DE19513817A1 - Pumpspeicherwerk - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Pumpspeicherwerke mit erhöhter Leistung und erhöhter Verfügungszeit sowie ein Verfahren zur Errichtung dieser Pumpspeicherwerke.

Stand der Technik

Elektrische Energie kann nur schlecht direkt gespeichert werden. Im allgemeinen bedarf es zur Speicherung elektrischer Energie eines Energieträgers, der die Energie in Form potentieller oder kinetischer Energie speichert (vgl. H. Schäfer, Elektrische Kraftwerkstechnik, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 1979, S. 11). Gerade bei der Stromerzeugung durch erneuerbare Energien, wie z. B. bei der Stromerzeugung mit Windkraftanlagen, ist jedoch aufgrund des stark schwanken­ den Energieangebotes die Speicherung der erzeugten elektrischen Energie von zentraler Bedeutung.

Neben der Stromspeicherung in Akkumulator- Batterien, die aufgrund der gerin­ gen Kapazität nur für kleine Anlagen eine Rolle spielt, wurden vor allem die Speicherung über Druckluft und insbesondere die Pumpspeicherung diskutiert. Eine Anlage zur Energiespeicherung mittels Druckluft wird beispielsweise in DE-OS 24 44 958 beschrieben. Eine besondere Bedeutung nehmen jedoch die Pumpspei­ cherwerke ein.

Ein Pumpspeicherwerk besteht aus einer Pumpanlage, einem oberen und einem un­ teren Speicherbecken und einem Wasserkraftwerk (vgl. Enzyklopädie Naturwis­ senschaft und Technik, Verlag Moderne Industrie, München, Bd. 5, Str- Z, 1981, S. 5007 ff). Das Prinzip der Pumpspeicherung besteht darin, Wasser aus dem unteren Becken mit überschüssigem Strom in das hoch gelegene Becken zu pum­ pen und in Zeiten hohen Energiebedarfs zur Erzeugung des benötigten Stromes das Wasser durch die Turbinen des Wasserkraftwerkes wieder in das untere Becken fallen zu lassen.

Die Pumpspeicherung ist eine ausgereifte Technik. Der Gesamtwirkungsgrad mo­ derner Pumpspeicherwerke liegt bei Berücksichtigung aller Verluste im Pumpbe­ trieb (Rohrleitung, Pumpe, Synchronmotor, Transformator) und aller Verluste im Generatorbetrieb (Rohrleitung, Turbine, Generator, Transformator) bei 0,7-0,75, d. h. 70-75% der aufgewendeten, elektrischen Energie kann wiedergewonnen wer­ den (vgl. Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik, loc.cit., S. 5009 bzw. H.HappoIdt, D. Oeding, Elektrische Kraftwerke und Netze, Springer, Berlin, Heidel­ berg, New York, 5. Auflage, 1978, S. 73).

Eine wichtige Voraussetzung für die Anlage von Pumpspeicherwerken sind günsti­ ge Geländebedingungen für die Schaffung der beiden Becken. So soll beispielswei­ se gemäß DE-OS 26 03 421 ein Gezeitenkraftwerk mit Speichersee bevorzugt an Steilküsten installiert werden.

Mit DE-OS 36 40 470 wird ein Speicherkraftwerk beschrieben, bei dem brach lieg­ ende Hohlräume (Schächte und Strecken) stillgelegter Bergwerke in Kombination mit einem oberirdisch angelegten Vorratsbecken zur Stromspeicherung, besonders zur Speicherung von Windenergie, eingesetzt werden. In DE-OS 36 40 470 eben­ falls beschrieben wird die Pumpspeicherung mit unterirdischen Salzstöcken als unteren Speicherbecken.

Eine Pumpspeicherung mit unterirdischen Speicherräumen wird auch in dem Höchstdruck- Wasserkraftwerk in DE-OS 38 41 344 beschrieben. In diesem Fall werden die Speicherräume unterirdisch im Hochgebirge angelegt.

Wenn auch das Problem der Stromspeicherung bei der Einführung alternativer Energieen besonders augenscheinlich zutage tritt, so ist die Speicherung der elek­ trischen Energie auch bei der Stromerzeugung mit konventionellen Kraftwerken ein generelles Problem, da ganz allgemein die Nachfrage nach Strom durch die Verbraucher tages-, wochen- und jahreszeitlich starken Schwankungen unterlegen ist. Beispielsweise ist der Strombedarf morgens und abends etwa doppelt so hoch wie nachts. Die Nachfrage an elektrischer Energie muß jedoch stets im Augenblick des Bedarfs gedeckt werden. Ein augenblicklicher Mehrverbrauch bedingt eine au­ genblickliche Mehrerzeugung.

Die zeitliche Schwankung des Bedarfs an elektrischer Energie ist beispielsweise in Abb. 61 Tagesbelastungskurve (R. Flosdorff/G. Hilgarth, Elektrische Energiever­ teilung, B.G. Teubner, Stuttgart 1986, S. 290) oder in Abb. 11 Einsatz von Pump­ speicherwerken, Strombedarf und Stromerzeugung an einem Wintertag (Enzyklo­ pädie Naturwissenschaft und Technik, loc.cit., S. 5009) dargestellt.

Wie allgemein üblich, wird die Belastungskurve dabei in drei Lastbereiche unter­ teilt: die Grundlast, die Mittellast und die Spitzenlast.

Unter Grundlast versteht man dabei diejenige Leistung, die während des ganzen Jahres erbracht wird. Diese Leistung wird von Kraftwerken mit niedrigen Be­ triebskosten wie Braunkohlekraftwerken, Laufwasserkraftwerken und Kernkraft­ werken erbracht.

Als Spitzenlast wird der Leistungsanteil bezeichnet, der nur kurzfristig zur Be­ darfsdeckung herangezogen wird. Theoretisch gesehen stellt die zeitlich stark schwankende Nachfrage nach elektrischer Energie kein Problem dar. So kann man in Schwachlastzeiten überschüssige Energie der Laufwasser-, Kernenergie- und Kohlekraftwerke dazu nutzen, in Pumpspeicherwerken Wasser aus dem Unterbec­ ken in das Oberbecken zu pumpen, um so Energie für Spitzenbedarfszeiten zu speichern.

Andere Spitzenkraftwerke sind z. B. die Wasserkraftwerke der Talsperren, Gas­ turbinen und manche Dampfkraftwerke. Verglichen mit diesen Spitzenkraftwerken tragen Pumpspeicherwerke besonders stark zur Vergleichmäßigung von Tag- und Nachtlast bei, indem sie durch Pumpbetrieb die Nachtlast vergrößern und die Lastspitzen am Tag abdecken.

Pumpspeicherwerke werden in erster Linie zwar als Spitzenkraftwerke eingesetzt, darüber hinaus zeigen Pumpspeicherwerke eine ganze Reihe von technischen Vor­ teilen. So haben Pumpspeicherwerke sehr schnelle Ein- und Umschaltzeiten (z. B. 1 Minute). Dies ermöglicht, die Einsatzleistung eines Pumpspeicherwerkes als Summe der Turbinen- und Pumpenleistung zu betrachten. Damit stellen Pumpspei­ cherwerke eine sehr schnell einsetzbare Leistungsreserve dar, z. B. beim Ausfall von Grundlastkraftwerken.

Darüber hinaus ermöglichen Pumpspeicherwerke die Frequenzregelung im Rahmen des Verbundbetriebes und den Phasenausgleichsbetrieb. Schließlich haben Pump­ speicher geringe Wartungskosten, eine hohe Abschreibungsdauer und verglichen mit anderen Kraftwerken, z. B. Kernkraftwerken, geringere Anlagekosten (vgl. R. Flosdorff/G. Hilgarth, Elektrische Energieverteilung, loc.cit., S. 301).

Aufgabenstellung

Diesen positiven Wirkungen der Pumpspeicherwerke steht jedoch die geringe Anzahl günstiger Standorte entgegen. Vom Prinzip her sind die Anforderungen an ein Pumpspeicherwerk bestens bekannt. So sollen Pumpspeicherwerke zur Ver­ meidung unnötiger Übertragungsverluste möglichst in der Nähe der Verbraucher liegen.

Aus diesem Grunde sind in Gegenden, die keine entsprechenden, natürlichen Ge­ gebenheiten aufweisen, auch künstliche Speicherbecken angelegt worden. Als Bei­ spiel wird auf das kleine Speicherbecken des Pumpspeicherwerks Geesthacht an der Elbe hingewiesen. Gemäß R. Flosdorff, G. Hilgarth, Elektrische Energievertei­ lung, loc.cit., S. 280, gibt es in der Bundesrepublik Deutschland Standorte für künftige Pumpspeicherwerke mit einer Gesamtleistung von 15 GW bis 30 GW mit Speicherinhalten für 20 bzw. 10 Vollaststunden.

Diese mögliche Leistungsreserve in Form von Pumpspeicherwerken (30.000 MW) erscheint auf den ersten Blick in Relation zur gesamten in Deutschland installier­ ten Kraftwerksleistung (Engpaßleistung der deutschen Kraftwerke 1991 insgesamt: 124.653 MW) recht hoch. Berücksichtigt man jedoch, daß diese Leistung der Pumpspeicherwerke nur 10 Stunden zur Verfügung steht, so sieht man, daß an diesen möglichen Pumpspeicherstandorten nur 300 Millionen kWh Strom gespei­ chert sind. Setzt man diese Zahl in Beziehung zur gesamten in einem Jahr in der Bundesrepublik Deutschland erzeugten Strommenge (z. B. Stromerzeugung im Jahre 1990: 536 Milliarden kWh), so erkennt man, daß nur 0,056% der Jahresstromer­ zeugung an diesen möglichen Speicherstandorten speicherbar sind.

Diese Überlegungen gelten jedoch nur unter Einbeziehung aller möglichen (d. h. auch der bislang nur geplanten) Speicherstandorte. Die installierte Wirklichkeit, d. h. die vorhandenen Pumpspeicherwerke, haben eine nochmals deutlich geringere Leistung. So wird gemäß Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik, loc.cit., S. 5009, die weltweit bis 1980 installierte Turbinen- und Pumpenleistung zusammen mit etwa 110 GW angegeben, für die zu diesem Zeitpunkt in der Bundesrepublik Deutschland betriebenen Pumpspeicherwerke wird eine Turbinenleistung von insge­ samt 2.650 MW genannt. Unter Annahme der oben genannten Verfügungszeiten, von beispielsweise 20 Stunden, errechnet sich damit eine gespeicherte Energie von 53 Millionen kWh. In Bezug auf die oben für 1990 genannte Jahresstromer­ zeugung von 536 Milliarden kWh sind dies nur 0,01%, oder anders ausgedrückt (bei 8760 Stunden pro Jahr) bedeutet dies, daß alle diese Pumpspeicherwerke zusammen allenfalls in der Lage sind, die Bundesrepublik Deutschland 1 Stunde allein mit Strom zu versorgen. Wie aus diesen einfachen Abschätzungen gesehen werden kann, findet eine längerfristige Energiespeicherung in Form von Pumpspei­ cherwerken nicht statt, dies obwohl die Werktagsbelastungskurven eine Tendenz zur Wochenspeicherung hin erforderlich machen (vgl. Enzyklopädie Naturwissen­ schaft und Technik, loc.cit., S. 5009).

Pumpspeicherwerke werden heute in erster Linie zur schnellen Regulierung des Stromnachfrage-/Stromerzeugungsgleichgewichtes genutzt. Eine Energiespeiche­ rung in einem Umfang, der diese Bezeichnung rechtfertigt, findet nicht statt. Dies ist beispielsweise aus Abb. 11. "Einsatz von Pumpspeicherwerken, Strombedarf und Stromerzeugung an einem Wintertag", Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik, loc.cit., S. 5009, zu erkennen. In dieser Abbildung sieht man, daß sogar tagsüber, in einer Phase hohen Strombedarfs, die Pumpspeicher zu einem beachtlichen Anteil, so z. B. von 12-14 Uhr, im Pumpbetrieb eingesetzt sind. Die Pumpspeicherwerke dienen also vor allem zur Regulierung und nicht zur Speiche­ rung.

Dieser Befund steht in Übereinstimmung mit den Lehrbuch von T. Bohn, Band 4, Handbuchreihe Energie, Elektrische Energietechnik, Verlag TÜV Rheinland, Köln 1987, S. 621. Danach benötigen Pumpspeicherwerke geographische Voraussetzun­ gen, die in Mitteleuropa praktisch nur in den Alpen wirtschaftlich vertretbar sind. Eine wesentliche Voraussetzung für den Bau von Pumpspeicherwerken sind gün­ stige Geländebedingungen für die Anlage der Speicherbecken, dabei sollte die Fall­ höhe im Bereich 100 bis über 1000m liegen (vgl. Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik, loc.cit., S. 5008). Derartige Gegebenheiten werden in aller Regel mit dem Hochgebirge oder den Mittelgebirgen korreliert.

Beispiele für solche Pumpspeicherwerke sind Markersbach im Erzgebirge mit einer Turbinenleistung von 1050 MW bei einer Fallhöhe von 310m oder Wehr/ Hornberg im Schwarzwald mit einer Turbinenleistung von 960 MW und einer Fallhöhe von 660 m. Sieht man einmal davon ab, daß diese Gebirgsstandorte im allgemeinen weit entfernt von den Verbraucherschwerpunkten liegen, so ergibt sich doch so­ fort, daß Pumpspeicherwerke mit ausreichend großen Wassermassen bei ausrei­ chend großen Fallhöhen, wie sie für eine effektive Energiespeicherung erforderlich wären, gerade im Hochgebirge oder in den Mittelgebirgen nicht ohne massiven Eingriff in die Natur realisiert werden könnten. Es ist damit verständlich, daß die Elektrizitätswirtschaft in Ermangelung geeigneter Pumpspeichermöglichkeiten nach anderen Möglichkeiten gesucht hat, die Differenz zwischen Stromerzeugung einer­ seits und Stromnachfrage andererseits zu beherrschen.

Da eine Speicherung im großen Stil offensichtlich nicht realisiert werden konnte, wurde diese Aufgabe in erster Linie über eine Steuerung der Stromnachfrage be­ wältigt. Hier muß in erster Linie die Nachtspeicherheizung genannt werden. Be­ kanntermaßen beruht das Prinzip der Nachtspeicherheizung darauf, daß die Elek­ trizitätserzeuger nachts überschüssigen, d. h. von keinem Verbraucher wirklich nachgefragten, Strom, wie er beispielsweise in Laufwasserkraftwerken, Braunkoh­ lekraftwerken oder Kernkraftwerken anfällt, sehr preisgünstig (in der Regel zu weniger als 50% des Normaltarifs) abgeben. Auf diese Weise wurde das Pro­ blem der zeitlich schwankenden Nachfrage durch Anreize zum zusätzlichen Stromverbrauch in nachfrageschwachen Zeiten und nicht durch Speicherung des in nachfrageschwachen Zeiten anfallenden Stroms gelöst.

In diesem Zusammenhang muß noch einmal darauf hingewiesen werden, daß mo­ derne Pumpspeicherwerke mit einer Gesamtausbeute von 0,75 arbeiten, d. h. 75% des zum Hochpumpen des Wassers aufgewendeten Stromes, kann beim Herabfal­ len über die Turbinen wiedergewonnen werden. Bei ausreichender Speicherkapazi­ tät sollte eine Energiespeicherung in Pumpspeicherwerken also deutlich günstiger sein als eine Abgabe des Stroms zum halben Preis.

Der bedeutendste Einwand gegen einen derartigen Einsatz von überschüssigem Nachtstrom für Heizzwecke kommt jedoch von ökologischen Überlegungen. Gerade unter dem Aspekt der Verringerung der Emission von Kohlendioxid ist der Ein­ satz von Strom für Heizzwecke nicht mehr zu vertreten. So arbeitet ein moder­ nes Braunkohlekraftwerk mit einem Wirkungsgrad von 0,4, wohingegen eine mo­ derne Heizungsanlage einen Wirkungsgrad von < 0,9 aufweist, so daß bei einer Heizung mit Nachtspeicheröfen mehr als doppelt so viel Kohlendioxid ausgestoßen wird, wie bei einer konventionellen Heizung. Diese Überlegung gilt natürlich nur, wenn der Strom durch Wärmekraftwerke erzeugt wird.

Will man jedoch weg von einer Stromregulierung durch Steuerung der Nachfrage, so stellt sich zwangsweise die Frage nach einer effektiven Stromspeicherung im großen Umfang, und zwar nach dem heutigen Stand der Technik nach einer Ener­ giespeicherung in Form von Pumpspeicherwerken, denn diese Form der Speiche­ rung ist im Augenblick die einzige Möglichkeit, Strom in großem Umfang mit schneller Zugriffsmöglichkeit zu speichern (vgl. Handbuch Energie Band 4, Elektri­ sche Energietechnik, loc.cit., S. 623, Tabelle 4.25).

Damit stellt sich die Frage, wie man in der Nähe der Verbraucherschwerpunkte, d. h. in der Nähe von Ballungszentren, sehr große Wassermassen in entsprechend großen Speicherbecken gefahrlos speichern kann, wobei diese Speicherbecken eine möglichst große Höhendifferenz aufweisen sollten. Will man beispielsweise nur 1% der deutschen Jahresstromerzeugung in Form eines 100m hoch gelegenen Beckens speichern, so bedeutet dies die Speicherung von etwa 6 Milliarden m³ Wasser und 2 entsprechend große Speicherbecken. Auf der anderen Seite läßt sich eben­ falls leicht ausrechnen, daß die Bereitstellung von nur 10% der deutschen Eng­ paßleistung von 124.653 MW, d. h. die Bereitstellung von 12.465 MW in einem sol­ chen Kraftwerk mit einer Fallhöhe von 100m gleichbedeutend ist mit einem Was­ serfluß von ca. 15.000 m³/s, dies entspricht in etwa der Wasserführung des Rheins bei extremem Hochwasser.

Wie ausgeführt, wird die Grundlast der Stromerzeugung zumindest in Deutsch­ land im wesentlichen durch Kernenergie, Steinkohle und Braunkohle erbracht. Da­ bei wurden für die Braunkohleförderung ganze Landstriche großflächig im Tagebau genutzt. So hat beispielsweise allein der Lausitzer Braunkohletagebau zwischen Cottbus, Senftenberg und Zittau in seiner mehr als hundertjährigen Geschichte ei­ ne Fläche von 74.744 Hektar in Anspruch genommen, dies entspricht in etwa der Fläche des Stadtstaates Hamburg. Von dieser Fläche war im September 1994 et­ wa die Hälfte rekultiviert. Die noch verbliebenen 36.500 Hektar müssen in den nächsten Jahren unter großem finanziellen Aufwand rekultiviert werden (siehe hier­ zu Sächsische Zeitung, Dresden, Ausgabe 17./18. September 1994, S. 1).

Betrachtet man die deutschen Braunkohlelagerstätten insgesamt, so hat man es mit einer Fläche zu tun, die größer ist als beispielsweise das Saarland. Neben dem Lausitzer Revier sind hier vor allem das Mitteldeutsche und das Rheinische Revier zu nennen.

All diese durch den Braunkohlenbergbau genutzten, "verstromten" Gebiete müssen aufwendig rekultiviert werden. Bei der Rekultivierung werden ganze Landschaften neu gestaltet. Anerkennung hat die Rekultivierung des Braunkohletagebaus im Brühler Raum erfahren, bei der weiträumige Waldflächen und rund 30 Seen und Teiche entstanden sind (siehe Arno Kleinebeckel, Unternehmen Braunkohle, Ge­ schichte eines Rohstoffes, eines Reviers, einer Industrie im Rheinland, Greven Verlag Köln GmbH, Herausgeber Rheinische Braunkohlewerke AG, Köln, 1986, S. 279).

Lösung

Es wurde nun gefunden, daß sich die Aufgabe der Speicherung überschüssiger Energie eines elektrischen Versorgungsnetzes lösen läßt, wenn man diese Aufga­ be der Energiespeicherung mit der Aufgabe der Rekultivierung und Sanierung von Braunkohletagebaustrecken verknüpft.

So wurde gefunden, daß die gestiegenen Anforderungen an eine Speicherung elektrischer Energie in hervorragender Weise erfüllt werden durch ein Pumpspei­ cherwerk, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das untere Speicherbecken in ei­ ner bestehenden oder ausgeräumten Braunkohlelagerstätte angeordnet ist, wobei im allgemeinen weiter gilt, daß dieses untere Speicherbecken gänzlich unterhalb des Umgebungsniveaus angeordnet ist.

Ein besonderes Kennzeichen dieser neuartigen Pumpspeicherwerke ist ferner, daß das untere Speicherbecken keinen Abfluß besitzt und in der Regel die gesamten im Pumpspeicherwerk befindlichen Wassermassen aufnehmen kann.

Diese Einschränkung, daß das untere Speicherbecken keinen (natürlichen) Abfluß aufweisen soll, bedingt zwar - wie unten näher ausgeführt - erhebliche technische Beschränkungen, z. B. in der Auswahl der Turbinen, ist aber unter Sicherheits­ aspekten von zentraler Bedeutung. So geht von einer Wassermasse, die sich in einem großen Becken unterhalb des Umgebungsniveaus befindet, keine Gefahr aus, auch dann nicht, wenn irgendeine Mauer oder ein Damm bricht. Damit können die erfindungsgemäßen Pumpspeicher - wie unten näher ausgeführt - auch in allernäch­ ster Nähe zu großen Ballungszentren, d. h. zu großen Verbraucherzentren, instal­ liert werden.

Die erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerke in Braunkohlelagerstätten sind im all­ gemeinen auch dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserniveau im Unterbecken je nach Füllgrad des Oberbeckens um wenigstens 15m, bevorzugt um wenigstens 40m schwankt. Dies bedingt zwar - wie unten ausgeführt - bestimmte technische Einschränkungen, ist aber für die erfindungsgemäßen Pumpspeicher mit großer Kapazität in der Regel zwingend.

Die Höhendifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Becken richtet sich nach den Möglichkeiten der entsprechenden Braunkohletagebaustrecke. Die Höhen­ differenz sollte im allgemeinen jedoch wenigstens 40m betragen, bevorzugt ist ei­ ne mittlere Höhendifferenz von < 90m. Besondere technische Vorteile ergeben sich, wenn die Höhendifferenz 150m oder gar 250m übersteigt.

Die Anordnungen der Becken zueinander erfolgt im allgemeinen entsprechend den geographischen Möglichkeiten. So kann es durchaus vorteilhaft sein, z. B. 1 großes Unterbecken durch 2 mehr als 5 km entfernte obere Becken zu versorgen. In diesem Fall empfiehlt sich die Installation einer Ausgleichsanlage (Wasserschloß) (vgl. Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik, loc.cit., S. 5003, Abb. 2). Liegen Oberbecken und Unterbecken relativ nahe beieinander, z. B. in einem Ab­ stand < 1km, so genügt u. U. ein einfacher Druckstollen (vgl. Enzyklopädie Natur­ wissenschaft und Technik, loc.cit., S. 5009, Abb. 9).

Besonders bevorzugt sind solche Pumpspeicherwerke, bei denen das untere und das obere Speicherbecken innerhalb einer Braunkohlenlagerstätte angeordnet sind. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn sowohl das untere wie auch das obere Speicherbecken innerhalb einer zumindest teilweise ausgebeuteten Braunkohlelager­ stätte, d. h. innerhalb eines bestehenden oder eines geschlossenen Braunkohletage­ baus angeordnet sind.

Im Unterschied zu herkömmlichen Pumpspeicherwerken sind auch solche Becken­ anordnungen von Interesse, bei denen der minimale Füllstand des Oberbeckens mit dem maximalen Füllstand des Unterbeckens fast überlappt. Es sind also auch sol­ che Beckenanordnungen bevorzugt, die bei einem nahezu leer gelaufenen Ober­ becken nur noch einen sehr geringen Höhenunterschied zum entsprechend fast vollen Unterbecken aufweisen.

Kennzeichnend für die erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerke ist damit auch, daß sich je nach Füllstand des Ober- und des Unterbeckens eine erhebliche Schwan­ kung der Höhendifferenz zwischen dem Wasserstand des Oberbeckens und des Unterbeckens einstellt. So kann es durchaus zutreffen, daß sich für ein Pump­ speicherwerk bei vollem Oberbecken und leerem Unterbecken eine Höhendifferenz von z. B. 400m ergibt, während dieselbe Beckenanlage bei fast leer gelaufenem Oberbecken und nahezu vollem Unterbecken eine Höhendifferenz von z. B. 20m aufweist. D.h. es wird besonders großer Wert auf eine optimale Ausnutzung der Speichermöglichkeit der Becken gelegt. Die damit verbundenen Probleme bei der Auslegung der Pumpen und Turbinen sind dem unterzuordnen.

Prinzipiell lassen sich diese Pumpspeicherwerke in ganz unterschiedlicher Größe erbauen. So kann man in einem Pumpspeicherwerk mit einem unteren und oberen Becken von je 10 Millionen m³ bei einer mittleren Höhendifferenz von 100m Energie entsprechend 2,3 Millionen kWh speichern (zur Berechnung siehe Bei­ spiele). Die erfindungsgemäße Anordnung wenigstens des unteren Beckens in ei­ nem Braunkohletagebau unter Umgebungsniveau gestattet jedoch den gefahrlosen Bau von Pumpspeicherwerken mit deutlich größerer Kapazität. So wird man erfin­ dungsgemäß bevorzugt solche Pumpspeicherwerke errichten, bei denen das untere Becken wenigstens 50 Millionen m, oder bevorzugt wenigstens 100 Millionen m³ faßt. Besonders bevorzugt sind Pumpspeicherwerke mit Speicherbecken, die ein Fassungsvermögen von mehr als 200 Millionen m³ aufweisen. Besonders große Vorteile der erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerke ergeben sich, wenn die Spei­ cherbecken mehr als 500 Millionen m³ oder gar mehr als 1 Milliarde m³ fassen.

Ganz allgemein können mit den erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerken besonders große Energiemengen gespeichert werden. So sind beispielsweise im Rheinischen Braunkohlerevier problemlos Pumpspeicherwerke mit einer Beckengröße von 500 Millionen m³ installierbar. Bei einer Höhendifferenz von z. B. 400m, wie sie sich im Rheinischen Braunkohlerevier aufgrund der besonders tiefen Lage der Braun­ kohlenflöze ohnehin einfach realisieren läßt, ergibt sich für ein derartiges Pump­ speicherwerk eine Kapazität von fast 450 Millionen kWh. Damit kann ein einziges derartiges erfindungsgemäßes Pumpspeicherwerk fast zehnmal so viel Energie speichern wie alle z. Z. in Deutschland installierten Pumpspeicherwerke zusam­ men. In der Regel wird man derartige Großspeicher als Wochen-, Monats- oder Jahresspeicher einsetzen.

Erfindungsgemäß sind demzufolge insbesondere solche Pumpspeicherwerke, die ei­ ne Speicherkapazität von mehr als 20 Millionen kWh oder bevorzugt mehr als 50 Millionen kWh aufweisen. Besonders bevorzugt sind jedoch Pumpspeicherwerke, die eine Kapazität von mehr als 200 Millionen kWh oder - wie oben dargestellt - eine Kapazität von 400 Millionen kWh und mehr haben.

Im allgemeinen werden die Pumpspeicherwerke so ausgelegt (Verhältnis der instal­ lierten Leistung zur gespeicherten Wassermenge), daß diese Leistung wenigstens 4 Stunden zur Verfügung steht. Bevorzugt sind jedoch Pumpspeicherwerke, die eine Verfügungszeit von mindestens 50h oder bevorzugt mindestens 100h aufwei­ sen. Wie oben ausgeführt, ist ein besonderer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerke ihre Eignung als Langzeitspeicher, so daß Verfügungszeiten von mehr als 300h besonders bevorzugt sind. Ganz besondere Vorteile ergeben sich, wenn die erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerke eine Verfügungszeit von mehr als 700h aufweisen.

Die Auslegung der Pumpen- und Turbinenleistung erfolgt entsprechend der gefor­ derten Anwendungsart des Pumpspeicherwerkes. Geht man beispielsweise davon aus, daß in dem oben dargestellten Pumpspeicherwerk mit 500 Millionen m³ Bec­ kenvolumen und einer Höhendifferenz von 400m Energie für 100 Stunden bereit gehalten werden soll, so ergibt sich für dieses Pumpspeicherwerk eine Leistung von 4444 MW, d. h. ein derartiges Pumpspeicherwerk stellt für die Dauer von 100h in etwa die Leistung von 4 Kernkraftwerken zur Verfügung.

Andererseits bedeutet dies einen Wasserstrom von 5 Millionen m³/h oder ent­ sprechend 1389 m³/s. Dies sind Wassermassen, wie sie in vielen großen Was­ serkraftwerken der Erde auftreten und beherrscht werden. Bevorzugt werden die­ se Wassermassen auf mehrere Turbinen verteilt.

Die Auslegung solcher großen Wasserkraftanlagen kann als bekannt vorausgesetzt werden. So gilt ganz allgemein, daß die größten Kraftwerksblöcke weltweit ohne­ hin Wasserkraftwerke sind. Beispiele sind hier Guri/Venezuela mit einer Leistung von 5.525 MW, Grand Coulee/USA mit 5.480 MW oder gar Itaipu/Brasilien- Pa­ raguay mit einer Leistung von 12.870 MW , wobei hier ein Ausbau auf 21.500 MW geplant ist.

Als weiteres Beispiel sei auf die Wasserkraftanlage Atatürk am Euphrat hinge­ wiesen. In dieser Anlage wird die Gesamtleistung von 2400 MW durch 8 Einhei­ ten mit je 300 MW Leistung erbracht (vergl. U. Ozis et al., Wasserkraftanlage Atatürk am Euphrat, 7. Internationales Seminar Wasserkraftanlagen, Instandhal­ tung- Schwachstellenanalyse- Diagnostik, TU Wien, 10.-12. November 1992, Ver­ lag Technische Universität Wien, 1992, S. 17).

Andererseits kann die oben diskutierte Beckenanordnung, Speichervolumen: 500 Millionen m³, Höhendifferenz: 400m, bei 500 MW Gesamtleistung als ausgepräg­ ter Langzeitspeicher eingesetzt werden. So liefert dieses Pumpspeicherwerk bei einer Ausrüstung mit 2 Einheiten mit je 300 MW immerhin 740h Strom. Damit kann diese Anlage beispielsweise an 185 Werktagen 4h lang eine Leistung von 500 MW erbringen.

Ebenso ist es möglich, bei entsprechender Turbinen- und Pumpenausstattung die­ ses Pumpspeicherwerk als extrem leistungsstarken Kurzzeitspeicher auszulegen. Ein derartiger Ausbau ist beispielsweise interessant, wenn es darum geht, Spit­ zenstrom in einem überregionalen Verbund zur Verfügung zu stellen. Dies ermög­ licht die wirtschaftliche Nutzung von minderwertigem - weil zeitlich nicht regulier­ barem - Strom aus Laufwasserkraftwerken, Wind-, Solar- oder Blockheizkraft­ werken als Spitzenstrom.

Von besonderer Bedeutung sind demnach spezielle Kraftwerkskombinationen.

So wird in einer bevorzugten Ausführungsform das in einem (ehemaligen) Braun­ kohletagebau angelegte Pumpspeicherwerk in Kombination mit einem Braunkohle­ kraftwerk betrieben. Damit resultiert eine Kraftwerkskombination, die Spitzen­ strom liefert. So dient in dieser Anordnung der nachts bzw. ganz allgemein der in nachfrageschwachen Zeiten vom Braunkohlekraftwerk erzeugte Strom zum Hochpumpen von Wasser im benachbarten Pumpspeicher. Tagsüber, bei erhöhter Stromnachfrage, erbringen Braunkohlekraftwerk und Speicher gemeinsam eine deut­ lich erhöhte Leistung. Damit ist der gewinnbringende Einsatz eines im allgemeinen nur Grundlast fahrenden Braunkohlekraftwerkes als Spitzenkraftwerk möglich. Diese erfindungsgemäße Umwandlung von Grundlast fahrenden Braunkohlekraftwer­ ken in Spitzenkraftwerke ist besonders einfach möglich. So benötigt man für ein reines Spitzenkraftwerk, das beispielsweise tagsüber nur 5h Strom liefern muß, nur - für die Verhältnisse des Braunkohletagebaus - kleine Speicherbecken, wobei durchaus auch nur geringe Fallhöhen erforderlich sind. Zur Vermeidung großer Übertragungsverluste sollte bei dieser Kraftwerkskombination die Entfernung zwi­ schen Pumpspeicherwerk und thermischem Kraftwerk weniger als 50 km betra­ gen.

So kann beispielsweise mit einem in einem Braunkohletagebau angelegten Pump­ speicher mit 2 Becken (Ausmaße: 1000m × 1000m, Tiefe: 50m) bei einer mittle­ ren Höhendifferenz von 70m 6h lang eine Leistung von 1296 MW bereitgestellt werden. In Kombination mit dem Braunkohlekraftwerk, das beispielsweise 600 MW Leistung erbringt, stellt diese Kraftwerkskombination in nachfragestarken Zeiten damit fast 1900 MW zur Verfügung.

In einer derartigen Braunkohle- Speicherkraftwerks- Kombination ist naturgemäß die Pumpenleistung geringer als die Turbinenleistung (Pumpenleistung beispielsweise weniger als die Hälfte der Turbinenleistung), da bei dieser Einsatzkonstellation das Braunkohlekraftwerk relativ lang, z. B. 12 oder 18h Wasser vom unteren in das obere Becken pumpt, während die Nutzung des hoch gepumpten Wassers zum Antrieb der Turbinen z. B. in 6h erfolgt.

Will man dagegen diese Kraftwerkskombination als reinen Tag/Nacht-Speicher nutzen, z. B. Pumpbetrieb von 23h bis 5h, so ist das Verhältnis von Turbinen- zur Pumpenleistung entsprechend invers zu wählen. Mit Vorteil können in solchen Pumpspeichern auch Pumpturbinen zum Einsatz kommen.

Neben dieser Nutzung der Pumpspeicherwerke in Braunkohlelagerstätten zur Um­ wandlung eines Grundlastkraftwerkes in ein Spitzenkraftwerk sind die erfindungs­ gemäßen großen Pumpspeicherwerke besonders gut geeignet, elektrische Energie, die in einer Vielzahl von Kleinkraftwerken wie Windkraftanlagen, Solaranlagen, Blockheizkraftanlagen u. a. unregelmäßig anfällt, zum Hochpumpen von Wasser in das obere Speicherbecken zu nutzen und auf diesem Wege die Energie zu spei­ chern. Besonders in diesem Fall der Ausnutzung vieler kleiner, sehr unregelmäßig Strom liefernder Anlagen ist es durchaus im Sinne der Erfindung, wenn die Pum­ pen zum Hochpumpen des Wassers mit einer anderen Spannung oder Frequenz arbeiten als die Generatoren, die an das Verbundnetz angepaßt sein müssen. Von Interesse ist auch die Einspeisung von Strom industrieller Kraftwerke zum Hochpumpen von Wasser. Dies ermöglicht wie bei den Blockheizkraftwerken die Gewinnung von elektrischer Energie als Nebenprodukt.

Errichtung der Pumpspeicherwerke

Umfang und Ausmaß des Braunkohletagebaues zeigen heute Formen, die es er­ forderlich machen, ganze Landstriche neu zu gestalten. So ist die Sophienhöhe (281m) bei Hambach im Rheinland letztlich nur eine Abraumhalde des Tagebaus Hambach.

Andernorts werden bei der Rekultivierung von Tagebaustrecken ganze Seenland­ schaften neu angelegt. Ganz allgemein werden im Braunkohletagebau selbst bzw. bei der Rekultivierung gewaltige Erdmassen bewegt. So müssen allein im Tagebau Hambach 15,4 Milliarden m³ Abraum bewegt werden. Davon werden 1,7 Milliarden m³ über ein 14km langes Förderband zum Auffüllen des Tagebaus Fortuna transportiert werden. Für die Bewegung dieser Erdmassen stehen allein im Tage­ bau Hambach 5 Schaufelradbagger mit einer Leistung von jeweils 240 000 m³/Tag. Ebenso existieren im Tagebau Hambach bzw. im Tagebau Fortuna Abset­ zer mit einer vergleichbar großen Leistung.

Hat man auf der einen Seite mit der Sophienhöhe einen künstlichen Berg ge­ schaffen, so frißt sich der Tagebau auf der anderen Seite dem Verlauf der Koh­ le folgend in eine Tiefe von 295m unter NN. Um diese bei -295m lagernde Koh­ le zu fördern, muß 400m Deckgebirge abgetragen werden.

Wie an diesem Beispiel gezeigt wird, entstehen bei der Nutzung der Braunkohle­ lagerstätten durchaus Höhendifferenzen von einigen hundert Metern (z. B. im hier diskutierten Tagebau Hambach fast 600m). Erfindungsgemäß wird nun der Abraum so geschichtet, daß auf der einen Seite des Tagebaus ein möglichst großes, möglichst hoch gelegenes Becken errichtet wird und an einer anderen Stelle des Tagebaus ein möglichst tiefes und möglichst großes Speicherbecken belassen wird oder angelegt wird. Dazu werden diese Becken durch eine Wasserkraftanlage mit­ einander verbunden. Im Prinzip ist es zwar möglich, das obere und das untere Becken direkt durch eine große Staumauer voneinander zu trennen, im allgemei­ nen sind die Braunkohlelagerstätten jedoch so weiträumig, daß es bautechnisch einfacher möglich ist, Oberbecken und Unterbecken so weit zu trennen, daß man ohne große Staumauern auskommt. In der Regel ist die Anlage so auszulegen, daß das untere Becken die gesamten Wassermassen faßt und diese Massen sich voll­ ständig unter dem Umgebungsniveau befinden. Dies ist eine zwingende Vorausset­ zung für die Anlage von Großspeichern. Im allgemeinen ist diese Forderung gleichbedeutend mit der Forderung, daß das untere Speicherbecken keinen natürli­ chen Abfluß hat.

Erfindungsgemäß wird die Anlage des oberen und unteren Beckens so durchge­ führt, daß eine Landschaft mit ausgeprägter Höhengliederung entsteht, wobei sich ein Teil dieser Anordnung unter Umgebungsniveau befindet.

Unter Umgebungsniveau ist dabei die Höhenlage über dem Meeresspiegel (NN) zu verstehen, die das Gelände in einem Umkreis von wenigstens 5km um das Pump­ speicherwerk aufweist. In der Regel ist dies auch die Höhe über NN, auf der sich die Flüsse und Ortschaften der Umgebung befinden. Sofern durch die Rekul­ tivierung eine Höhenveränderung vorgenommen worden ist, wird als Bezugsmaß die Höhenlage über NN vor der Ausbeutung der Braunkohlelagerstätte zugrundegelegt. Wie ausgeführt, ist es für die erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerke von beson­ derer Bedeutung, daß wenigstens das untere Speicherbecken unterhalb des Um­ gebungsniveaus angeordnet ist. Als Faustregel gilt, daß der Boden des unteren Speicherbeckens wenigstens 40m, bevorzugt wenigstens 80m unter Umgebungsni­ veau angelegt ist. Im allgemeinen ist der Boden des unteren Beckens höchstens 20m über NN, bevorzugt unter NN und ganz besonders bevorzugt wenigstens 50m unter NN angelegt. Besonders große Speicherkapazitäten ergeben sich, wenn der Boden des unteren Beckens wenigstens 100m unter NN angelegt ist.

Förderlich für diese Anlage von großen Pumpspeichern in ausgebeuteten Braun­ kohletagebaustrecken ist der Umstand, daß durch die Verbrennung derart großer Kohlemassen (Verstromung) ohnehin ein Restloch entsteht. Diese Restlöcher sind zum Teil so groß, daß sie sich auch in Jahrzehnten nicht mit Regenwasser und Grundwasser füllen. Aus diesem Grunde ist beispielsweise im Tagebau Garzweiler II geplant, Wasser aus dem Rhein zum Auffüllen des Restloches heranzuführen. Ein wesentlicher Aspekt bei der Anlage der Becken ist die Isolierung gegen das Grundwasser, z. B. in Form eines Abdichtungsschirms. Hier kann auf die Erfah­ rungen im Staudammbau bzw. bei der Rekultivierung von Braunkohlelagerstätten zurückgegriffen werden. Sofern möglich, wird man zur Abdichtung der Becken nach unten auch natürliche Gegebenheiten ausnutzen, so z. B. vorhandene Ton­ schichten belassen oder diese bei der Anlage der Becken einbringen. Wenn möglich wird man in einem gegebenen Braunkohlenabbaugebiet Gegenden mit besonders tiefliegenden Flözen zur Errichtung des Unterbeckens nutzen. Dies ist besonders interessant, wenn die Braunkohlenflöze sich in Relation zur Oberfläche in sehr unterschiedlicher Tiefe bewegen. Dies ist z. B. der Fall bei Versetzungen oder ganz einfach, wenn das Flöz in die Tiefe absinkt. Im allgemeinen ist in die­ sem Fall die Installation des Oberbeckens direkt mit dem Abraum d. h. dem Deck­ gebirge des tiefer liegenden Flöz es, möglich. Derartige Gegebenheiten liegen z. B. im Tagebau Hambach vor. In diesem Tagebau kann das Absinken des Braunkohle­ flözes von 100m unter NN auf 300m unter NN so zur Installation eines großen Pumpspeicherwerkes genutzt, daß auf der Seite der geringen Deckgebirgsmächtig­ keit ein Oberbecken mit z. B. 500 Millionen m³ in einer Höhe von 50-250m er­ richtet wird, während das etwa gleich große Unterbecken im Bereich des tief liegenden Flözes errichtet wird (z. B. in einer Höhe von 50m unter NN bis 250m unter NN).

Aufgrund der Weiträumigkeit der Braunkohletagebaugebiete lassen sich dabei die Becken so anordnen, daß beispielsweise der Anstieg des Geländes zum Rand des Oberbeckens im Durchschnitt höchstens 20% beträgt. Auch das Gefälle des Ge­ ländes vom Oberbecken zum Unterbecken kann im allgemeinen so gestaltet wer­ den, daß es z. B. 30% oder weniger beträgt.

Aufgrund des hohen Füllstandsunterschieds im Unterbecken wird das Krafthaus im allgemeinen in einer Kaverne in etwa auf dem Niveau des unteren Füllstandes des Unterbeckens installiert. Die Verbindung vom Oberbecken zum Krafthaus kann ent­ weder direkt mit einem Druckstollen oder insbesondere bei großer Entfernung von Oberbecken und Krafthaus über einen Druckstollen mit Ausgleichsanlage (Wasser­ schloß) erfolgen.

Ein solcher Pumpspeicher mit beispielsweise 500 Millionen m³ Wasser und einer Fallhöhe von wenigen hundert Metern gestattet durchaus die Speicherung von Energie in Höhe von einigen Hundert Millionen kWh. Damit ist eine solche Anlage auch als Wochen-, Monats- oder Jahresspeicher von Interesse.

Die Leistung der großen, erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerke hängt naturgemäß von der Verfügungszeit ab. Im allgemeinen haben die erfindungsgemäßen Pumpspei­ cher eine Leistung von < 200 MW (siehe Beispiele 1-4). Bevorzugt sind Pump­ speicherwerke mit einer Leistung von wenigstens 2500 MW. Pumpspeicherwerke, die nur eine Verfügungszeit von z. B. 50h aufweisen, haben bevorzugt eine Lei­ stung von < 4000 MW.

Neben der Anordnung von nur einem Oberbecken und einem Unterbecken, verbun­ den mit einem Krafthaus mit einer bestimmten Anzahl von Pumpen- und Turbi­ nensätzen oder mit der entsprechenden Anzahl an Pumpturbinen, ist es auch möglich, das Pumpspeicherwerk als mehrstufige Anlage zu gestalten. So kann man beispielsweise die Gesamtanlage so gestalten, daß ein Oberbecken, beispielsweise in einer Höhe von 250-100m über NN verbunden ist mit einem ersten Krafthaus an einem Zwischenbecken. Von diesem Zwischenbecken führt ein Druckstollen zum unteren Krafthaus am unteren Speicherbecken, z. B. in einer Höhe von 200m un­ ter NN. In diesem Fall muß nur das untere Krafthaus als Kavernenkrafthaus an­ gelegt werden.

Ebenso läßt sich eine ganze Kette von Becken anlegen, jeweils verbunden über ein Kraftwerk, wie dies z. B. bei einer Flußkraftwerkskette realisiert wird. Bei ei­ ner solchen Kraftwerkskette mit Durchlaufspeicherung ist es durchaus erfin­ dungsgemäß, wenn das oberste oder das unterste Becken allein nicht die gesam­ te Wassermassen aufnehmen können (vergl. hierzu Enzyklopädie Naturwissen­ schaft und Technik, loc.cit. S 5006, Abb. 8).

Allgemein gilt für die Beckenanordnungen jedoch, daß die Auswahl der Turbinen, der Pumpen und der Beckenanordnungen vor allem unter dem Aspekt gesehen werden muß, eine möglichst große Energiemenge und das heißt für diese Pump­ speicherwerke in Braunkohleabbaugebieten in der Regel: eine möglichst große Wassermasse zu speichern. Demgegenüber stehen z. B. geringe Unterschiede im Wirkungsgrad verschiedener Turbinentypen hinten. Es sei in diesem Zusammen­ hang noch einmal die außerordentlich große Kapazität dieser Pumpspeicher herausgestellt.

Neben der oben dargestellten Einrichtung sowohl des oberen als auch des unter­ en Speicherbeckens über einem ausgeräumten Braunkohlenflöz, z. B. innerhalb ei­ nes Braunkohletagebaues, ist es auch möglich, verschiedene, beispielsweise 5- 30km von einer entfernt liegende Braunkohletagebaugebiete miteinander zu verbin­ den. Dabei wird das obere Becken in dem einen (ehemaligen) Abbaugebiet ange­ ordnet, das untere Becken in einem anderen. In diesem Fall ist in der Regel ein Wasserschloß oder ein großes Ausgleichsbecken erforderlich. Auch ist darauf zu achten, daß das obere Speicherbecken keine Überflutungsgefahr für die Umge­ bung darstellt. Von Vorteil ist es in diesem Fall, wenn auch das obere Becken zu wenigstens 50% oder bevorzugt gänzlich unter Umgebungsniveau angelegt ist. Be­ sondere Vorteile ergeben sich durch diese Verknüpfung von 2 verschiedenen Ta­ gebaugebieten, wenn die Lage der Braunkohlenflöze in diesen Abbaugebieten sehr unterschiedlich ist, sich z. B. um 50m, besser 100m oder besonders bevorzugt um mehr als 200m unterscheidet. Mit 2 derart räumlich getrennt angeordneten Speicherbecken lassen sich besonders große Wassermassen handhaben, vor allem dann, wenn beide Becken unter Umgebungsniveau angelegt sind.

Andererseits ist es auch von Interesse, beispielsweise die Braunkohle nur im Be­ reich des unteren Beckens abzubauen und das obere Becken auf gewachsenem Boden anzuordnen ohne die Braunkohle darunter abzubauen. Auch in diesem Fall kann es von Interesse sein, daß das obere und das untere Becken mehr als 3km, bevorzugt mehr als 5 km voneinander getrennt angelegt sind. Eine derarti­ ge Lösung bietet sich z. B. dann an, wenn für einen durchgängigen, unstrukturier­ ten Tagebau ganze Ortschaften umgesiedelt werden müßten.

Eine andere Möglichkeit der Anordnung von Oberbecken und Unterbecken besteht in der Abtrennung von direkt nebeneinander liegenden Becken, z. B. in einem Ab­ stand von weniger als 500m durch einen Wall oder einen Staudamm. Dies ist in der Regel dann einfach realisierbar, wenn der Höhenunterschied zwischen den Becken nicht sehr groß ist. So ist es beispielsweise mit der herkömmlichen Stau­ dammtechnik möglich, ein Oberbecken beispielsweise durch einen z. B. 1 km langen Damm von dem daneben liegenden Unterbecken zu trennen. In diesem Fall können die Kraftanlagen wie bei herkömmlichen Staudämmen angelegt werden. Auf diese Weise läßt sich z. B. ein 2 km × 4 km großes, 50m tiefes Becken von einem 100m tieferen gleichgroßen Unterbecken trennen. Derartige Beckenanordnungen mit einem Höhenunterschied von 40-120m sind in den meisten Braunkohletagebauge­ bieten gut installierbar. Man muß sich dabei vergegenwärtigen, daß in einem ein­ zigen Pumpspeicherwerk mit 2 Becken der Größe 2000m × 4000m × 50m und einer mittleren Fallhöhe des Wassers von nur 70m immerhin 62 Millionen kWh elektrischer Energie gespeichert werden kann. Damit speichert dieser eine, in ei­ nem Braunkohletagebau angelegte Pumpspeicher mehr Energie als alle deutschen Pumpspeicher zusammengenommen.

Neben den oben beschriebenen Beckenanordnungen, bei denen das Oberbecken und das Unterbecken vergleichbare Abmessungen hinsichtlich Länge, Breite und Tiefe aufweisen, sind auch solche Beckenanordnungen anwendbar, bei denen ein hoch gelegenes, tiefes Becken mit einem ausgedehnten, relativ flachen Unterbecken kom­ biniert wird. Ein solcher Pumpspeicher besteht beispielsweise aus einem 100m-200m hoch gelegenen, 1000m breiten, 1000m langen und 100m tie­ fen Oberbecken mit einem Fassungsvolumen von 100 Millionen m³ und einem fla­ chen, beispielsweise nur 10m tiefen Unterbecken mit einer Ausdehnung von bei­ spielsweise 5km × 5km. Bei diesem Pumpspeicherwerk, bei dem das untere, fla­ che Becken z. B. in einer Höhe von 0m über NN gänzlich in einem Braunkohleta­ gebaugebiet liegt, ist das obere Becken neben dem unteren Becken innerhalb oder außerhalb des Braunkohletagebaus angeordnet.

Wie man einfach nachvollziehen kann, schwankt bei dieser Beckenanordnung der Wasserspiegel im unteren Becken je nach Füllgrad des Oberbeckens lediglich um 4m (5000m × 5000m × 4m = 100 Millionen m³). Bei einer derart geringen Schwankung des Wasserniveaus im Unterbecken ist man relativ frei in der Wahl der Turbinen. So können bei dieser Beckenanordnung sogar teilbeaufschlagte Tur­ binen zum Einsatz kommen. Darüber hinaus gestattet diese Beckenanordnung eine über die reine Pumpspeicherung hinausgehende Nutzung des Unterbeckens, z. B. als Freizeitanlage.

Zwar gestattet auch dieser eine Pumpspeicher die Speicherung von etwa 30 Mil­ lionen kWh, d. h. bei einer Ausstattung mit 10 Turbinen je 100 MW = 1000 MW Leistung liefert dieser Speicher immerhin 30h lang Strom. Die in diesem Fall ge­ wählte besonders flache Anordnung des Unterbeckens bedingt jedoch einen erheb­ lichen Flächenbedarf.

Besonders große Speicherkapazitäten ergeben sich jedoch, wie ausgeführt, wenn auch das Unterbecken je nach Füllstand um wenigstens 15m, bevorzugt wenig­ stens 40m, besonders bevorzugt um wenigstens 90m oder ganz besonders be­ vorzugt um wenigstens 130m schwankt. Wie bereits ausgeführt, setzen derartig große Schwankungen des Wasserstandes im Unterbecken im allgemeinen voll be­ aufschlagte Turbinen voraus, die gleichermaßen bei einem Druck auf der Unter­ seite von wenig über 1 bar bis hin zu Drücken von 1,5, 4, 9 oder < 13 bar sicher arbeiten, bei Drücken auf der Oberseite von bis zu 60 bar.

In manchen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, das Oberbecken und das Unter­ becken durch eine Reihe von Druckstollen mit einer Reihe von Turbinen zu ver­ binden, die in unterschiedlicher Höhe des Unterbeckens angeordnet sind. In die­ sem Fall wird man je nach Füllstand die verschiedenen Turbinen abschalten oder zuschalten.

Wie bereits ausgeführt werden die erfindungsgemäßen Pumpspeicher in der Regel mit einer Reihe von Pumpen und Turbinen ausgestattet, wobei die dem Fachmann geläufigen Regeln des Wasserkraftwerkbaus genutzt werden. Im allgemeinen ver­ langt eine gegebene Fallhöhe/Wasserstrom- Kombination einen ganz bestimmten Turbinentyp (siehe hierzu H. Happoldt, Elektrische Kraftwerke und Netze, loc.cit., S. 59). In allgemeinen werden, wie bereits ausgeführt, bei den erfindungsgemäßen Pumpspeichern voll beaufschlagte Turbinen, wie beispielsweise Francis- oder Kaplanturbinen oder Pumpturbinen zum Einsatz kommen.

Üblicherweise ist bei herkömmlichen Pumpspeichern das Unterbecken ein (auf ge­ stauter) Flußlauf, z. B. in Vianden (Luxemburg) die Our oder am Edersee die Edertalsperre oder bei dem kleinen Pumpspeicherkraftwerk Geesthacht die Elbe. In diesen Fällen resultiert im Unterbecken in der Regel nur eine geringer Niveau­ unterschied mit der entsprechenden freien Wahl der Turbinen. Demgegenüber un­ terliegt bei den erfindungsgemäßen großen Pumpspeichern das Unterbecken erheb­ lichen Schwankungen des Wasserpegels als Funktion des Füllgrades des Oberbec­ kens mit den entsprechenden technischen Anforderungen (siehe oben).

In einer speziellen Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Pumpspeicherwerk nun so aufgebaut, daß ein relativ großes, beispielsweise 2000m × 2000m großes und 200m tiefes, in einem Braunkohletagebau angelegtes Unterbecken mit einem relativ kleinen Oberbecken kombiniert wird, wobei das Oberbecken von ei­ nem Fluß durchströmt wird oder ein Seitenarm eines Flusses darstellt. Gegebenen­ falls ist das kleine Oberbecken auch durch einen einige km langen Kanal mit ei­ nem Fluß verbunden. Im Unterschied zu den Pumpspeichern mit 2 gleich großen Becken, die je nach Turbinenbestückung als sehr leistungsstarker Kurzzeitspei­ cher oder als etwas weniger leistungsfähiger Langzeitspeicher ausgelegt werden können, wird man diese Pumpspeicherkombination aus oben fließenden Fluß und damit verbundenen, tiefen Becken unterhalb Umgebungsniveau im allgemeinen als ausgeprägten Langzeitspeicher auslegen, da nur diese Nutzung ohne großen Ein­ griff in den Wasserhaushalt des Flusses möglich ist. Andererseits ergibt sich bei dieser Form des Pumpspeichers ein gewisser Zusatznutzen des Pumpspeichers als Hochwasserschutz.

Diese spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerkes mit einem unteren Speicherbecken in einem Braunkohletagebau macht sehr gut deut­ lich, daß dieses neuartige Pumpspeicherwerk in gewisser Weise eine Inversion ei­ nes herkömmlichen Pumpspeicherwerkes ist.

So hat bei vielen herkömmlichen Pumpspeicherwerken das obere Speicherbecken keinen natürlichen Zulauf, das untere Becken besitzt einen Ablauf, wenn es nicht - wie dargestellt - direkt mit einem Fluß verbunden ist. Demgegenüber hat bei diesem erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerk das obere Speicherbecken einen Zu­ lauf und einen Ablauf (den Fluß, der einen Teil des oberen Speicherbeckens dar­ stellt), das untere Becken hat dagegen keinen Ablauf. Wie dargestellt, ist dies un­ ter Sicherheitsaspekten von besonderer Bedeutung.

Die bevorzugte Form des Pumpspeicherwerkes ist jedoch die Anlage von Ober- und Unterbecken innerhalb eines (genutzten) Braunkohletagebaus.

Besondere technische Vorteile existieren, wenn die Anlage der Becken insbeson­ dere des Oberbeckens direkt mit dem Abtragen des Abraums (Deckgebirge) er­ folgt. Dabei wird man sich mit Vorteil der zum Abräumen des Deckgebirges ein­ gesetzten Bagger, Förderbänder und der Absetzer bedienen.

Besonders einfach gelingt dies, wenn es darum geht, ein Pumpspeicherwerk in ei­ nem noch bestehenden oder in direkter Nachbarschaft zu einem noch arbeitenden Braunkohletagebau zu installieren, um so beispielsweise durch eine Pumpspeicher/ Braunkohlekraftwerk- Kombination ein Braunkohlekraftwerk in ein Spitzenkraft­ werk umzuwandeln.

Daneben können die üblicherweise im Staudammbau eingesetzten Techniken zum Einsatz kommen. Siehe hierzu beispielsweise die Angaben zur Errichtung des Ata­ türkstaudammes (Vergl. 7. Internationales Seminar Wasserkraftanlagen, loc.cit., S. 17).

Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Pumpspeicher

Braunkohletagebaugebiete finden sich weltweit häufig in der Nähe von Ballungs­ zentren, so z. B. das Braunkohlengebiet im Süden und Westen von Moskau. Gro­ ße Braunkohlenreviere gibt es auch in den USA und Kanada. In Deutschland wird die Nähe der Braunkohletagebaugebiete zu den Verbraucherzentren besonders gut sichtbar. So befindet sich beispielweise Leipzig mitten im mitteldeutschen Braunkohlerevier.

Das große Lausitzer Revier liegt günstig zwischen den Ballungsräumen Dresden und Berlin. Zu nennen sind hier auch das Hessische Revier bei Kassel und das Helmstedter Revier im Bereich Braunschweig, Magdeburg.

Von besonderem Interesse ist das rheinische Revier. Dieses Braunkohlerevier ist in zweifacher Hinsicht besonders interessant. Zum einen befindet sich diese Re­ vier in direkter Nachbarschaft zum bevölkerungsreichen Ruhrgebiet und nicht weit entfernt vom Industriestandort Rhein/Main und den belgischen und niederländi­ schen Verbraucherzentren. Besonderes Interesse findet das rheinische Braunkoh­ lerevier für die Errichtung von großen Pumpspeichern aber vor allem deshalb, weil hier die Kohle inzwischen aus großer Tiefe, z. T. 400m unter Umgebungsniveau gefördert wird. Die sich daraus ergebenden sehr großen Höhenunterschiede sind naturgemäß für die Errichtung von leistungsfähigen, großen Pumpspeichern beson­ ders interessant. Die erfindungsgemäßen Pumpspeicher in Braunkohletagebaugebie­ ten gestatten also eine Energiespeicherung in allernächster Nähe zu den Verbrau­ cherzentren. Der z.Z. noch praktizierte, unwirtschaftliche, tägliche Stromtransport in die Gebirgsregionen der Alpen und wieder zurück kann damit entfallen. Die erfindungsgemäße Anordnung wenigstens des unteren Speicherbeckens unter­ halb des umgebenden Niveaus, bevorzugt sogar unter NN, gestattet erstmals die gefahrlose Errichtung von großen Pumpspeicherwerken in direkter Nachbarschaft zu den großen Verbraucherzentren. Es sei noch einmal darauf hingewiesen, daß die Errichtung von Hochspeichern, wie sie dem derzeitigen Stand der Technik ent­ sprechen niemals realisiert werden könnten aufgrund des von diesen Hochspei­ chern ausgehenden Gefahrenpotentials.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Pumpspeicher in Braunkohlelager­ stätten ist auch, daß diese Speicher nicht nur in der Nähe der Verbraucherzen­ tren liegen, im allgemeinen befinden sich auch Großkraftwerke, wie z. B. Braun­ kohlekraftwerke oder Kernkraftwerke in einem für den Stromtransport geringen Abstand.

Besondere Vorteile bei der Errichtung der Pumpspeicher in Braunkohletagebau­ strecken ergeben sich daraus, daß in den Braunkohletagebaurevieren alle tech­ nische Einrichtungen zum Bewegen großer Erdmassen vorhanden sind. Dabei wird je nach den jeweiligen Erfordernissen der Abraum durchaus kilometerweit von ei­ nem Tagebau in den anderen transportiert. Dabei haben die Techniken der Erdbe­ wegung in diesen Tagebaustrecken einen sehr hohen Stand erreicht. Konnte man Mitte des 19. Jahrhunderts die Braunkohle nur bis zu einer Tiefe von 20m her­ vorbringen, das Verhältnis von Abraum zu Kohle betrug damals 0,3 : 1 (m³:t), so wurden im Laufe der Entwicklung immer tiefer liegende Vorkommen erschlossen. Mittlerweile beträgt die Abraumdecke über der Braunkohle bis zu 300m. Das Ver­ hältnis von Abraum zu Braunkohle ist auf den Wert 3m³ Abraum/1 t Kohle an­ gestiegen. Inzwischen wurden sogar noch tiefere Flözpartien erschlossen. So wird der Tagebau künftig in Tiefen bis hin zu 500m unter Umgebungsniveau, d. h. bis in Tiefen von 400m unter NN vorangetrieben. Das Abraum /Kohle- Verhältnis be­ trägt dann 6 : 1. Damit werden z.Z. allein im rheinischen Revier bei einer Förde­ rung von 110-120 Millionen t Braunkohle auch fast eine halbe Milliarde m³ Abraum bewegt.

Von besonderem Vorteil ist es demzufolge, wenn direkt mit der Bewegung des Abraums zur Förderung der Braunkohle wenigstens eines der beiden Speicherbec­ ken gleich mit angelegt wird. Mit dieser Anlage der Pumpspeicherbecken wird da­ bei auch gleichzeitig das Problem der Rekultivierung gelöst. Teil der Erfindung ist damit auch ein Verfahren zur Errichtung eines Pumpspeichers, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bereits beim Wegräumen des Abraums wenigstens 1 Oberbecken und/oder wenigstens 1 Unterbecken zum Betrieb eines Pumpspeicherwerkes er­ richtet wird.

Ein ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen großen Pumpspeicher ergibt sich aus dem Umstand, daß in diesen Braunkohletagebaugebieten nicht nur die Fachleute da sind, die derartige landschaftsgestalterische Maßnahmen durchführen können, sondern auch dadurch, daß bei der vom Braunkohletagebau betroffenen Bevölkerung auch die Vorstellungskraft für Veränderungen dieses Ausmaßes vorhanden ist. Im Unterschied zur bisherigen Einmalnutzung der Braunkohlen­ reviere ergeben sich durch die Errichtung der großen Pumpspeicherwerke Dau­ erarbeitsplätze und Dauereinnahmequellen für die betroffenen Gemeinden.

Besonders hervorzuheben ist die Tatsache, daß die Errichtung der Pumpspeicher in den Braunkohletagebaustrecken auch dadurch erleichtert wird, daß diese Ge­ biete direkt von großen Stromkonzernen genutzt werden können, sei es daß sie direkt Besitzer oder Eigentümer dieser Flächen sind oder sei es, daß sie die Nutzungsrechte dieser Flächen haben. Gerade unter dem Aspekt, wie schnell der­ artige Speicher realisiert werden können, ist dies von Bedeutung.

Ein besonderer Vorteil der Errichtung der erfindungsgemäßen Pumpspeicher in Braunkohletagebaustrecken ergibt sich auch dadurch, daß durch die vorangegan­ gene oder noch durchgeführte Nutzung der Braunkohle zur Elektrizitätserzeugung ein Großteil der erforderlichen elektrischen Anlagen zur Installation des Pumpspei­ cherwerkes bereits vorhanden ist. So sind zumindest die erforderlichen Freilei­ tungen von den Braunkohlelagerstätten zu den Verbraucherzentren vorhanden. Auch die Verbindung mit vielen Kraftwerksblöcken ist in aller Regel gegeben. Wenn auch die Freileitungen den gestiegenen Anforderungen der Einbindung eines Großspeichers nicht genügen sollten, so sind doch zumindest die Stromtrassen zur Verlegung stärkerer Leitungen vorhanden.

Hervorzuheben sind auch die geringen Erstellungskosten dieser Pumpspeicherwer­ ke sowie die langen Abschreibungszeiträume. Auch wenn mit den erfindungsgemä­ ßen großen Pumpspeichern naturgemäß kein Strom erzeugt wird,kann der Bau die­ ser Speicher den Neubau von Kraftwerken ersetzen, da mit diesen Großspeichern eine Vergleichmäßigung der Stromerzeugung in den bestehenden Kraftwerken möglich ist. So können diese Pumpspeicher je nach Größe und Bedarf als Tages-, Wochen-, Monats- oder Jahresspeicher ausgelegt werden. In Kombination mit den bereits vorhandenen, kleinen Pumpspeichern, die der Feinregulierung dienen, ist damit eine sehr effektive, gleichmäßige Stromproduktion möglich. Die erfindungsge­ mäßen großen Pumpspeicher in Braunkohlelagerstätten tragen auch dazu bei, den z.Z. erforderlichen Verkauf von Strom für Nachtspeicherheizungen oder für eine stromintensive industrielle Nutzung teilweise unter Gestehungskosten zu reduzieren. Damit tragen diese Pumpspeicher in hohem Maße zur Einsparung von Strom bei und damit zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes.

Daneben gestatten die erfindungsgemäßen Pumpspeicher den Einsatz von erneuer­ baren Energien wie Strom aus Windkraftanlagen, Solaranlagen und anderen stark schwankenden Energiequellen, da mit der Möglichkeit der Speicherung im großen Stil der Nachteil dieser Art der Energieerzeugung entfällt. Besonders sei darauf hingewiesen, daß auch die Nutzung von Blockheizkraftwerken durch die erfin­ dungsgemäßen Speicher günstiger wird, da wegen der guten Speichermöglichkeit den Anbietern ein akzeptabler Preis gezahlt werden kann. Damit wird ein beson­ ders hoher Beitrag zur Reduktion der CO₂-Emission geleistet. Hervorzuheben ist aber ein anderer, gesamtwirtschaftlicher Aspekt dieser erfin­ dungsgemäßen Pumpspeicherwerke. Bedingt durch die große Kapazität dieser Pumpspeicherwerke muß nicht mehr nach Anreizen gesucht werden, die Industrie zu locken, z. B. nachts viel Strom zu verbrauchen, der dann entsprechend billig abgegeben wird. Es kann vielmehr industriellen Stromerzeugern, z. B. großen Dampfproduzenten, ein Anreiz geboten werden, Strom als Abfallprodukt zu erzeu­ gen und diesen an die Stromanbieter zu verkaufen. Die Möglichkeit für die Indus­ trie, das Abfallprodukt Strom jederzeit zu verkaufen, macht die industrielle Pro­ duktion in der Nähe der erfindungsgemäßen Großspeicher günstiger und bietet Standortvorteile. Der von der Industrie oder aus erneuerbaren Energiequellen be­ reit gestellte Strom kann schließlich als Spitzenstrom teuer weiter verkauft wer­ den.

Letztendlich führt dies zu einer Inversion der bestehenden Stromversorgungs­ struktur. Hat man heute eine Reihe von Großkraftwerken zur Stromerzeugung und damit verbunden kleine Pumpspeicher, so hat man mit Installation der großen Pumpspeicher in Braunkohletagebaustrecken die Möglichkeit einer völlig anderen Versorgungsstruktur. So ermöglichen die erfindungsgemäßen Pumpspeicher ein System aus vielen kleinen, dezentralen Stromerzeugern und damit verbunden große Pumpspeicherwerke. Durch diese Vielzahl von Erzeugern wird die Versor­ gung sicherer. Die großen Stromkonzerne stellen mit diesen Pumpspeicherwerken und ihrem umfangreichen Verteilungsnetz letzlich die nachfragegerechte Verteilung sicher.

Langfristig ermöglicht dies die Entwicklung hin zu einer Verwaltung von elektri­ scher Energie. Für ein hoch industriealisiertes Land ist diese Bereitstellung von Strom just in time ein deutlicher Schritt nach vorn und eine drastische Reduktion von Umweltverschmutzung und CO₂-Emission.

Beispiele

Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, stellen jedoch keine Einschränkung dar.

Die Abschätzung der Leistung der Pumpspeicherwerke erfolgte gemäß H. Happoldt, D.Oeding, Elektrische Kraftwerke und Netze, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 5. Auflage, 1978, S. 67.

Danach beträgt die Effektivleistung eines Wasserkraftwerkes

P_eff WKW ≈ 8 _* Q _* H.

Dabei wird die Effektivleistung, P_eff WKW, in kW, der Volumenstrom des Was­ sers, Q, in m³/s und die Fallhöhe, H, in m angegeben.

In dieser Abschätzung ist für die Rohrleitungen ein Wirkungsgrad von 0,93-0,99, für die Turbinen ein Wirkungsgrad von 0,85- 0,94 und für die Generatoren ein Wirkungsgrad von 0,95-0,99 enthalten.

Zu Angaben bezüglich Wasserkraftgeneratoren, Wasserturbinen siehe Kapitel 4, "Wasserkraftwerke", in H. Happoldt, D.Oeding, Elektrische Kraftwerke und Netze, loc.cit., S. 58ff.

Wie bereits dargestellt, sind die bevorzugten Turbinen für die erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerke voll beaufschlagte Turbinen, z. B. Francis- oder Kaplanturbi­ nen.

Für die erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerke - besonders bei geringen Fallhöhen - besonders geeignet sind z. B. Kaplanturbinen. Diese können sich wechselnden Be­ triebsbedingungen gut anpassen.

Die technischen Kenntnisse zur Realisierung der erfindungsgemäßen Pumpspeicher­ werke können bei den damit befaßten Fachleuten vorausgesetzt werden.

So erfolgt der Anschluß der Pumpspeicherwerke an das Netz üblicherweise über Hochspannung von z. B. 380kV oder 220kV. Im übrigen sei auf die Handbuch­ reihe Energie, herausgegeben von Prof. Thomas Bohn, Band 1-Band 15, TÜV Rheinland GmbH, Köln, 1987, verwiesen.

Die Angaben zur jährlichen Stromerzeugung wurden den entsprechenden Jahrbü­ chern entnommen, so z. B. Der Fischer Weltalmanach 1993, Fischer Taschenbuch Verlag GmbH, Frankfurt am Main, 1992, Spalten 942-946.

Die Angaben zu Braunkohlelagerstätten und zur Braunkohleförderung entstammen u. a. dem Harenberg Lexikon der Gegenwart 1994, Harenberg Lexikon- Verlag, Dortmund 1993, S. 122-123.

Weitere Angaben zum Braunkohletagebau sind den Prospekten "Das rheinische Revier" und "Tagebau Garzweiler II", Herausgeber Rheinbraun Aktiengesellschaft, Köln, sowie der Broschüre "RWE Energie, Kraftwerk Neurath", Herausgeber RWE Energie, Kraftwerk Neurath, Köln, sowie Arno Kleinebeckel, Unternehmen Braun­ kohle, Geschichte eines Rohstoffes, einer Industrie im Rheinland, Greven Verlag Köln GmbH, Herausgeber Rheinische Braunkohlewerke AG, Köln, 1986, entnommen.

Beispiel 1

Pumpspeicherwerk, bei dem das untere und das obere Speicherbecken unter Um­ gebungsniveau angelegt sind.

In einem ebenen Gelände (durchschnittliche Höhe: 100m über NN, ausgedehntes Braunkohlenflöz in einer Tiefe von 80m unter Umgebungsniveau, entsprechend 20m über NN) wird das Deckgebirge abgetragen und die Braunkohle abgebaut. Der Abraum wird zunächst außerhalb des Abbaugebietes gelagert, danach wird dieser Abraum über einem ausgeräumten Braunkohlenflöz wieder so aufgeschüttet, daß in einem Abstand von 2000m nebeneinander entstehen: 1.) ein rechteckiges 2km _* 4km großes oberes Speicherbecken mit einem Beckenboden in einer Höhe von 50m über NN und einem Beckenrand in einer Höhe von 100m über NN und 2.) parallel zur Längsseite des Oberbeckens ein 4km _* 4km großes unteres Becken, wobei der Beckenboden des unteren Speicherbeckens in einer Höhe von 0m (bezogen auf NN) angelegt ist. Der Beckenrand befindet sich in einer Höhe von 100m über NN. Die Böschung am Rande des unteren wie des oberen Spei­ cherbeckens weist eine Steigung von 20% auf. Boden und Seitenwände der Bec­ ken werden gegen das Grundwasser abgedichtet.

Am Rande des unteren Beckens wird ein Krafthaus errichtet. Dieses ist mit Druckrohren mit dem oberen Speicherbecken verbunden. Das Krafthaus ist mit Pumpen, Turbinen und Generatoren mit einer Leistung von ca. 300 MW ausge­ stattet. Z.B. kommen Kaplanturbinen zum Einsatz. Nach Füllung des Pumpspei­ cherwerkes mit ca. 300 Millionen m³ Wasser kann bei einer durchschnittlichen Nutzung von 240 Millionen m³ Wasser und einer durchschnittlichen Nutzfallhöhe des Wassers von 50m durch Hochpumpen des Wassers elektrische Energie ge­ speichert werden.

Schickt man die nutzbare Wassermasse von 240 Millionen m³ Wasser beispiels­ weise innerhalb von 1300h durch das Kraftwerk, so bedeutet dies einen Volu­ menstrom von 667 m³/s. Bei einer durchschnittlichen Nutzhöhe von 50m ergibt dies eine Leistung P von P ≈ 8 _* 667 _* 50 kW ≈ 266 MW.

D.h. dieses Pumpspeicherwerk, das in nahezu jedem Braunkohletagebau installiert werden kann, stellt 100h lang eine Leistung von 266 MW bereit. Damit ist in diesem Pumpspeicherwerk elektrische Energie entsprechend 26,6 Millionen kWh gespeichert.

Beide Speicherbecken liegen gänzlich unter Umgebungsniveau. Wie oben darge­ stellt, befindet sich der Beckenrand in etwa auf Umgebungsniveau. Je nach Füll­ stand des Oberbeckens schwankt der Wasserstand im Unterbecken um bis zu etwa 15m und im oberen Speicherbecken um etwa 30m. Auch wenn die ge­ samte nutzbare Wassermasse im oberen Becken gespeichert ist, befindet sich der Wasserstand des Wassers im oberen Becken noch mindestens 15m unter Umgebungsniveau, so daß von diesem Pumpspeicherwerk keinerlei Gefahr ausgeht. Das untere Speicherbecken dieses Pumpspeicherwerkes besitzt keinen Abfluß.

Beispiel 2 Pumpspeicherwerk mit erhöhter Leistung

Man wählt die Beckenanordnung wie in Beispiel 1, erhöht jedoch die Anzahl und Durchmesser der Druckstollen, die Leistung der Pumpen der Turbinen und der Generatoren, so daß die Nutzwassermasse von 240 Millionen m³ innerhalb von 10h vom unteren Becken in das obere Becken gepumpt werden kann und umge­ kehrt innerhalb von 10h vom oberen in das untere Becken strömen kann.

Es resultiert ein Pumpspeicher mit einer Leistung von

P ≈ 8 _* 6667 _* 8 kW ≈ 2666 MW.

Mit diesem Pumpspeicherwerk steht damit eine Anlage zur Verfügung, die eine vergleichbar große Leistung aufweist wie alle deutschen Pumpspeicherwerke zusammen.

Die gespeicherte elektrische Energie dieses Pumpspeicherwerkes, d. h. die Kapazi­ tät dieses Pumpspeicherwerkes, ist naturgemäß wie in dem Pumpspeicherwerk gemäß Beispiel 126,6 Millionen kWh.

Beispiel 3 Pumpspeicherwerk mit erhöhter Kapazität, beide Speicherbecken in einem Braun­ kohletagebau, das untere Speicherbecken unter Umgebungsniveau

In einem Braunkohletagebau gemäß Beispiel 1 errichtet man ein quadratisches, oberes Speicherbecken, Ausmaße des Beckens am Beckenboden: 4 km _* 4 km, Beckenboden in einer Höhe von 150m über NN, entsprechend 50m über Umge­ bungsniveau, Beckenrand 250m über NN.

Der Beckenrand ist aus Sicherheitsgründen an 3 Seiten mit einem 2 km breiten, 40m hohen Wall umgeben (= 290m über NN). An der 4. Beckenseite (neben dem unteren Speicherbecken) ist der Wall nur 20m hoch. Neben diesem quadra­ tischen Oberbecken befindet sich in einem Abstand von 2 km das untere Spei­ cherbecken (Ausmaße am Beckenboden: 4 km _* 4 km), Beckenboden in einer Höhe von 10m unter NN, Beckenrand an 3 Seiten 150m über NN, entsprechend 50m über dem ursprünglichen Umgebungsniveau, an der 4. Seite Anstieg zum oberen Becken. Oberes und unteres Speicherbecken sind über mehrere Krafthäu­ ser mit jeweils mehreren Druckrohren miteinander verbunden.

Nach der Fertigstellung wird das untere Becken mit 1,7 Milliarden m³ Wasser ge­ füllt. Für Speicherzwecke steht eine Wassermenge von ca. 1,5 Milliarden m³ zur Verfügung. Die durchschnittliche Nutzfallhöhe beträgt 150m. Diese Wassermenge wird zwecks Speicherung elektrischer Energie in das obere Speicherbecken ge­ pumpt. Läßt man diese Wassermenge innerhalb von 1000h über die Kraftwerke vom oberen in das untere Becken strömen, resultiert ein durchschnittlicher Volu­ menstrom von 444,4 m³/s. Bei einer durchschnittlichen Nutzfallhöhe von 150m bedeutet dies eine Leistung von P ≈ 8 _* 444,4 _* 150 kW ≈ 533 MW.

D.h. dieses Pumpspeicherwerk hat eine Speicherkapazität von 533 Millionen kWh. Damit ist die Speicherkapazität dieses erfindungsgemäßen Pumpspeichers etwa 10mal so groß wie die aller deutschen Pumpspeicherwerke zusammengenommen.

Beispiel 4 Pumpspeicher mit hoher Leistung und hoher Verfügungszeit

Man errichtet die Speicherbecken wie in Beispiel 3, erhöht jedoch die Maschinen­ leistung auf das 10fache. Es resultiert ein Pumpspeicherwerk, das für die Dauer von 100h eine Leistung von 5333 MW bereitstellt.

Claims (33)

1. Pumpspeicherwerk, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Speicherbecken in einer bestehenden oder ausgeräumten Braunkohlelagerstätte angeordnet ist.

2. Pumpspeicherwerk gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Speicherbecken vollständig unterhalb des Umgebungsniveaus angelegt ist und die gesamte im Pumpspeicher befindliche Wassermasse aufnehmen kann.

3. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Speicherbecken keinen Abfluß hat.

4. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserpegel im unteren Speicherbecken je nach Füllstand des oberen Speicherbeckens um wenigstens 15m variiert.

5. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Krafthaus als Kavernenkrafthaus angelegt ist.

6. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das untere und das obere Speicherbecken innerhalb einer Braunkohle­ lagerstätte angeordnet sind.

7. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Speicherbecken wenigstens 50m unter Umgebungsniveau angeordnet ist.

8. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des unteren Beckens unter NN angelegt ist.

9. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das ganze untere Speicherbecken unter NN angelegt ist und die gesamte im Pumpspeicherwerk befindliche Wassermasse aufnehmen kann.

10. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Höhenunterschied zwischen unterem und oberem Speicherbecken wenigstens 40m beträgt.

11. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Höhenunterschied zwischen unterem und oberem Speicherbecken wenigstens 90m beträgt.

12. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Speicherbecken wenigstens 50 Millionen m³ faßt.

13. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Speicherbecken wenigstens 200 Millionen umfaßt.

14. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Speicherbecken wenigstens 1 Milliarde m³ faßt.

15. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk eine Speicherkapazität < 20 Millionen kWh hat.

16. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk eine Speicherkapazität < 50 Millionen kWh hat.

17. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk eine Speicherkapazität < 400 Millionen kWh hat.

18. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk eine Leistung < 200 MW aufweist.

19. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk eine Leistung < 2500 MW aufweist.

20. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk eine Leistung < 4000 MW aufweist.

21. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-20, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk eine Verfügungszeit < 50h aufweist.

22. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-21, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk eine Verfügungszeit < 100h aufweist.

23. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk eine Verfügungszeit < 300h aufweist.

24. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk eine Verfügungszeit < 700h aufweist.

25. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk in einer Entfernung von < 50 km von einem in Betrieb befindlichen thermischen Kraftwerk angeordnet ist.

26. Pumpspeicherwerk gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk und das thermische Kraftwerk zu einem Spitzenkraft­ werk verbunden sind, das wenigstens die dreifache Leistung des thermischen Kraftwerks aufweist.

27. Pumpspeicherwerk gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk mit Pumpturbinen oder mit Pumpen und Turbinen ausgestattet ist, wobei die Turbinenleistung wenigstens doppelt so groß ist wie die Leistung der Pumpen.

28. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-27, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung des oberen und des unteren Speicherbeckens wenigstens 2km und bis zu 20km beträgt.

29. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-28, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpspeicherwerk über eine Ausgleichsanlage (Wasserschloß) verfügt.

30. Pumpspeicherwerk gemäß den Ansprüchen 1-27, dadurch gekennzeichnet, daß das obere und das untere Speicherbecken direkt durch eine Staumauer verbunden sind.

31. Pumpspeicherwerk gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Speicherbecken mit einem Fluß verbunden ist bzw. einen gegebenen­ falls gestauten Fluß darstellt.

32. Verfahren zur Errichtung von Pumpspeicherwerken gemäß Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß man den bei der Ausbeutung der Braunkohlelager­ stätten anfallenden Abraum zur Errichtung der Pumpspeicherbecken verwendet.

33. Verwendung der Pumpspeicherwerke gemäß den Ansprüchen 1-31 zum Aufbau eines elektrischen Versorgungsnetzes, dadurch gekennzeichnet, daß in diesem Versorgungsnetz eine Anzahl von 1-20 Pumpspeicherwerken gemäß Anspruch 1 mit wenigstens 1000 kleinen Energieerzeugern mit einer Leistung von jeweils < 10 MW verbunden sind.