DE19913008C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von als Druckluft vorhandener Energie in elektrischen Strom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von als Druckluft vorhandener Energie in elektrischen Strom nach dem Oberbegriff des Hauptanspru­ ches.

Üblicherweise werden Pumpspeicherwerke mit Becken ober­ halb der Meeres- oder einer Flußoberfläche angeordnet und Wasservolumen wird in diese durch Rohrleitungen einge­ pumpt. Ein derartiges Aufwärtspumpen ist mit erheblichen mechanischen Verlusten, nämlich den Reibungsverlusten in den Leitungen versehen.

Weiter ist als Stand der Technik die DE 41 22 510 A1 zu nennen, in der ein Wasserhebewerk mit einer Anzahl von in einem Band zusammengefaßten Hohlkörpern beschrieben ist, die DE 40 11 966 A1, in der ein Tauchkörper beschrieben ist, der mit windstrom-erzeugter Druckluft mit Wasser ge­ flutet und unter Wasser wieder ausgeblasen wird, und das deutsche Gebrauchsmuster DE 92 15 449 U1, das ein unter Wasser arbeitendes mit Luftauftriebskammern versehenes Schaufelband vorschlägt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Umwand­ lungsverfahren mit weniger Verlusten zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Merkmalen der Ansprüche erreicht.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder. Insbesondere ist vorteilhaft, eine Vorrichtung zu schaffen, die in einem Gewässer steht oder schwimmt. Dies kann ein künstlicher natürlicher See sein, das Staubbecken einer Talsperre, ein gefluteter Tagebau, ein Fjord, eine Meeresbucht oder ähnliches.

Die Anlage kann in Modulbauweise erreichtet und betrieben werden, dadurch sind neben Leistungen von einigen Mega­ watt bis mehreren Gigawatt auch schnellstmögliche Verän­ derungen in der Nennleistung (durch Ab- und Zuschalten von Modulen) ohne Veränderung des Wirkungsgrads und ohne Energieverlust oder umweltbeeinträchtigender Auswirkungen möglich. Das Kraftwerk erzeugt keine Emissionen.

Die Druckluft kann dabei als Energiespeicher genutzt wer­ den, da sie beliebig gespeichert und in Pipelines trans­ portiert werden kann.

Mit Hilfe eines Druckluft-Pipeline-Systems, das innerhalb oder unterhalb der Anlage montiert wird, wird eine Druck­ luftzufuhr geschaffen, die über Sensoren und Regelungs­ computer automatisch eine Auf- und Abbewegung von Wasser­ behältern durch Befüllen von unter ihnen befindlichen Druckluftbehältern mit günstigen Geschwindigkeiten steu­ ert.

Während es denkbar ist, die Auf- und Abbewegung direkt in elektrische Energie über angesetzte Dynamos umzuformen, ist es apparativ günstiger, das angehobene Wasser aus der Höhe, in der es potentielle Energie speichert, auf eine mit einem elektrischen Stromgenerator verbundene Turbine unter Antrieb dieser und des Generators zu leiten.

Nachdem in den Betriebsbehältern Druckluft eingebracht wurde, wird sich der Lastbehälter in einer vorgewählten Höhe befinden, wobei diese Höhe von der Höhe der Kon­ struktion und somit der verfügbaren Wassertiefe beim Ein­ tauchen bestimmt wird. Je höher die Fallhöhe des Wassers ist, umso höher ist natürlich die Energie, die gewonnen werden kann.

Im Ruhezustand befindet sich ein sogenannter Läufer, der Betriebsbehälter und Wasserbehälter und die die beiden Behälter voneinander beabstandende Konstruktion umfaßt, komplett unter der Wasseroberfläche. Durch Füllung des Betriebsbehälters mit Druckluft steigt der Läufer mit dem wassergefüllten "Last-"Behälter nach oben. Der Entlee­ rungsvorgang kann nun schon beginnen, kann jedoch auch bis zum Ende des Anhebevorganges aufgeschoben werden. Bei sofortiger Wasserentnahme wird der Läufer selbstverständ­ lich leichter und schiebt sich so weiter nach oben, auch ohne daß Druckluft weiter zugeführt wird.

Ohne weitere Druckluftzufuhr würde sich der Wasserspiegel im Lastbehälter in Bezug auf das umgebende Geländeniveau nicht ändern, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn eine Entleerung in festmontierte Kanäle stets auf glei­ cher Höhe erfolgt, wie in einer erfindungsgemäß bevorzug­ ten Anlage.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine seitliche Darstellung einer An­ lage mit einer Mehrzahl von Läufern in verschiedenen Positionen, und

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Vielzahl von jeweils in Doppelreihen angeord­ neten Läuferkonstruktionen, die in zwischen ihnen befindliche, sich auf hohem Niveau befindende Kanäle ent­ leeren, wobei Turbinen an runden Fallkanälen angeordnet sind.

Die in der Fig. 1 dargestellte Läuferkonstruktion ist, wie am linken Rand dargestellt, ganz in Wasser eintau­ chend vorgesehen. Um nun die Druckluftverluste möglichst gering zu halten, befindet sich unter dem Betriebsbehäl­ ter 10, der über eine Vorrichtung 13 mit Druckluft beauf­ schlagt wird, die zuvor darin befindliches Wasser ver­ drängt, ein permanent mit Luft gefüllter Raum 18, der vom Volumen her so bemessen ist, daß das Eigengewicht des ge­ samten Läufers im Wasser neutralisiert wird. Dieser Raum kann so eingerichtet sein, daß er geeignet ist, als Recycling-Kammer für die nach der Entleerung des Lastbe­ hälters überflüssige Druckluft zu dienen. Diese Einrich­ tung hilft, die Gesamtenergiebilanz der Anlage zu verbes­ sern. In der Fig. 1 ist dieses Volumen als Rundrohr 18 im Schnitt dargestellt.

Ein unter dem Betriebsbehälter 10 konstruierter Doppel­ boden würde den gleichen Effekt haben, sich jedoch zu­ sätzlich noch günstig auf die Statik der Konstruktion auswirken.

Damit die Läufer im aufgetauchten Zustand nicht kentern, werden sie in eine Haltekonstruktion 12 gesetzt, in der sie ähnlich wie ein Lift auf- und abgleiten können. Der mit Wasser befüllte obere Behälter 16 ist dabei über eine Traggitterkonstruktion mit dem unteren (Luftauffang-)Be­ hälter verbunden und bildet einen "Läufer" 14.

Die Haltekonstruktion ist auch gleichzeitig Tragwerk für die Kanäle 30, in denen das Wasser gesammelt wird. Die einzelnen Läufer können zu Modulen unterschiedlicher Stückzahl zusammengefaßt werden und so gemeinsam die Ka­ näle 30 speisen. In den Kreuzungspunkten dieser Kanäle befinden sich die Fallkanäle 22 mit den knapp über die Wasseroberfläche angehängten Turbinen 24.

Eine Vertikalführung 12 erlaubt den möglichst reibungs­ frei verschieblichen Läufern 14 aus zwei voneinander ver­ tikal beabstandeten Behältern 10, 16, aufzusteigen, wobei der obere Behälter 16, der zur Aufnahme und Abgabe von Wasser ausgelegt ist, über die Wasseroberfläche steigt, und der untere, zum Einströmen von Druckluft und zum Aus­ laß dieser Druckluft ausgelegte Behälter mit seiner Ober­ kante bis zur Wasseroberfläche steigen kann.

Der apparative Aufwand der Vertikalführungen läßt sich minimieren, wenn eine Mehrzahl von Vertikalführungen für Läufer in Gruppen zusammengefaßt sind, und zwischen die­ sen Kanäle zur Weiterleitung des aus den Wassertanks ab­ fließenden Wassers und zum Führen dieses zu Fallkanälen 32 vorgesehen sind, wobei am Boden jedes Fallkanals eine Turbine vorzusehen ist.

Insbesondere Zweierreihen von Läufern (ggf. mehrfach vor­ gesehen) belassen zwischen sich Kanäle 30, die jeweils an den Längsseiten der Reihen entlanggeführt sind, wobei je­ weils eine Reihe von Läufern in den ihr benachbarten Ka­ nal entleert, und ein weiterer rechtwinklig zu diesen vorgesehener Kanal vorgesehen ist, der Kreuzungspunkten der Kanäle untereinander entstehen läßt, an denen die Fallkanäle zur Führung des Wassers zu den Turbinen 24 vorteilhafterweise vorgesehen werden können.

Claims (6)

1. Verfahren zur Umwandlung von als Druckluft vorhand­ ener Energie in elektrischen Strom durch Anheben von in Wasser befindlichen Betriebsbehältern, die mit Hilfe von Druckluft zum Aufsteigen gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Betriebsbehälter wassergefüllte Behälter vorgesehen sind, die von den Betriebsbehältern auf eine vorgewählte Höhe angehoben werden und daß anschließend das aus den wassergefüllten Behältern entleerbare Was­ ser beim Herabströmen eine Turbine mit Generator an­ treibt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Be­ triebsbehältern permanent ein Luftvolumen beherbergt ist, das unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet ei­ nen Auftrieb entfaltet, der dem Eigengewicht der gesam­ ten bewegten Einheit, des sogenannten "Läufers", ent­ spricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine als Fallkanal (32) ausgebildete Zuführvorrichtung zu wenigstens einer Turbine (24), die an einer Halte­ konstruktion befestigt ist, die gleichzeitig als Vertikalführung (12) für die verschieblichen Läufer aus zwei voneinander vertikal beabstandeten Behältern, einem unteren zum Einströmen von Druckluft und zum Auslaß dieser Druck­ luft eingerichteten Betriebsbehälter und einem oberen Wasserbehälter (16) zur Aufnahme und Abgabe von Wasser vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein weiteres Auftriebsvolumen, das in Form eines Dop­ pelbodens an den Betriebsbehälter aufgesetzt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Mehrzahl von Vertikalführungen (12) für Läufer in Gruppen zusammengefaßt sind und zwischen diesen Kanäle (30) zur Weiterleitung des aus den Was­ serbehältern abfließenden Wassers und zum Führen dieses Wassers zu den Fallkanälen (32) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Zweierreihen von Läufern mehrfach vorgesehen sind, zwischen diesen Kanä­ le (30) jeweils an den Längsseiten der Reihen entlang­ geführt sind, wobei eine Reihe von Läufern in den ihr benachbarten Kanal entleert, und wenigstens ein weite­ rer Kanal vorgesehen ist, der rechtwinklig zu den er­ sten Kanälen verläuft, wobei an den Kreuzungspunkten der Kanäle Fallkanäle (32) zur Führung des Wassers zu den Turbinen vorgesehen sind.