpturbinen 7 und einer Betriebsweise in „überlegter Reihenfolge“ gibt es viele Möglichkeiten.
Bei einem Unterbecken aus 4 Stockwerken könnte man beispielsweise die beiden benachbarten mittleren Stockwerke 2 und 3 hydraulisch auf eine erste Pumpturbine zusammenschalten und auf eine zweite Pumpturbine, die hydraulisch über zwei getrennte Leitungen mit dem 1. (untersten) und dem 4. (obersten) Stockwerk verbunden ist, zunächst das oberste Stockwerk 4 und danach erst das unterste Stockwerk 1 aufschalten. Ob dies Vorteile bringt gegenüber der einfacheren Aufschaltung
der hydraulisch ortsnah zusammengeschalteten Stockwerke 1 und 2 auf eine erste Pumpturbine einerseits, und
der hydraulisch ortsnah zusammengeschalteten Stockwerke 3 und 4 auf eine zweite Pumpturbine andererseits.
hängt von der Größe des Pegelhubs im Oberbecken ab.
Analoges gilt für den Pumpbetrieb.
Das Bild 28 demonstriert verschieden Möglichkeiten zur stockwerksseitigen hydraulischen Zusammenfassung von Speicherkörpern.
Der direkteste Weg ist ganz oben in Bild 28 dargestellt: Vor allem bei einer nachträglichen Erweiterung (siehe den vorhergehenden Abschnitt 4.7) kann man auf die Idee kommen, ein in sich abgeschlossenes neues Unterbecken auf das alte einfach draufzusetzen. Dann hat das neue Stockwerk eine eigene Anbindung an eine zugehörige neue Pumpturbineneinheit 77 und es entstehen beim Befüllen und Entleeren der Speicherkugel 3 nur Höhenunterschiede im Bereich des neuen aufgesetzten Unterbeckens.
Ein anderer Weg besteht darin (siehe mittlerer und unterer Teil von Bild 28), den über mehrere Stockwerke sich erstreckenden Speicherschacht 43 in zwei oder mehrere Teilspeicherschächte aufzuteilen. Hierzu müssen Zwischenböden 943 in den Speicherschacht 43 eingezogen werden. Man beachte aber, dass diese Zwischenböden 943 nur den Druck der direkt darüber im Schacht stehenden Wassersäule aufzunehmen brauchen, bei 30 m Stockwerkshöhe also nur 3 bar. Die Zwischenböden können daher wesentlich einfacher konstruiert werden als der Abschlussdeckel 94 des gesamten Speicherschachtes 43, der dem wesentlich höheren äußeren Wasserdruck standhalten muss. Die Verbindungsrohre 64 verlaufen innerhalb eines Stockwerkes und jedes Stockwerk ist über ein eigenes Sammelrohr 6, im Bild 28 als 6a, 6b und 6c benannt, mit der Pumpturbinen-Einheit 77 verbunden, in der dann die entsprechende Aufteilung auf die einzelnen Pumpturbinen erfolgt. Im 2. Stockwerk beispielsweise sind dann Speicherkugeln 3b und Teil-Speicherschächte 43b durch Verbindungsrohre 64 miteinander verbunden und das gesamte Stockwerk wird dann über das eigenständige Sammelrohr 6b mit der Pumpturbine 77 verbunden.
Bemerkung: Ein Verbindungsrohr 6 kann auch, wie in Bild 28 bei 6c dargestellt, in dem hydraulisch großzügig ausgelegten Zugangsschacht 44 liegen.
5. Unterbecken ohne Auftriebskompensation
5.1 Ring-Staumauer mit innerem Arbeitssee und äußerem Rundum-Freizeitsee
In der Physik ist es eine beliebte Denkmethode, Dinge gedanklich weiter zu skalieren und zu schauen, ob neuartige Erscheinungen und Gebilde bei bestimmten Haltepunkten entstehen. Was passiert, wenn ich hohe stockwerkslose Speicherrohre (siehe Kapitel 4.6) immer höher und in ihrem Durchmesser immer weiter mache?
Beim Dicker- Werden wird es zunächst immer aufwendiger, den riesigen Speicherröhren einen passenden und druckfesten „Deckel“ aufzusetzen. Bei einer weiteren Vergrößerung der Höhe wird es dagegen wiederum einfacher, den Deckel druckfest zu machen, da bei schwindender Überdeckungshöhe mit Seewasser und/oder Abraum der Auflastdruck abnimmt. Der interessante Punkt wird erreicht, wenn die Speicherröhren die Oberfläche des Sees überragen und alle zusammen in einem einzigen großen kreisförmigen Speicher zusammengefasst werden.
Was nun entstanden ist kann man auch anders bezeichnen: Eine ringförmig geschlossene Staumauer innerhalb des Restsee, deren Innenraum das Unterbecken und dessen Außenraum das Oberbecken eines Pumpspeicherkraftwerkes darstellt. Wir bezeichnen diese Vollkreis-Staumauer als „Ring-Staumauer“ 333. Bild 29 zeigt einen Querschnitt des Hambacher Lochs (oder eines ähnlichen großen Tagebauloch), in dessen tiefer Abbaurinne, also auf dem gewachsenen Boden, eine ringförmige Staumauer errichtet wurde. Der Durchmesser kann so groß sein, wie die Abbaurinne einschließlich ihrer gleichhohen Umgebung breit ist, also beispielsweise 1 km oder -falls man am Rand noch etwas abgräbt - beispielsweise 1.5 km.
Das Triebwasser wird über ausreichend groß dimensionierte seitliche Zugangsschächte 44 vom Obersee 0 in die am Fuße der Ring-Staumauer befindlichen Turbinen geleitet; das Pumpwasser nimmt den gleichen Weg in der entgegengesetzten Richtung. Die Zugangsschächte 44 müssen nur die seitlich angehäuften oder einzukalkulierenden Abraummassen 12 überragen und den Zugang zu den Pumpturbinen sicher und langfristig freihalten. Sie können also ggfls. auch ziemlich kurz sein; allerdings sollten sie in der Breite großzügig bemessen sein, damit die Strömungsgeschwindigkeit des Speicherwassers klein bleibt und - im Unterschied zu den Verhältnissen in vielen Druckrohren-, der Reibungswiderstand vernachlässigbar gering bleibt.
Bild 30 zeigt die Draufsicht auf den Restsee 300 eines Tagebauloches mit - in diesem Beispiel vier- durch eine kreisförmige Ring-Staumauer 333 gebildeten Unterbecken. Die Spur der Unterbecken markiert den angenommenen Verlauf der tiefen Rinne. Die Staumauer meidet den Bereich des aufgeschütteten bzw. umgelagerten Boden.
Viele Staumauern, insbesondere in engen hohen Tälern, werden als Kreissegmente ausgebildet, deren nach außen weisende Ausbuchtung in den Stausee hineinragt. Bei diesem schlanken Staumauertyp, der sogenannten „Bogen- Staumauer“, wird die seitwärtige Druckkraft des Wassers nicht wie bei einer „Gewichts- Staumauer“ durch das große Gewicht der dicken Mauer aufgenommen, sondern elegant durch die gekrümmte Mauer auf die seitliche Verankerung im Berg umgelenkt (genauere Beschreibungen und anschauliche Bilder findet man bei Wikipedia (/Wikipedia ##Bogenstaumauer /).
Bei der von uns als Grenzfall aufgezeigten symmetrischen, (mehr oder weniger) kreisförmig geschlossenen Ring-Staumauer hebt sich der seitliche Schiebedruck des Wassers aus Symmetriegründen auf; denn der Wasserpegel im Rundumsee ist ja überall und zu jeder Zeit gleich. Die Staumauer muss nur dicht sein und den Druckunterschied zwischen innen und außen aushalten. Der Boden des inneren Beckens muss, - und das ist nicht anders als an der Talseite der üblichen Staumauern-, dem hohen Wasserdruck des „Grundwassers“ standhalten, das bestrebt ist, sich an Schwachstellen einen „artesischen Brunnen“ zu bahnen. Wichtig ist, dass das Unterbecken als ganzes keinen Auftrieb besitzt und daher auch nicht aufschwimmen kann, denn es ist ja von unten nicht von frei zugänglichem und stark strömungsfähigem Druckwasser umgeben. Bei einem „worst case“ -Dammbruch mag sich das Unterbecken zu einem gigantischen Tosbecken entwickeln, aufschwimmen kann es nicht.
Es gibt alte Überlegungen /Siol 1995/, ein Tagebauloch einfach durch eine quer verlaufende Staumauer in zwei Teile aufzutrennen und in herkömmlicher Weise den einen Teil als Oberbecken und den anderen Teil als Unterbecken eines PSKW zu betreiben.
Im Vergleich hierzu ist unser Vorschlag technisch, wirtschaftlich und auch ökologisch sehr viel effizienter und auch angenehmer:

ökologische Vorteile:
1. 1. die Schwere des landschaftlichen Eingriffs ist im Wesentlichen nur aus der Vogelperspektive zu sehen
2. 2. der Rundumsee kann als „Rundum-Freizeitsee“ (siehe hierzu auch 22 in /DE_SeeEi1/) wunderbar genutzt werden;
3. 3. die möglicherweise von empfindsamen Seelen als hässlich empfundene, aus dem Wasser herausragende Staumauer kann durch Bewuchs, der an der Staumauer selbst oder aber auch an vorgelagerten schwimmenden Substratträgern angebracht wird, eingegrünt werden. Aus der horizontalen Sicht von außen erscheint die runde Staumauer dann als eine grüne Insel im See, technische und wirtschaftliche Vorteile:
4. 4. die Länge der Staumauer ist eher kürzer, da sie nur den Bereich der großen Tiefe des Loches umschließt. Dort steht gewachsener Boden an. Der bautechnisch außerordentlich problematische Hangbereich des Tagebauloches mit seinen in großer Schichtdicke locker umgelagerten Abraumböschungen bleibt im wörtlichen Sinne „außen vor“.
5. 5. da keine seitliche Verschiebungskräfte baustatisch abgefangen werden müssen kann der Staudamm „schlank“ sein.
6. 6. Eine Kompensation von Auftriebskräften durch Ballast ist nicht erforderlich. daher kommt man mit vergleichsweise geringen Betonmengen aus.

Bemerkung zur Verringerung von Sickerwasser: Bei Stauseen gibt es an der Talseite der Staumauer keinen Auftrieb, sondern höchstens nur „artesische Brunnen“. Die stören zwar etwas - sind aber harmlos. Also braucht man keinen Beschwerungsbeton oder Ballast, sondern nur den baustatisch erforderlichen Beton. Man kann also druckfeste schlanke 360°-Bogen-Staumauern vorsehen.
Das setzt allerdings voraus, dass das Wasser praktisch keinen Weg findet, um durch den Boden auf die andere (also auf die trockene) Seite der Staumauer zu gelangen. Hier könnte man mit den in den früheren Kapiteln beschriebenen Mittel etwas nachhelfen, und den Weg des Wassers dadurch erschweren, dass man die Ringmauer Obersee-seitig mit einem Auftriebskompensierten Unterbecken mit eingebundenen Speicherkörpern umgibt. Dadurch erhöht man die effektive Breite der Staumauer um die Breite des Unterbeckens.
Dieses die Ringstaumauer umgebende „Satelliten- Unterbecken“ 201 stabilisiert gleichzeitig die im Restsee noch vorhandenen Ablagerung des Tagebaubetriebes. (Bild 31)
Man kann sich fragen: Warum ist der Vollkreis-Staumauer nicht schon längst Stand der Technik? Die Antwort ist einfach: diese verblüffend einfache Idee taugt nur für tiefe, rundum geschlossen Löcher und nicht zum Aufstauen eines tiefen Tales. Das Loch muss also schon da sein und nicht erst durch den Staudamm aus einem langen Tal geschaffen werden. Genau dies ist aber bei den Tagebaulöchern der Fall.
Vergleich mit Ringwall -PSKW
Für einen zwar grundlegend anders gearteten Anwendungsfall gibt es eine auf den ersten Blick ähnlich ausgerichtete Lösung. Kleine Höhendifferenzen können in einer Ebene durch Aufschüttung eines ringförmigen Walles erzeugt werden, und dieser Gedanke ist als „RingwallSpeicher“ ( DE10 2009 005360 B4 , siehe auch /Popp 2020/) bereits Stand der Technik. Beim Ringwallspeicher bleibt wg. der geringen Höhendifferenz die seitliche Verschiebungskraft ein untergeordnetes Problem und kann leicht durch das Gewicht des Walles aufgenommen werden. Eine kraftschlüssige Starrheit, die bei einem locker aufgeschütteten und lediglich abgedichteten Wall sowieso nicht gegeben ist, ist also auch nicht erforderlich.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied: Beim Ringwallspeicher wird durch den Innenraum des Wall in einer Ebene ein nicht allzu hohes Oberbecken geschaffen. Durch unsere erfindungsgemäße Ring-Staumauer wird hingegen in einem sehr tiefen vorhandenen Loch, das später zu einem Restsee aufgefüllt wird, durch den Innenbereich der Staumauer ein Unterbecken geschaffen.
Auch in /LuSchmB 2011 -Bergei1/ wird eine konzeptionell ähnliche Speicherlösung angesprochen. Hierbei geht es jedoch um bergwerklich erstellte tiefe Schächte mit einem gesonderten Oberbecken, z.B. in einem Fließgewässer (/LuSchmB 2014 -LangeSaar/, und nicht um Ring-Staumauern in einem See. Die Wände der Speicherschächte nach unserem „Bergei -Patent“ /LuSchmB 2013 -Bergei2/ sind nicht von Wasser, sondern von Erdreich umgeben.
Es mag sein, dass man die Vollkreis-Staumauer in der direkten Konkurrenz zu den oben beschriebenen geschlossenen Unterbecken, die für Seebesucher unsichtbar bleiben und dem Rekultivierungs-Gebot weitestgehend entsprechen, wg. der eingegangenen rechtlichen Verpflichtungen nicht mehr durchsetzen kann. Aber in weniger dicht besiedelten Regionen der Welt stellen sie vielleicht eine interessante Alternative dar.
Da in einem tiefen Loch die auf dem gewachsenen Boden aufliegende Fläche wg. des begrenzten Neigungswinkel der Böschungen sehr viel kleiner ist als die spätere Oberfläche des Restsee, wird der Hub des Außensees begrenzt bleiben. Das Unterbecken kann hingegen vollständig entleert werden. Beim energetischen Entladendes PSKW, also beim Füllen des Unterbecken über die Turbinen, kann man hingegen eine Pegeldifferenz von z.B. 50 oder 100 m in der Regel übriglassen, um den Pegelhub im Außen-See zu begrenzen.
5.2 Unterbecken ohne Wasserdruck von unten
Vorbemerkung zur Kompensation des Auftriebes bei geschlossenen Unterbecken:

Bei den „unsichtbaren“ Unterwasser-PSKW wie sie in den vorhergehenden Kapiteln behandelt wurden, ergab sich das Problem, dass bei den relativ geringen Teufen von ca. 400 m eine Forderung nach Kompensation des Auftriebes den Masseneinsatz von Beton bzw. Ballast beherrscht. Dies stört insbesondere bei den Unterbecken mit Speicherkugeln, die baustatisch eigentlich eine „relativ dünnwandige“ Bauweise zulassen würden.
Eine physikalische Analyse des Auftriebs zeigt, dass ohne einen Zugang des Wassers von unten (auch evtl. durch dynamischen Druck des Grundwassers) auf die Unterseite eines Körpers kein Auftrieb entstehen kann.

Das entspricht auch der Alltagserfahrung, nach der zwei Körper, die über zwei ebene und glatte Flächen aufeinanderliegen, gleichsam „zusammengeklebt“ erscheinen. Erst wenn es gelingt, einen kleinen Spalt zwischen den Berührungsflächen heraus zu hebeln und damit dem Umgebungsfluid Zutritt zu der Unterseite des aufliegenden Körpers zu verschaffen, lassen sich diese Körper leicht und problemlos voneinander trennen.
In einem durch eine große Ring-Bogenstaumauer gebildetem Unterbecken mit einer breiten Randzone nach Bild 31 wird man ebenso wie auf der Talseite eines üblichen Stausees mit breiter Staumauer keinen massiven Wasserfluss aus dem Oberbecken über die Unterkante der Staumauer her mehr befürchten. „Artesische Bodenwasser“ kann zwar nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden, aber der lange Weg des Grundwassers durch den verdichteten Seeboden lassen keinen größerer Wasserstrom mehr zu.
Zentrales Unterbecken - ohne Wasserdruck von unten
Diese Vorüberlegung führt uns zu folgendem Ansatz: wir ersetzen einfach die Ringstaumauer 333 in Bild 31 gemäß der Darstellung in Bild 32 durch ein nach oben abgeschlossenes „unsichtbares“ Unterbecken von einem der Typen, die wir in den vorigen Kapiteln behandelt haben. Dieses so entstandene zentrale Unterbecken 202, also der innere Teil des gesamten PSKW, kann in „massiver Leichtbauweise“ in dem Sinne, dass es nur nach den bereits hohen baustatischen Anforderungen aber ohne zusätzliche Auftriebskompensation ausgelegt ist, errichtet werden.
„Massive Leichtbauweise“ heißt mit Bezug auf die senkrechten Hohlköpersegmente (z.B. Röhren, Bienenwaben ähnliche Strukturen, Schächte etc.): Diese werden möglichst dünnwandig erstellt (um z.B. Beton einzusparen) und bei Bedarf durch z.B. horizontale Verstrebungen so abgestützt, dass sie einem hohen Druck (von außen oder innen) widerstehen können. Diese Verstrebungen können Fertigteile sein. Die ganze Bauweise ist so zu optimieren, dass man ein möglichst großes Speichervolumen erhält, dass der Materialaufwand minimalisiert wird und dass eine ausreichende Stabilität erreicht wird.
Das zentrale Unterbecken 202 ruht nicht auf einem durchgehend absolut wasserundurchlässigen Fundament, sondern z.B. auf einem Streifenfundament 60, das noch Zwischenbereiche übriglässt, unter denen sich kein Staudruck des Grundwassers aufbauen kann. Den festen wasserundurchlässigen Teil dieses Streifenfundamentes 60 wird man insbesondere auch unter und an den Boden -berührenden Teilen der Freien Zugangsschächte 44 (, die an der tiefsten Stelle ihre Pumpturbineneinheit 77 beherbergen,) anbringen, da diese noch den einzigen Zugang zum Obersee darstellen. Unter den Speicherschächten 43 kann man hingegen eine kontrollierte „Drainage“ zur Druckentlastung des gespannten Grundwassers zulassen; etwaiges Sickerwasser wird dann mit dem Speicherwasser wieder entfernt.
Dieser gedankliche Übergang von der Talseite einer hohen (Ring-) Staumauer, in der nicht nur theoretisch sondern auch erfahrungsgemäß von unten her keine größeren Wassermassen mehr auftreten, zu dem Boden eines Unterbeckens, das von einer der Staumauer ähnlichen seitlichen Hülle vom Oberbecken abgetrennt ist, soll eigentlich nur veranschaulichen: man kann Verhältnisse schaffen, in der trotz einer geschlossenen Umgebung aus hoch angestauten Wassermassen kein bedeutender Wasserfluss von unten auftritt. Dadurch wird aber das Entstehen von Auftrieb vereitelt, denn das Wasser des Oberbeckens drückt nur von oben und nicht von unten; der allseitig wirkende seitliche Druck hebt sich hingegen auf.
Wir stellen uns daher die Aufgabe, die Struktur des Unterbeckens so zu gestalten, dass eine durch gespannte Wasserflüsse verursachte Auftriebskraft auf die Unterseite der Fundamentplatte konstruktiv unterbunden wird. Die Lösungsidee besteht in Folgendem:

nur der äußere Bereich muss auftriebskompensiert sein, dadurch kann das gespannte Grundwasser in diesem Bereich keine resultierende, nach oben wirkende Kraft erzeugen;
für den innere Bereich ergibt sich dann ein höchstens nur noch sehr geringer „artesischer Wasserfluss“, denn das Wasser muss eine große Strecke durch den Boden bis zu einer Austrittstelle zurücklegen;
und dieser vielleicht nie völlig auszuschließende Reststrom wird dann durch wasserdurchlässige Stellen im Fundament (z.B. durch die Zwischenräume zwischen den Streifen eines Streifenfundaments) drainiert und gelangt in die Speicherhohlräume,
und wird von dort dann im normalen Arbeitsbetrieb beim Auspumpen des Speicher nach außen befördert.

Wie in Bild 32 dargestellt besteht das Unterbecken des U.PSKW aus einem ringförmigen äußeren Teil, dem auftriebskompensierten Satelliten U.PSKW 201, und einem inneren Teil 202, der in „massiver Leichtbauweise“ erstellt sein kann, also nur soviel Beton benötigt wie baustatisch erforderlich ist.
Die Breite des äußeren, auftriebskompensierten Teil 201 hängt von den bodenphysikalischen Eigenschaften des Untergrundes ab. Dieser äußere Teil 201 muss keineswegs hoch aufragen, grundsätzlich reicht sogar eine wasserdichte und vollflächig aufliegende massive Bodenplatte 60 aus (siehe weiter unten: Bild 33).
Im Gegensatz zum Randbereich 201 ruht das zentrale Unterbecken 202 nicht auf einem durchgehend absolut wasserundurchlässigen Fundament, sondern z.B. auf einem Streifenfundament 601, das noch Zwischenbereiche übriglässt, unter denen sich kein Staudruck des Grundwassers aufbauen kann und in denen ein Durchsickern von Grundwasser nicht ausgeschlossen wird.
Den festen wasserundurchlässigen Teil dieses Streifenfundamentes 601 wird man insbesondere auch unter und an den Boden -berührenden Teilen der Freien Zugangsschächte 44 (, die an der tiefsten Stelle ihre Pumpturbineneinheit 77 beherbergen,) anbringen, da diese noch den einzigen Zugang zum Obersee darstellen. Unter den Speicherschächten 43 kann man hingegen eine kontrollierte „Drainage“ zur Druckentlastung des gespannten Grundwassers zulassen; etwaiges Sickerwasser wird dann mit dem Speicherwasser wieder entfernt.
In Bild 33 wird, sozusagen als Grenzfall einer Anlage nach Bild 32, ein Unterwasser-PSKW in „massiver Leichtbauweise“ angegeben, bei dem das in Bild 32 dargestellte auftriebskompensierte Satelliten U.PSKW 201 zu einer einfachen, massiven und fest aufliegenden Bodenplatte 60 entartet ist. Auch diese Konstruktion erfüllt bereits die Anforderung nach einer Einschränkung des Grundwasserzuflusses zu dem auf einem „Streifenfundament“ stehenden zentralen U.PSKW 202.
Die spezifischen Leistungskosten (in €/kW) für die Pumpturbinen hängen nur wenig vom Pegelhub ab. Die „massive Leichtbauweise“ erlaubt es, die oberen Stockwerke des zentralen Unterbecken 202 dünnwandiger und damit pro m³ Speichervolumen kostengünstiger auszuführen. Daher kann man nun insgesamt das zentrale Unterbecken ziemlich weit in die Höhe bauen; denn auch Wasserkraftwerke von 100 m und weniger Pegelhub können durchaus wirtschaftlich betrieben werden. Diese durchgreifende Verbilligung des Baukörpers bei geringeren Teufen ermöglicht es auch, Tagebaue mit geringerer Teufe als Standorte für Unterwasser-PSKW heranzuziehen.
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 102019118726 [0002, 0007]
DE 102019118725 [0002, 0007, 0009, 0010, 0011]
EP 27000594 [0075, 0076]
DE 102009005360 B4 [0131]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Unterbeckens für ein Unterwasser-PSKW (U.PSKW), dessen Speicherkörper zumindest teilweise aus kugelartigen Speicherhohlkörpern 3 besteht dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragung zwischen zwei senkrecht übereinanderstehenden kugelartigen Speicherhohlkörpern 3 zum überwiegenden Teil durch eine direkte symmetrisch zu ihrer senkrechten Verbindungsachse verlaufende mechanische Verbindung verläuft, und große Teile des dabei noch freibleibenden Raumes zwischen den Speicherkugeln als Zugangsraum zwischen den Pumpturbinen des Unterbeckens und dem freien Wasser des Oberbeckens und/oder als Raum für die Einbettung weiterer vornehmlich zylindrischer oder prismatischer Speicherhohlkörper und/oder als Raum für Ballastmaterial zur Reduzierung des Auftriebes genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die kugelartigen Speicherhohlkörper in hexagonal dichtester Packung angeordnet sind und die in jeweils übernächster Ebene senkrecht übereinanderstehenden kugelartigen Speicherhohlkörpern durch einen direkten Verbindungskörper kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die kugelartigen Speicherhohlkörpern in einfach kubischer Symmetrie angeordnet sind und einige der durchgehenden senkrechten Freiräume durch Hohlprismen mit vornehmlich quadratischem Querschnitt zusätzlich als Speicherschächte (43) genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die kugelartigen Speicherhohlkörpern in einfach kubischer Symmetrie angeordnet sind und die durchgehenden waagerechten Freiräume durch Hohlprismen mit vornehmlich quadratischem Querschnitt zusätzlich als „Speicherschächte“ (43w) genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass die diagonalen Freiräume durch Hohlprismen mit vornehmlich quadratischem Querschnitt zusätzlich als „diagonale Speicherschächte“ (43d) genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass einige der durchgehenden senkrechten Freiräume durch Hohlprismen mit vornehmlich quadratischem Querschnitt als freier Zugangsschacht (44) genutzt wird, der den freien Zugang des Seewassers zu einer am unteren Ende desselben angeordnete Pumpturbineneinheit (77) ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Prismen artigen Speicherkörper (43, 43w; 43d) zusätzlich als Teil der hydraulischen Verbindung zwischen der Pumpturbineneinheit 77 und den kugelartigen Speicherhohlkörpern 3 genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterbecken sowohl Teilbereiche mit senkrechten Speicherschächten (43) und/oder senkrechten Zugangsschächten (44) als auch Bereiche mit waagerechten Speicherschächten (43w) nach Anspruch 4 enthält.
Verfahren zur baulichen Herstellung des Unterbeckens eines Unterwasser- PSKW nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass • abschnittsweise verlorene oder auch rückgewinnbare Schalungselemente für die später das Speicherwasser begrenzenden Innenseiten der Speicherkörper, oder • vollständige, dünnwandige Begrenzungskörper, die später das Speicherwasser einschließen, oder Teilstücke derselben, oder • vollständige, dünnwandige Begrenzungskörper, die später das Speicherwasser in den Speicherkörpern und in den inneren Verbindungskanälen zwischen denselben und der Pumpturbineneinheit einschließen, errichtet werden, und dann der gesamte Außenraum zwischen diesen Körper mit Beton ausgegossen wird, wobei die äußere Berandung dieser Anordnung durch eine nach außen begrenzende Schalung geschlossen wird.
Verfahren zur baulichen Herstellung des Unterbeckens eines Unterwasser- PSKW nach Anspruch 9 und Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass abschnittsweise Segmente der Schächte (42,43,44) und waagerechte Ringe errichtet werden und dass der gesamte Außenraum dieser Körper dann mit Beton ausgegossen wird, wobei am äußeren Rand die Lücken zwischen den Schächten durch Trennwände 49 geschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Schächte (42,43,44) in größeren Abschnitten oder als Ganzes als Fertigteil produziert und eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Kugel, wobei dieses auch dünnwandig sein kann, oder auch ein Teil derselben, als verlorenes oder wieder zu bergendes Fertigteil vor dem Ausgießen des Außenraumes ausgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Montagekräne für die Errichtung der Kugelschalung in den Rohbauten der senkrechten Schächte (42,43,44) angeordnet werden
Verfahren zur baulichen Herstellung des Unterbeckens eines Unterwasser- PSKW nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkörper aus zylindrischen Rohren bestehen.
Verfahren zur baulichen Herstellung des Unterbeckens eines Unterwasser- PSKW nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkörper aus polygonen insbesondere hexagonalen Prismen bestehen.
Unterwasser- PSKW, dessen Speicherkugeln in hexagonal dichtester Kugelpackung nach /DE_SeeEi1/ angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftschlüssige Übertragung der Massenkräfte weit überwiegend senkrecht durch Säulen (370) zwischen homologen Kugeln (3a) und (3b) in übernächsten Stockwerken erfolgt, die in dem Blindschacht (27) zwischen diesen Kugeln angeordnet sind.
Unterwasser- PSKW, dessen Speicherkugeln in hexagonal dichtester Kugelpackung nach /DE_SeeEi1/ angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zugangsraum (22) durchgehende tragende Pfeiler (93) errichtet werden, die als Bestandteil eines Innenskeletts die Massenlast-Kräfte aufnehmen und senkrecht auf den Seeboden übertragen.
PSKW, errichtet im Gelände eines abgeschlossenen Tagebauloches, dadurch gekennzeichnet, dass eine ringförmig geschlossene Staumauer (Ring- Staumauer) in ihrem Außenraum das Oberbecken und in ihrem Innenraum das Unterbecken bildet.
PSKW, errichtet im Gelände eines abgeschlossenen Tagebauloches, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem gewachsenen Boden der länglichen Abbau Rinne mehrere PSKW mit Ring-Staumauer nach Anspruch 18 errichtet sind.
PSKW mit Ring-Staumauer nach Anspruch 18 oder 19 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Außenbeckens wesentlich größer als diejenige des Innenbecken ist.
PSKW mit Ring-Staumauer nach Anspruch 18 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass es auf der Außenseite von Unterwasser-PSKW als Satelliten umschlossen ist.
PSKW mit Ring-Staumauer nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil der Ring-Staumauer baustatisch ein Teil des angrenzenden Satelliten -PSKW nach Anspruch 21 darstellt.
Unterwasser- Pumpspeicherkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass das Unterbecken besteht aus einem durch Eigengewicht und ggfls. zusätzlichem Ballast Auftriebs-kompensierten äußeren Bereich (201) und aus einem inneren Bereich (202), der nicht notwendigerweise Auftriebs-kompensiert ist.
Nicht notwendigerweise Auftriebs-kompensierter innerer Bereich eines Unterwasser-PSKW nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe auf einem Fundament, welches zum Boden hin nicht in allen Bereichen absolut wasserdicht ausgeführt ist, z.B. einem Streifenfundament (601), aufliegt, wobei ggfls. der Zutritt von Sickerwasser in das Speichervolumen durch geeignete Drainage erleichtert wird.
Unterwasser- Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 23 und Anspruch 24 dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Kragen (201) des U.PSKW aus einer weitgehend wasserdichten massiven Betonplatte (60) besteht.