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Pumpspeicherwerk für die Regelung des in einem Netzwerk anfallenden Energiebedarfs, in welchem der zugeführte Strom in potenzielle Energie von Wasser umgewandelt und entsprechend dem Bedarf zurückgewonnen wird.
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Um Strom in potenzielle Energie umzuwandeln oder mit anderen Worten den Strom zu speichern, benötigen die bekannten Pumpspeicherwerke einen hochgelegenen Speichersee, in den das Wasser hinaufgepumpt wird, um bei Strombedarf wieder bergab zu fließen und in Turbinen und Generatoren erneut in elektrischen Strom umgewandelt zu werden.
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Infolge der steigenden Erzeugung regenerativer Energie durch den Einsatz von Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen, deren Energieerzeugung tageszeitlichen, jahreszeitlichen und wetterbedingten Schwankungen unterliegen, tritt die Forderung nach einer zuverlässigen Stromversorgung, bei der das Energieangebot und die Nachfrage im Gleichgewicht stehen, zunehmend in den Vordergrund. Damit steigt auch die Forderung nach dem Vorhandensein weiterer Pumpspeicherwerke, deren Eigenschaft schnell und zuverlässig Strom bei Bedarf einerseits zur Verfügung zu stellen, andererseits aber bei einem Überangebot des Stroms aus dem Netz diesen durch Umwandlung in potenzielle Energie von Wasser zu speichern, sich in der vergangenen Zeit stets bestens bewährt hat. Da aber die Neuanlage von Pumpspeicherwerken durch die Schaffung von Pumpspeicherseen und die Verlegung des erforderlichen Rohrsystems des Pumpspeicherwerkes einen starken Eingriff in das Landschaftsbild bedeutet, ist die Verwirklichung solcher Anlagen wegen des Widerstandes der Landschafts- und Naturschützer so erschwert, dass sie sich praktisch nicht mehr durchsetzen lässt.
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Der Erfinder hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Pumpspeicherwerk zu schaffen, welches unter Bewahrung der Landschaft die Forderung nach einer zuverlässigen Regelung der Energieversorgung erfüllt. Darüber hinaus soll aber auch eine Lösung der Probleme des Netzwerkmanagements gefunden werden, das bislang dazu gezwungen ist, bei hoher Stromnachfrage, die gerade in die Zeiten fällt, in denen die Lieferung der regenerativen Energie ausfällt, teuren Strom zusätzlich zu erwerben, aber beim Überangebot an regenerativer Energie diesen gerade nicht gebrauchten Strom zu geringen Preisen abgeben zu müssen.
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Die gemäß der vorliegenden Erfindung gefundene Lösung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpspeicherwerk längs eines Flusslaufes angeordnet ist, und seine Regelleistung durch die Höhendifferenz der im Flusslauf liegenden, in einem wählbaren Abstand voneinander anordnungsbaren Einlauf- und Auslaufenden der Rohrsystems des Pumpspeicherwerks bestimmbar ist, wobei die sich hierbei ergebende Höhendifferenz jeweils dem natürlichen Gefälle des Flusslaufs zwischen Einlauf- und Auslaufende des Rohrsystems entspricht.
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Durch das Prinzip die von der Natur vorgegebene Höhendifferenz für die Einlauf- und Auslaufenden des Rohrsystems des Pumpspeicherwerks zu nützen entfällt die Notwendigkeit des Baus eines künstlichen Speichersees. Damit ist aber bereits das Hauptargument der Natur- und Landschaftsschützer hinfällig geworden.
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Bei der technischen Verwirklichung dieses erfindungsgemäßen Prinzips befindet sich eine Mehrzahl von Staustufen längs des Flusslaufes, deren Mauern jeweils zwischen einem Oberwasserbecken und einem Unterwasserbecken verlaufen, wobei das Oberwasserbecken in dem das kontinuierlich zufließende Wasser des Flusses gestaut wird als Speichersee für das Wasserkraftwerk dient, aus dem das Wasser für die geforderte Stromerzeugung entnehmbar ist und das als Auffüllbecken für das bei dem Pumpvorgang zurückgeführte Wasser dient und wobei das Unterwasserbecken bzw. ein unterhalb gelegenes Oberwasserbecken einer wählbaren Staustufe als Einfüllbecken für das bei der Stromerzeugung bergabfließende Wasser und als Vorratsbecken für das bei der Stromspeicherung benötigte bergauf zu pumpende Wasser dient.
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Von besonderem Vorteil ist, dass für die Errichtung des erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerks in den Flüssen nur die bereits vorhandenen Einbauten wie Staustufen oder Stauwerke einbezogen sind, aber dass keine weiteren bauliche Veränderungen der Flusslandschaft erforderlich sind. Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass es keiner Errichtung eines hochgelegenen künstlichen Speichersees für die Speicherung des hochgepumpten Wassers bedarf, daß, vielmehr erfindungsgemäß der bereits vorhandene Höhenunterschied des natürlichen Gefälles des Flusslaufes genützt wird, der zwischen den in Abständen voneinander bereits im Fluss vorhandenen Staustufen besteht. Zur Speicherung der vom Netzwerk angelieferten Energie wird das Flusswasser von einer talwärts gelegenen Staustufe in eine bergseitig gelegene Staustufe entsprechend dem Höhenunterschied zwischen den gewählten Staustufen gepumpt und bei Strombedarf durch den herabfließenden Fluss in Turbinen wieder in Strom umgewandelt und an das Netzwerk geliefert. Ein weiterer großer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Rohrsystem des Pumpspeicherwerks im Flussbett verlegt werden kann, sodass durch die Anlage des Pumpspeicherwerks am Fluss keine sichtbaren Eingriffe in das Landschaftsbild benötigt werden. Der zunehmende Widerstand gegen die Errichtung weiterer Pumpspeicherwerke durch Landschafts- und Naturschützer und die Bedenken und Ängste der Bevölkerung werden durch die erfindungsgemäße Lösung somit jeder Boden entzogen. Der Bau des erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerks ist in die bereits vorhandene und akzeptierte Nutzung des Flusslaufes durch die schon lange vorhandenen Stauwerke praktisch unbemerkbar integriert.
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Bei der Rohrverlegung über Land ist die Wiederherstellung von Wiesen und Äckern unbedenklich. Nur bei Waldtrassen wären Schneisen zu akzeptiern, wobei diese als Fahrwege genutzt werden können.
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Gemäß einer vorzugsweisen Lösung der Erfindung ist es möglich, die Kapazität des Pumpspeicherwerkes entsprechend dem anfallenden Bedarf zu regeln, indem man die Anzahl der zwischen dem Einlaufende und dem Auslaufende des Rohrsystems liegenden Staustufen variiert.
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Als besonderer Vorteil hat sich für die Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerks erwiesen, das Rohrsystem zwischen der im Flusslauf höchstgelegenen Staustufe und der im Bereich der Flussmündung liegenden Staustufe zu verlegen, um damit die maximale Höhendifferenz des Flussgefälles sowohl für die Stromerzeugung als auch für die Speicherung der elektrischen Energie nützen zu können.
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Weitere Einzelheiten über die vorteilhaften Möglichkeiten einer optimalen Nutzung der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung von Beispielen anhand der Figuren.
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Hierin zeigen
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1 einen Flussabschnitt mit einem zwischen zwei Staustufen eingebauten Pumpspeicherwerk mit getrennten Vor- und Rücklaufleitungen,
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2 einen Flussabschnitt mit einem zwischen zwei Staustufen eingebauten Pumpspeicherwerk mit kombinierten Vor- und Rücklaufleitungen,
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3 ein Pumpspeicherwerk nach 2, welches die Gesamtlänge des Flusses überbrückt,
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4 ein Prinzipbild eines landverlegten Pumpspeicherwerks,
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5 ein die Gesamtlänge eines Flusses überbrückendes landverlegtes Pumpspeicherwerk, dessen Speicherkapazität durch Verbindungsstichleitungen zu den längs des Flusses bereits vorhandenen Staustufen erhöht ist und
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6 einen Flussabschnitt mit einem zwischen zwei Staustufen eingebauten Pumpspeicherwerk nach 1, wobei hier das oberhalb gelegen Unterwasserbecken mit einbezogen ist.
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In einem Gebirgsfluss 1 sind bereits zwei Staustufen 2a, 2b errichtet, in deren Kraftwerken über Turbinen elektrischer Strom erzeugt werden kann. Der Höhenunterschied „h” der Lage der beiden Staustufen 2a, 2b entspricht dem natürlichen Gefälle des Flusses 1. Oberhalb der Staustufen 2a, 2b ist das Flusswasser in sogenannten Oberwasserbecken 3a bzw. 3b aufgestaut. Unterhalb der Staustufen 2a, 2b sind sogenannte Unterwasserbecken 4a bzw. 4b gebildet, in die bei entsprechendem Arbeitseinsatz des in den Staustufen befindlichen Kraftwerks das Wasser aus den Oberwasserbecken 3a bzw. 3b über Turbinen in die Unterwasserbecken 4a bzw. 4b stürzt und elektrischen Strom erzeugt.
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Die Funktion der beiden Kraftwerke in den Staustufen 2a und 2b bleibt durch den Einbau des erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerks 5 jedoch unbeeinflusst. D. h. das Pumpspeicherwerk 5 umgeht die genannten Staustufen ohne auf deren Funktion einzuwirken.
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Das Pumpspeicherwerk 5 umfasst ein Rohrleitungssystem, welches aus einer Mehrzahl von parallel zueinander verlaufenden Rohren bestehen kann, die als Vorlaufrohre 6 und Rücklaufrohre 7 für das Arbeitsmedium Wasser dienen. In der Zeichnung vertritt jeweils nur ein Vorlaufrohr 6 und ein Rücklaufrohr 7 die Gesamtheit des Rücklaufrohrsystems. Das Vorlaufrohr 6 hat seinen Fülleingang 6a im Oberwasserbecken 3a. Es mündet in ein Einlaufbecken, welches dem Unterwasserbecken 4b entspricht.
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Vor seinem talabwärts gelegenen Ende ist in dem Vorlaufrohr 6 eine Turbine 8 mit nicht dargestelltem nachfolgendem Generator installiert. Bei Strombedarf fließt Wasser aus dem Oberwasserbecken 3a durch das Vorlaufrohr 6 und betreibt die Turbine 8, in der die kinetische Energie des Wassers in elektrische Energie umgewandelt wird und dem Netzwerk zugeführt werden kann.
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Ventile und Ventilkappen 9 im Vorlaufrohr 6 haben die Aufgabe, unerwünschten Wasserein- bzw. auslauf zu verhindern. Außerdem ermöglichen die Ventile den Einlauf je nach Anforderung (Füllgrad der Staubecken, Speicherbedarf usw.) zu regeln.
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Das Rücklaufrohr 7 führt ebenfalls vom Oberwasserlaufbecken 3a zum Unterwasserbecken 4b und mündet in dem im Unterwasserbecken 4b gebildeten Einlaufbecken. Eine Leitung 7a führt vom Rücklaufrohr 7 zum Oberwasserbecken 3b.
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Im Rücklaufrohr 7 ist eine Pumpe 10 eingebaut mit der Flusswasser aus dem Unterwasserbecken 4b hin zum Oberwasserbecken 3a gepumpt werden kann, sobald aus dem Netz gelieferte Stromspitzen als potenzielle Energie des Wassers gespeichert werden sollen. Auch in dem Rücklaufrohr 7 sind Ventile und Verschlusskappen 9 installiert, um den Wasserstrom entsprechend regeln zu können. Durch die Leitung 7a ist es möglich, Wasser aus dem Oberwasserbecken 3b über die Pumpe 10 zu leiten um ebenfalls nach oben gepumpt als potenzielle Energie des Wassers gespeichert zu werden.
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Eine andere Anordnung des Pumpspeicherwerks ist in der 6 dargestellt. Hier wird das Gefälle des Flusses 1 zwischen den Staustufen 2a und 2b für den Betrieb des Pumpspeicherwerks genützt doch sind das Einlaufende des Vorlaufrohres 6 und das Auslaufende des Rücklaufrohres 7 im Unterwasserbecken 4a installiert. Die talwärts gelegenen Enden der beiden Rohre 6 und 7 münden im Oberwasserbecken 3b und/oder im Unterwasserbecken 4b. Man erkennt leicht, dass die in 1 gezeigte Anordnung den größeren Vorteil aufweist, dass das Oberwasserbecken 3a gleichsam als Stausee fungiert und damit die Möglichkeit eröffnet, entsprechend dem Bedarf auch höhere Strommengen an das Netz zu liefern. Bei der in 6 gezeigten Konstruktion wird das Wasser des Unterwasserbeckens 4a über die Turbine 8 geleitet um Srom zu erzeugen. Über die Pumpe 10 gelangt entsprechend der Menge des zugeführten Stromes Wasser in das Unterwasserbecken 4a, jedoch erst, wenn ein im Bereich des Unterwasserbeckens 4a angelegtes Einlaufbecken 4b, in dem das Wasser aus dem Rückflussrohr 7 aufgefangen wird überläuft. Dieses Überlaufbecken 4b ist allerdings sehr klein, es bedeutet keinen beachtlichen baulichen Eingriff.
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2 entspricht weitgehend 1, lediglich sind Vorlaufrohr 6 und Rücklaufrohr 7 zu einem einzigen Rohr 11 bzw. Rohrverbund vereinigt, in dem eine Vorrichtung 12 installiert ist, die sowohl als Turbine 8 als auch als Pumpe 10 arbeiten kann.
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3 zeigt die optimalste Anordnung des erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerks 5. Bei dieser Anlage wird das gesamte Gefälle „h” des Flusses 1 ausgenützt. Die Rohrleitung 11, beginnend mit der ersten, bereits im Flussoberlauf vorhandenen Staustufe 2a und erstreckt sich bis zur talabwärts im Bereich der Flussmündung befindlichen Staustufe 2d. Auch hier ist eine Rohrleitung 11 gezeigt, die Vorlaufrohr 6 und Rücklaufrohr 7 vereinigt und bei der eine Kombination von Turbine – Pumpeinrichtung 12 installiert ist. Das Arbeitsprinzip dieses Konstruktion stimmt mit den in 1 und 2 gezeigten Beispielen überein.
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4 zeigt in schematischer Darstellung den Einbau eines erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerks 5 bei einem sich durch die Landschaft schlängelnden Flusslauf 1. Hier ist die Rohrleitung 11 des Pumpspeicherwerks als kürzeste Verbindung zwischen den Staustufen 2a 2b geradlinig über Land verlegt. Diese Rohrleitung kann selbstverständlich für die Bewohner unsichtbar im Grund vergraben sein.
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5 zeigt ein Pumpspeicherwerk 5 in einem Fluss 1 entsprechend 4. In dem Fluss 1 befinden sich hier bereits 5 Staustufen 2a....2e. Um die Kapazität der Pumpleistung bei hohen zu speichernden Stromstärken zu erhöhen, sind Stichleitungen 13b bis 13e zu den Oberwasserbecken der einzelnen Staustufen 2a bis 2e geführt, um ausreichende Wassermengen für den Speichervorgang zur Verfügung stellen zu können. Im Gegenzug kann dann auch bei Bedarf hoher Strommengen das Wasser aus den verschiedenen Oberwasserbecken über die Turbine 12 geleitet werden. Auch hierfür sind entsprechende Ventil- und Verschlusskappen 9 installiert, um die Arbeitsvorgänge entsprechend dem Bedarf regeln zu können.
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Überdies ist darauf hinzuweisen, dass die in jeder Staustufe bereits vorliegende Infrastruktur wie Strombezug, Stromeinspeisung, Regler- und Messtechnik sowie Überwachung in die Tätigkeit des Pumpspeicherwerks einbeziehbar ist
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6 zeigt ein Pumpspeicherwerk 5, wobei hier Wasserentnahme und Wasserspeicherung im Unterwasserbecken 4a der obersten Staustufe stattfindet.
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Abschließend ist zusammenfassend darauf hinzuweisen, dass aus dem beschriebenen Einbau des erfindungsgemäßen Pumpspeicherwerks und der sich daraus ergebenden Arbeitsweise keine einzige Veränderung der bereits bisher schon vorhandenen Umgebung des Flusslaufes erwächst und dennoch der große Vorteil erreicht wird, dass der Fluss entsprechend seinem natürlichen Gefälle nicht ungenützt bis zur seiner Mündung fließt, sondern für die dringend erforderliche Speicherung elektrischen Stromes herangezogen werden kann, ohne dass eine Veränderung der Landschaft oder eine Beschädigung des Ökosystems der Umwelt befürchtet werden müsste. Durch die Erfindung ist somit eine Lösung des heute anstehenden großen Problems der Stromspeicherung gefunden, gegen das weder die Bevölkerung noch Naturschutz- und Landschaftspfleger Argumente geltend machen könnten.
