DE202022101855U1

DE202022101855U1 - Pumpspeicherwerk und Pumpspeicher-Wasserkraftanlage

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Publication number: DE202022101855U1
Application number: DE202022101855.3U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: SCHWARTZ, ROLF-JOSEF, DE
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2023-07-10
Anticipated expiration: 2032-04-07

Abstract

Pumpspeicherwerk (1, 13), bestehend aus einer Mehrzahl von Stahlbetonbecken (3, 4), Leitungen (2), Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlbetonbecken (3, 4) auf dem Boden einer gefluteten Grube (5), bevorzugt in einem stillgelegten Tagebau oder einem stillgelegten Steinbruch, stehen, wobei das Pumpspeicherwerk (1, 13) strömungstechnisch von der gefluteten Grube (5) entkoppelt ist.

Description

Tageszeitlich und saisonal bedingte Schwankungen erneuerbarer Energien verursachen bei fehlenden Energiespeichern eine Überproduktion von jährlich einigen Milliarden Kilowattstunden in Deutschland. Um die überschüssige elektrische Energie zu einem späteren Zeitpunkt wieder nutzbar zu machen, wird sie bislang beispielsweise in Form potenzieller Energie in den Oberbecken von Pumpspeicherwerken gespeichert. Diese stehen in Deutschland nur in begrenztem Maße zur Verfügung (Stand 2021 9,4 GW (https://transparencv.entsoe.eu/)), weshalb ein Großteil des Ökostroms kostenlos bis kostenpflichtig ans Ausland abgegeben oder entsorgt wird.
Besonders schnelle Ein- und Umschaltzeiten und Frequenzstabilisierung machen Pumpspeicherwerke trotz der nicht günstigen geografischen Bedingungen in Deutschland zum dominierenden Faktor beim Abdecken der Spitzenleistung. Die Erzeugungsleistung steht bei Bedarf in der Regel innerhalb von Minuten zur Verfügung.
Ein Pumpspeicherwerk besteht aus mindestens zwei Speicherbecken, wobei zwischen den Speicherbecken im Allgemeinen eine Höhendifferenz liegt, Leitungen mit darin befindlichen Pumpen und Turbinen und mindestens einem damit verbundenen Motor beziehungsweise Generator und Transformatoren. Ein Pumpspeicherwerk weist zwei Betriebsmodi auf: Im Pumpbetrieb wird bei herkömmlichen Pumpspeicherwerken unter Einsatz des überschüssigen Stroms Wasser von einem Speicherbecken in ein darüber liegendes Speicherbecken gepumpt. Im Generatorbetrieb wird zur Abdeckung eines hohen Leistungsbedarfs Strom erzeugt, indem Wasser aus einem Speicherbecken in ein darunter liegendes Speicherbecken fällt und dabei durch die mit einem Generator verbundenen Turbinen fließt.
Eine alternative Form eines Pumpspeicherwerks, wie sie in WO 2021 005 016 A1 und DE 10 2020 111 844 A1 gezeigt sind, verwenden hohle Betonkugeln oder Betonkavernen auf dem Grund eines Sees als unteres Wasserreservoir. Der Wasserdruck, der auf den Hohlkörpern lastet, sorgt für einen Wasservolumenstrom bei geöffnetem Ventil, sodass im Pumpbetrieb die Hohlkörper leer gepumpt werden und im Generatorbetrieb Wasser von dem See beziehungsweise von der gefluteten Bodenvertiefung, in der die Betonkugeln und Betonkavernen befindlich sind, in die Hohlkörper fließt, wobei durch den Wasservolumenstrom eine Turbine angetrieben wird. Das Problem ist hierbei, dass für eine große Energiespeicherung eine große Menge an Wasser aus dem darüber angeordneten See genutzt wird, also die Kavernen eine gewisse Größe aufweisen müssen. Das hierbei verwendete Wasser würde für einen Tidenhub von einigen Metern sorgen, wodurch die Etablierung von Fisch- und Wasserpflanzenbeständen sowie Wassersport erschwert würde.
Eine weitere alternative Form eines Pumpspeicherwerks, wie sie in DE 10 2014 000 811 A1 gezeigt ist, teilt eine Tagebaugrube in zwei Hälften und pumpt Wasser aus einer Hälfte der Grube in die andere Hälfte, bis sämtliches Wasser in die zweite Hälfte gepumpt wurde. Im Generatorbetrieb sorgt der durch die unterschiedlichen Wasserstände bedingte Druckunterschied in den zwei Becken für einen Wasservolumenstrom, bis der Wasserstand in beiden Becken ausgeglichen ist. Das Gebot der Rekultivierung wird mit dieser Anordnung nicht gelöst, da zu jedem Zeitpunkt ein Teil der Betonflächen frei liegt. Auch wird die Anforderung der Renaturierung nicht erfüllt. Es können sich keine Fisch- und Wasserpflanzenbestände etablieren und eine Verwendung der Tagebaugrube zur Freizeitgestaltung für Wassersportaktivitäten oder ähnliches ist ebenfalls ausgeschlossen. Darüber hinaus muss die Trennmauer statisch in der Lage sein, dem entstandenen Wasserdruck von beiden Seiten Stand zu halten. Da sie nicht in der üblicherweise gewölbten Form auszuführen wäre, müsste sie gerade im Fußbereich sehr massiv werden, was große Mengen klimaschädlichen Zements erfordert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Pumpspeicherwerk, das geeignet ist, eine hohe Menge an Energie zu speichern und den Geboten der Renaturierung und Rekultivierung Rechnung zu tragen und eine Pumpspeicher-Wasserkraftanlage, die die Flächennutzung einer zur Energiespeicherung freigegebenen Fläche erhöht, bereitzustellen, wobei beim Errichten ein geringerer CO2-Fußabdruck verursacht werden soll.
Gelöst werden diese Aufgaben gemäß dem Pumpspeicherwerk nach Anspruch 1 und der Pumpspeicher-Wasserkraftanlage nach Anspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen eines Pumpspeicherwerks werden durch die Unteransprüche dargestellt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Pumpspeicherwerk gelöst, das aus einer Mehrzahl von Stahlbetonbecken, Leitungen, Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen besteht, wobei die Stahlbetonbecken auf dem Boden einer gefluteten Grube, bevorzugt in einem stillgelegten Tagebau oder einem stillgelegten Steinbruch/Kiesgrube, stehen und das Pumpspeicherwerk strömungstechnisch von der gefluteten Grube entkoppelt ist.
Das vorgestellte Pumpspeicherwerk weist zwei Betriebsmodi auf und ist hier der Einfachheit halber auf seinen Kern aus mehreren Stahlbetonbecken, die über Leitungen mit darin befindlichen Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen verbunden sind, reduziert. Dadurch, dass das vorgeschlagene Pumpspeicherwerk eine Mehrzahl von Stahlbetonbecken auf dem Boden einer gefluteten Grube aufweist, wird bedingt, dass das Pumpspeicherwerk die Wassermassen zwischen seinen auf gleicher Höhe angeordneten Stahlbetonbecken bewegen muss. Im entladenen Zustand, das heißt, es ist keine Energie im Pumpspeicherwerk gespeichert, sind die Wasserstände in allen Stahlbetonbecken auf gleicher Höhe. Um Energie im Pumpspeicherwerk zu speichern, wird Wasser aus einem ersten Stahlbetonbecken mithilfe der Pumpen und/oder Pumpturbinen von einem ersten Stahlbetonbecken in ein benachbartes zweites Stahlbetonbecken im Pumpbetriebsmodus gepumpt, sodass sich eine Höhendifferenz zwischen den Wasserständen zweier benachbarter Stahlbetonbecken ergibt. Die Höhendifferenz des Wasserstands ist ursächlich für einen Druckunterschied in den Stahlbetonbecken, sodass in einem Generatorbetriebsmodus Wasser aus dem Stahlbetonbecken mit dem höheren Wasserstand in das Stahlbetonbecken mit dem niedrigeren Wasserstand fließt und dabei eine Turbine und/oder Pumpturbine antreibt, bis der Wasserstand in allen Stahlbetonbecken wieder auf gleicher Höhe ist und das Pumpspeicherwerk entladen ist.
Dass das Pumpspeicherwerk strömungstechnisch von der gefluteten Grube entkoppelt ist, bedeutet, dass es zumindest in keiner dauerhaften Fluidverbindung zu der gefluteten Grube stehen muss und somit im Normalbetrieb kein Austausch von Wasser zwischen dem Pumpspeicherwerk und der gefluteten Grube notwendig ist. Dafür ist es vorteilhaft, wenn die Stahlbetonbecken mit einem Stahlbetondeckel abgedichtet sind.
Bei der Grube muss es sich nicht unbedingt um einen stillgelegten Tagebau oder Steinbruch handeln. Jegliche Bodenvertiefungen kommen für das hier vorgestellte Pumpspeicherwerk in Frage, sofern sie geeignet sind, die durch das Pumpspeicherwerk ausgeübte Bodenpressung aufzunehmen. Da vor Öffnung der Grube Erdreich mit einer spezifischen Dichte von ca. 2to/m³ belastet wurde, kann davon ausgegangen werden, dass eine Wasserlast von max. 1to/m³ mit genügender Sicherheit von den Grubenwänden zu tragen ist. Die Einbeziehung von stillgelegten Tagebaugruben bietet den Vorteil, dass die nötige elektrische Infrastruktur in solchen die Tagebauflächen umgebenden Gegenden meist vorhanden ist.
Dadurch, dass das Pumpspeicherwerk auf dem Boden einer gefluteten Grube steht und strömungstechnisch von der gefluteten Grube entkoppelt ist, ergibt sich der Vorteil, dass das Pumpspeicherwerk nicht den Wasserstand des in der gefluteten Grube befindlichen Wassers variiert. Unabhängig von der Größe des Pumpspeicherwerks würde kein Tidenhub resultieren, sodass eine beständige Uferlinie entstehen kann. Dies ermöglicht die Einhaltung des Gebots der Rekultivierung und ermöglicht eine echte Renaturierung, sowie die Nutzung der gefluteten Grube zur Freizeitgestaltung, wie beispielsweise für Wassersportaktivitäten. Keine offen liegenden Betonflächen wären sichtbar und die Aktivitäten des Pumpspeicherwerks hätten keine oder zumindest vernachlässigbar kleine Auswirkungen auf den Wasserstand der gefluteten Grube. Außerdem besteht die Möglichkeit den Wasserspiegel so niedrig zu halten, dass sich Fischbestände generieren können und Unterwasserpflanzen genügend Licht für die Photosynthese erhalten. Dies trägt beträchtlich zur CO2 Absorption aus der Atmosphäre bei. Außerdem wird durch die Anordnung in einer Grube ermöglicht, auf eine hydrostatische Tragmauer zu verzichten, da die Stahlbetonbecken zusätzlich durch die Grubenwand stabilisiert werden können. Bevorzugterweise wird die Stabilität der Wände der Stahlbetonbecken mittels Steinschüttung weiter erhöht. Dadurch beschränken sich die Betonarbeiten weitgehend auf die Abdichtung der Stahlbetonbecken, wodurch große Mengen Stahl, Beton und Arbeit eingespart werden und somit der CO2-Fußabdruck beim Bau des Pumpspeicherwerks reduziert wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Stahlbetonbecken kreisrund und konzentrisch angeordnet sind und Stabilisatorrippen aufweisen, wobei die Stabilisatorrippen Durchlässe aufweisen, die die entstehenden hydraulischen Kräfte in die tragfähige Grubenwand einleiten, und sich die Leitungen mit Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen jeweils zwischen einem ersten Stahlbetonbecken und einem benachbarten Stahlbetonbecken befinden. Die Leitungen können beispielsweise nahe des Bodens der Stahlbetonbecken angeordnet sein. Es kann von Vorteil sein, zusätzlich Leitungen in größerer Höhe anzuordnen und alle Leitungen mit gleichem Durchmesser auszubilden. Eine kreisrunde Ausbildung der Stahlbetonbecken ermöglicht, die Wände als gekrümmte Bogenmauern auszubilden, wodurch die Stabilität der Anlage erhöht wird und die Stahlbetonbecken in der Lage sind, große Wassermengen aufzunehmen. Eine konzentrische Anordnung der Stahlbetonbecken bietet den zusätzlichen Vorteil, dass das Pumpspeicherwerk verhältnismäßig platzsparend gebaut werden kann, da die Stahlbetonbecken einander umschließen, wodurch sie im teilgefüllten Zustand einander zusätzlich Halt geben. Die Verwendung von Stabilisatorrippen erhöht die Stabilität und verringert den Materialbedarf der Anlage weiter. Die Stabilisatorrippen verlaufen vorzugsweise von der Mitte des innersten Stahlbetonbeckens radial nach außen und können äquidistant verteilt sein. Dadurch, dass die Stabilisatorrippen Durchlässe aufweisen, wird ein gleichmäßiger Druckkrafteintrag in die Grubenwände gewährleistet. Mittels der Stabilisatorrippen wird der Druckkrafteintrag in die Grubenwand eingeleitet. Die Leitungen mit Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen sind in der kreisrunden Wand des inneren Stahlbetonbeckens, also zwischen einem inneren und einem äußeren Becken, angeordnet und verbinden jeweils ein Stahlbetonbecken mit dem oder den benachbarten Stahlbetonbecken. Somit kann die Anzahl der für den Pumpbetrieb aktiven Pumpen und/oder Pumpturbinen variiert und an die jeweils aktuelle überschüssige Leistung beziehungsweise Druckhöhe angepasst werden. Es ist bevorzugt, dass die Wassermassen zum Speichern von Energie von dem inneren Stahlbetonbecken in das äußere Stahlbetonbecken bewegt werden. Bei dieser Art des Betriebs wird die Stabilität der Anordnung erhöht. Je nach statischer Auslegung kann es jedoch auch von Vorteil sein, die Wassermassen beim Speichern von Energie von dem äußeren Stahlbetonbecken in das innere Stahlbetonbecken zu pumpen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Volumina der Stahlbetonbecken des Pumpspeicherwerks identisch und die Stahlbetonbecken haben eine gemeinsame Höhe. Bevorzugterweise sind die Stahlbetonbecken im entladenen Zustand bis zur Hälfte gefüllt. Das bietet den Vorteil, dass jedes Stahlbetonbecken in der Lage ist, das gesamte Wasser, das auf das Stahlbetonbecken sowie das mit ihm verbundene benachbarte Stahlbetonbecken verteilt ist, aufzunehmen. Durch diese Anordnung ergibt sich die maximal erreichbare Druckdifferenz zwischen zwei Stahlbetonbecken, sodass beim Entladen die höchste verfügbare Leistung abgegeben werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Pumpspeicherwerk genau zwei Stahlbetonbecken und die Leitungen zwischen dem inneren Stahlbetonbecken und dem äußeren Stahlbetonbecken einen Durchmesser von 10m auf, wobei die Leitungen zweckmäßigerweise äquidistant über den Umfang der Trennwand zwischen den beiden Stahlbetonbecken verteilt sind, wobei der Durchmesser des äußeren Stahlbetonbeckens 2km und die Höhe der Wände der Stahlbetonbecken 500m beträgt. Bei dieser Kombination von Geometrien ergibt sich eine vorteilhafte Ausführung, bei der das beispielhaft so dimensionierte Pumpspeicherwerk geeignet ist, eine Energie von E = 260GWh zu speichern und eine für diese Dimensionierung maximale Leistung von P = 1500 MW zu liefern. Bei 52 Zyklen pro Jahr entspricht das einer Leistung von 13,5 TWh/a. Es sind jedoch auch andere Ausbildungsformen und Dimensionen als das hiergenannte Beispiel möglich. Je nach Bauart des Pumpspeicherwerks, Anzahl der Stahlbetonbecken, geforderter Leistung und Anzahl der eingesetzten Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen können die optimalen Größen variieren.
Mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Pumpspeicher-Wasserkraftanlage bereitgestellt, die aus mehreren Pumpspeicherwerken der vorbeschriebenen Art in einer gemeinsamen gefluteten Grube, vorzugsweise in einem stillgelegten Tagebau oder einem stillgelegten Steinbruch, besteht und dadurch die Flächennutzung der gefluteten Grube erhöht. Eine Pumpspeicher-Wasserkraftanlage ermöglicht durch seine Mehrfachanordnung zum einen eine bessere Nutzung einer beispielsweise länglichen Grube, wie es im Tagebau Hambach der Fall ist, und zum anderen eine Redundanz für die Dauer von Wartungsarbeiten. Somit fällt für Wartungsarbeiten an einem zu einer Pumpspeicherwerk-Wasserkraftanlage gehörenden Pumpspeicherwerk nicht die gesamte Wasserkraftanlage aus und es kann weiterhin überschüssige Energie gespeichert werden.
Unter Pumpspeicher-Wasserkraftanlage wird hier ein Zusammenschluss von Pumpspeicherwerken, wie sie zuvor beschrieben wurden, verstanden. Das heißt die Pumpspeicherwerke weisen im Kern eine Mehrzahl von Stahlbetonbecken, Leitungen, Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen auf, wobei die Mehrzahl von Stahlbetonbecken auf dem Boden einer gefluteten Grube auf gleicher Höhe angeordnet sind, strömungstechnisch von dem Wasser der gefluteten Grube entkoppelt sind und funktionieren so, dass im entladenen Zustand die Wasserstände in allen Stahlbetonbecken auf gleicher Höhe sind, und um Energie zu speichern, im Pumpbetriebsmodus Wasser aus einem ersten Stahlbetonbecken mithilfe der Pumpen und/oder Pumpturbinen von einem ersten Stahlbetonbecken in ein benachbartes zweites Stahlbetonbecken gepumpt wird, sodass sich eine Höhendifferenz zwischen den Wasserständen zweier benachbarter Stahlbetonbecken ergibt, und in einem Generatorbetriebsmodus Wasser aus dem Stahlbetonbecken mit dem höheren Wasserstand in das Stahlbetonbecken mit dem niedrigeren Wasserstand fließt und dabei eine Turbine und/oder Pumpturbine antreibt, bis der Wasserstand in allen Stahlbetonbecken wieder auf gleicher Höhe ist und das Pumpspeicherwerk entladen ist. Der Wasseraustausch findet hier nur zwischen Stahlbetonbecken eines Pumpspeicherwerks statt, nicht jedoch zwischen zwei zu einer Pumpspeicher-Wasserkraftanlage zählenden Pumpspeicherwerken oder mit dem Wasser der gefluteten Grube.
Es ist besonders vorteilhaft, die Stahlbetonbecken der verschiedenen Pumpspeicherwerke an die Größe der gefluteten Grube, in der sie befindlich sind, anzupassen. So kann ein Pumpspeicherwerk beispielsweise so groß wie möglich dimensioniert sein, während ein weiteres Pumpspeicherwerk so dimensioniert ist, dass es dem verbleibenden Platz in der Grube Rechnung trägt. Es kann jedoch auch von Vorteil sein, zwei identisch dimensionierte Pumpspeicherwerke zu einer Pumpspeicher-Wasserkraftanlage zusammenzuschließen. Diese Ausbildung ist gerade mit Blick auf potenzielle Wartungsarbeiten sinnvoll, da bei einem Ausfall so im Mittel die höchste Leistung weiterhin abgerufen werden kann. Insgesamt kann mit der vorgestellten Pumpspeicher-Wasserkraftanlage die Fläche der gefluteten Grube optimal genutzt werden.
Dass in einem Pumpbetrieb zur Energiespeicherung das Wasser von einem inneren Stahlbetonbecken in das nächstäußere Stahlbetonbecken oder von einem äußeren Stahlbetonbecken in ein nächstinneres Stahlbetonbecken gepumpt wird, sodass sich eine Höhendifferenz zwischen den Wasserständen zweier benachbarter Stahlbetonbecken ergibt, und dass in einem Generatorbetrieb aufgrund eines durch eine Höhendifferenz verursachten Druckunterschieds zwischen den benachbarten Stahlbetonbecken ein Wasservolumenstrom von dem Stahlbetonbecken mit dem höheren Wasserstand zu dem Stahlbetonbecken mit dem niedrigeren Wasserstand erzeugt wird, der die Turbinen und/oder Pumpturbinen antreibt, bietet den Vorteil, dass das Pumpspeicherwerk beziehungsweise die Pumpspeicher-Wasserkraftanlage in Betrieb genommen, getestet und zur Energiespeicherung eingesetzt werden kann, unabhängig von dem Fortschritt des restlichen Tagebaus beziehungsweise des restlichen Steinbruchs, sofern die Grubenwand, an die die Druckkräfte geleitet werden, diesen Druckkräften standhalten kann. Die Verwendung von Stabilisatorrippen unterstützt die Einleitung der Druckkräfte in die Grubenwand. Dass die Stabilisatorrippen Durchlässe aufweisen bietet den Vorteil, dass ein gleichmäßiger Wasserspiegelanstieg beziehungsweise eine gleichmäßige Senkung des Wasserstands in den Stahlbetonbecken bewirkt wird, wodurch die Stabilität des Pumpspeicherwerks beziehungsweise der Pumpspeicher-Wasserkraftanlage vorteilhaft beeinflusst wird.
Die Stahlbetonbecken können mit einem Stahlbetondeckel verschlossen und die Außenwand der Stahlbetonbecken mittels Steinschüttung gegen die bereits vorhandene Grubenwand gestützt werden. Die Abstützung der Außenwand der Stahlbetonbecken des Pumpspeicherwerks beziehungsweise eines Pumpspeicherwerks der Pumpspeicher-Wasserkraftanlage gegen die vorhandene Grubenwand ermöglicht die Verteilung der auf die Außenwände wirkenden Kräfte. Dadurch kann eine sonst benötigte hydrostatische Tragmauer wegfallen. Die hydrostatischen Kräfte werden direkt in die bereits vorhandene Grubenwand eingeleitet. Die Betonarbeiten beschränken sich bei dieser Ausführung größtenteils auf die Abdichtung und den gleichmäßigen Druckkrafteintrag in die Grubenwände. Somit können große Mengen Stahl, Beton und Arbeit, und dadurch auch CO2-Emissionen eingespart werden. Die Abdeckung der Stahlbetonbecken mit einem Stahlbetondeckel bietet den Vorteil, die Stahlbetondeckel dicht gegenüber der Umgebung sind und das Pumpspeicherwerk beziehungsweise die Pumpspeicher-Wasserkraftanlage vor Außeneinwirkungen geschützt sind und ein Hineingelangen von Fremdkörpern in die Stahlbetonbecken verhindert wird. Dies reduziert auch die Häufigkeit zukünftiger Wartungsarbeiten.
Die Tagebaugrube beziehungsweise der Steinbruch wird nach ihrer oder seiner Stilllegung geflutet, sodass das Pumpspeicherwerk beziehungsweise das Pumpspeicher-Wasserkraftwerk vollständig mit Wasser bedeckt wird. Dies bietet zum einen den Vorteil, dass ein Blick auf die Betonflächen des Pumpspeicherwerks beziehungsweise der Pumpspeicherwerke der Pumpspeicher-Wasserkraftanlage verhindert wird, sodass das Gebot der Rekultivierung eingehalten wird, und zum anderen wird die finale Wasser- und Steinschüttungsmenge für die Rekultivierung der Grube des Tagebaus beziehungsweise des Steinbruchs deutlich reduziert. Außerdem wird mit diesem Verfahren eine echte Renaturierung ermöglicht, da das Pumpspeicherwerk beziehungsweise die Pumpspeicher-Wasserkraftanlage für seinen Betrieb strömungstechnisch entkoppelt von dem in die Grube geleiteten Wasser arbeitet und somit keine Variierung des Wasserstands entsteht. Mit dem vorgestellten Verfahren können mit den zuvor vorgeschlagenen Dimensionen etwa 1,6 km³ Stein-/Erdschüttung sowie 0,8 km³ Füllwasser pro Becken eingespart werden. Insbesondere bei Steinbrüchen kann das Verfahren vorteilhaft eingesetzt werden, da man durch den harten Untergrund bereits von stabilen Verhältnissen ausgehen kann, während die Braunkohlegruben mit großer Wahrscheinlichkeit gegen ein Nachsacken beispielsweise durch verdichteten Schotter gesichert werden müssen.
Zusätzlich zur Steinschüttung wird zur Stabilisation des Pumpspeicherwerks beziehungsweise der Pumpspeicherwerke der Pumpspeicher-Wasserkraftanlage der beim Tagebau oder beim Abbau des Steinbruchs entstandene Abraum genutzt, um die Grube bis zur Höhe des Stahlbetondeckels aufzufüllen. Dadurch entsteht der Vorteil, dass die für die Renaturierung erforderlichen Wassermassen weiter reduziert werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, den Wasserstand oberhalb des Deckels des Pumpspeicherwerks beziehungsweise oberhalb der Deckel der Pumpspeicherwerke der Pumpspeicher-Wasserkraftanlage so niedrig zu halten, dass sich Fischbestände generieren können und Unterwasserpflanzen genügend Licht für die Photosynthese erhalten. Dies trägt weiter zur CO2-Absorption bei.
Die Anzahl und Verschaltung der aktiven Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen kann in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Leistung und des Druckunterschieds beziehungsweise der Höhendifferenz des Wasserstands zwischen einem Stahlbetonbecken und einem benachbarten Stahlbetonbecken angepasst werden. So kann es vorteilhaft sein, die Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen über Ventile mehrstufig parallel bei niedriger und in Reihe bei höchstem Füllstand mit Ventilen zu schalten. Damit wird die Flexibilität und Einsetzbarkeit des Pumpspeicherwerks beziehungsweise der Pumpspeicher-Wasserkraftanlage weiter erhöht.
Zur näheren Betrachtung von Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden die für die Beschreibung der Beispiele erforderlichen Figuren kurz vorgestellt. Dabei zeigen

1a ein Pumpspeicherwerk mit kreisrunden konzentrisch angeordneten Stahlbetonbecken;
1b den Querschnitt einer Wand eines Stahlbetonbeckens;
2 eine Pumpspeicher-Wasserkraftanlage bestehend aus zwei Pumpspeicherwerken;
3 einen Querschnitt einer Pumpspeicher-Wasserkraftanlage in einer gefluteten Grube;
4a eine erste Konfiguration von Pumpturbinen;
4b eine zweite Konfiguration von Pumpturbinen;
4c eine dritte Konfiguration von Pumpturbinen.

1a zeigt eine mögliche Ausgestaltung eines Pumpspeicherwerks (1) gemäß der Erfindung, bestehend aus mehreren Stahlbetonbecken (3, 4) mit Leitungen (2) mit darin befindlichen Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen. Die Stahlbetonbecken (3, 4) stehen konzentrisch angeordnet auf gleicher Höhe auf dem Boden einer Grube (5). Die Stabilisatorrippen (6) weisen Durchlässe (7, 8) auf und verlaufen äquidistant radial nach außen bis zur Betonwand des äußersten Stahlbetonbeckens (4). In der vorliegenden Anordnung des Pumpspeicherwerks (1) sind die Radien der Stahlbetonbecken (3, 4) so gewählt, dass die Volumina aller Stahlbetonbecken (3, 4) identisch sind. Die Stahlbetonbecken (3, 4) weisen eine gemeinsame Höhe (9) von beispielsweise 500m auf. Dadurch können die Stahlbetonbecken (3, 4) leichter mit einem hier nicht gezeigten Stahlbetondeckel (17) abgedichtet werden.
Der in 1b gezeigte Querschnitt einer Außenwand eines inneren Stahlbetonbeckens (3) und der gezeigte Teil des teilgefüllten inneren Stahlbetonbeckens (3) und der Teil des äußeren teilgefüllten Stahlbetonbeckens (4) dient zur Erklärung des Verfahrens zur Nutzung des Pumpspeicherwerks (1). Das innere Stahlbetonbecken (3) und das äußere Stahlbetonbecken (4) sind über die Leitung (2), die sich in der Trennwand zwischen dem inneren (3) und dem äußeren Stahlbetonbecken (4) befindet, mit darin befindlichen Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen verbunden. Zum Speichern von überschüssiger elektrischer Energie wird in einem Pumpbetrieb Wasser (14) von dem inneren Stahlbetonbecken (3) in das äußere Stahlbetonbecken (4) gepumpt, sodass sich der Wasserstand im äußeren Stahlbetonbecken hebt und sich eine Höhendifferenz zwischen den Wasserständen im inneren Stahlbetonbecken (3) und im äußeren Stahlbetonbecken (4) ergibt. Der hydrostatische Druck im äußeren Stahlbetonbecken (4) wird auf die Wand des inneren Stahlbetonbeckens (3) und auf die Außenwand des äußeren Stahlbetonbeckens (4) verteilt. Das äußere Stahlbetonbecken (4) ist, wie in 1a gezeigt, über Steinschüttung (18) gesichert und darüber mit der Wand (19) der Grube (5) verbunden, sodass die äußere Stahlbetonwand mit Verzicht auf eine hydrostatische Tragmauer gebaut werden kann. Der Durchmesser (10) der Leitung (2) beträgt in diesem Beispiel 10m, der Durchmesser (11) des äußeren kreisrunden Stahlbetonbeckens (4) 2km.
2 zeigt eine Pumpspeicher-Wasserkraftanlage (12) bestehend aus zwei Pumpspeicherwerken (1, 13), die hier identisch dimensioniert sind. Die Pumpspeicherwerke (1, 13) bestehen aus mehreren Stahlbetonbecken (3, 4) mit Leitungen (2) mit darin befindlichen Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen. Die Stahlbetonbecken (3, 4) stehen konzentrisch angeordnet auf gleicher Höhe auf dem Boden einer Grube (5), in der die Pumpspeicherwerke (1, 13) befindlich sind. Die Stabilisatorrippen (6) weisen Durchlässe (7, 8) auf und verlaufen äquidistant verteilt radial nach außen bis zur Stahlbetonwand des äußersten Stahlbetonbeckens (4) eines jeweiligen Pumpspeicherwerks (1, 13). Die Stabilisatorrippen (6) dienen ausschließlich zur Druckkraftübertragung, um den Wasserdruck des inneren zylindrischen Beckens zur Grubenwand (19) zu leiten. Die Anzahl und Größe der Durchlässe (7, 8) in den Stabilisatorrippen (6) kann variieren, sofern dadurch die Stabilität der Stabilisatorrippen (6) nicht negativ beeinflusst wird. In der vorliegenden Anordnung des Pumpspeicherwerks (1) sind die Radien der Stahlbetonbecken (3, 4) so gewählt, dass das Volumen des inneren Stahlbetonbeckens (3) dem Volumen des äußeren Stahlbetonbeckens (4) entspricht. Die Stahlbetonbecken (3, 4) beider Pumpspeicherwerke (1, 13) weisen eine gemeinsame Höhe (9) von beispielsweise 500m auf. Dadurch können die Stahlbetonbecken (3, 4) leichter mit hier nicht gezeigten Stahlbetondeckeln (17) abgedichtet werden. Die identische Ausgestaltung beider Pumpspeicherwerke (1, 13) bietet eine Redundanz, sodass im Fall von Wartungsarbeiten nie mehr als die Hälfte der Gesamtleistung der Pumpspeicher-Wasserkraftanlage (12) ausfällt. Die inneren Stahlbetonbecken (7) und die äußeren Stahlbetonbecken (8) eines Pumpspeicherwerks (1, 13) sind über Leitungen (2) mit darin befindlichen Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen verbunden. Zum Speichern von überschüssiger elektrischer Energie wird in einem Pumpbetrieb Wasser (14) von einem inneren Stahlbetonbecken (3) in ein äußeres Stahlbetonbecken (4) gepumpt, sodass sich der Wasserstand im äußeren Stahlbetonbecken (4) hebt und sich eine Höhendifferenz zwischen den Wasserständen im inneren Stahlbetonbecken (3) und äußeren Stahlbetonbecken (4) ergibt. Der hydrostatische Druck im äußeren Stahlbetonbecken (4) wird auf die Wand des inneren Stahlbetonbeckens (3) und auf die Außenwand des äußeren Stahlbetonbeckens (4) verteilt. Die äußeren Stahlbetonbecken (4) sind über Steinschüttung gesichert und darüber mit der Wand der Grube (5) verbunden, sodass die äußere Stahlbetonwand mit Verzicht auf eine hydrostatische Tragmauer gebaut werden kann. Der Durchmesser (10) der Leitung (2) beträgt hier 10m, der Durchmesser (11) des äußeren kreisrunden Stahlbetonbeckens (4) 2km.
3 zeigt einen Querschnitt durch die Pumpspeicher-Wasserkraftanlage (12) in einer gefluteten Grube (5). Die Pumpspeicherwerke (1, 13) sind in unterschiedlichen Ladezuständen. Das linke Pumpspeicherwerk (1) ist in Gänze aufgeladen, sodass sich eine Höhendifferenz zwischen einem ersten Wasserstand (15) im äußeren Stahlbetonbecken (4) und einem zweiten Wasserstand (16) im inneren Stahlbetonbecken (3) ergibt. Das rechte Pumpspeicherwerk (13) ist komplett entladen. Vorzugsweise entspricht der Wasserstand (15) im äußeren Stahlbetonbecken (4) des linken Pumpspeicherwerks (1) 500m und der Wasserstand (16) im inneren Stahlbetonbecken (3) 0m. Es kann jedoch je nach Anwendungsfall vorteilhaft sein, wenn im geladenen Zustand der Wasserstand (16) im inneren Stahlbetonbecken (3) 500m und der Wasserstand (15) im äußeren Stahlbetonbecken (4) 0m beträgt.
Die Energiemenge, die in jedem der Pumpspeicherwerke (1, 13) der vorgeschlagenen Pumpspeicher-Wasserkraftanlage (12) gespeichert werden kann, setzt sich ausgehend von der Formel für Potenzielle Energie einer ruhenden Wassersäule zusammen. Die Potenzielle Energie im entladenen Zustand, wenn der Wasserstand in allen Stahlbetonbecken (3, 4) gleich ist, berechnet sich gemäß E_Pot = ½ m × g × h. Die Gesamtmenge an Wasser (14), die sich in jedem Pumpspeicherwerk (1, 13) befindet, berechnet sich zu m₁ = ρ × π × r² × h₁, mit ρ = 1000kg/m³, h₁ = 250m und r = d/2 = 1000m zu m₁ = 7,8 × 10¹¹ kg aufgeteilt auf beide Stahlbetonbecken (3, 4), wie im rechten Pumpspeicherwerk (13) gezeigt. Demnach ist im entladenen Pumpspeicherwerk (13) eine nicht nutzbare potenzielle Energie von E_Pot,1 = ½ m₁ × g × h₁ gespeichert. Die potenzielle Energie, die im äußeren Becken (4) des linken Pumpspeicherwerks (1) gespeichert ist, wird gemäß E_Pot,2 = ½ m₁ × g × h₂, mit h₂ = 2 h₁ = 500m berechnet. Die gesamte nutz- und speicherbare Energie eines Pumpspeicherwerks (1, 13) mit den vorgeschlagenen Dimensionen beträgt also ΔE_Pot = E_Pot,2 - E_Pot,1 = ½ m₁ × g × h₁ = 9,56 × 10¹⁴ Ws = 265,69 GWh. Insgesamt wird somit eine Pumpspeicher-Wasserkraftanlage (12) bereitgestellt, die in der Lage ist, eine Energie von rund 530 GWh zwischenzuspeichern. Bei Verwendung von beispielsweise 100 Turbinen und/oder Pumpturbinen zu je 15MW würde ein Pumpspeicherwerk (1, 13) jeweils 168 Stunden, also eine Woche lang, Energie liefern. Bei gleich langen Lade- und Entladezyklen wären demnach 26 Zyklen pro Jahr möglich. Die Pumpspeicher-Wasserkraftanlage (12) wäre demnach in der Lage eine Leistung von 30 TWh/a zu liefern. Bei der Wahl der Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen muss berücksichtigt werden, dass der Wasserdruck in den Stahlbetonbecken (3, 4) zwischen 50bar bei voller Ladung und 1bar bei vollständiger Entladung variiert. Die Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen können beispielsweise mehrstufig parallel bei niedriger und in Reihe bei höchstem Füllstand mit Ventilen schaltbar sein.
In 4a bis 4c sind drei exemplarische Konfigurationen von Verschaltungen von Pumpturbinen (21) in den Leitungen (2) eines Pumpspeicherwerks (1) gezeigt. Mittels der Ventile (22) lässt sich die Anzahl der Pumpturbinen (21), die das Wasser zwischen dem inneren Stahlbetonbecken (3) und dem äußeren Stahlbetonbecken (4) durchfließt, so verändern, dass entweder der Volumenstrom oder der Druck maximiert wird. Bei der in 4a gezeigten Konfiguration, bei der das Wasser durch den Eingang (23) von einem Stahlbetonbecken (3, 4) der Reihe nach durch alle jeweils zu einem Generator/Motor (20) verbundenen, gezeigten Pumpturbinen (21) zum Ausgang (24) geführt wird, ist der Druck maximal. Diese Konfiguration wird beispielsweise bei großen Unterschieden zwischen den Wasserständen der benachbarten Stahlbetonbecken (3, 4) verwendet. In diesem Fall ist der Volumenstrom am geringsten. In 4c ist eine Konfiguration gezeigt, bei der das Wasser parallel durch alle Pumpturbinen (21) gleichzeitig fließt. Diese Konfiguration ermöglicht den höchsten Volumenstrom und ist im Allgemeinen bei geringem Druckunterschied zwischen den Stahlbetonbecken (3, 4) sinnvoll.
Abhängig von der Anzahl der eingesetzten Pumpturbinen (21) können sich weitere Konfigurationen, wie beispielhaft in 4b gezeigt, ergeben, bei denen mehrere Reihenschaltungen von Pumpturbinen (21) jeweils parallel geschaltet werden, sodass der jeweils aktuelle Druckunterschied zwischen den Stahlbetonbecken (3, 4) berücksichtigt und der Volumenstrom möglichst hoch gewählt wird. Die jeweilige Konfiguration kann jedoch abhängig von der zur Verfügung stehenden überschüssigen oder geforderten Leistung gewählt werden. Mithilfe der Ventile (22) wird somit eine hohe Flexibilität des Pumpspeicherwerks erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Pumpspeicherwerk
2: Leitungen mit Pumpen/Turbinen/Pumpturbinen
3: Inneres Stahlbetonbecken
4: Äußeres Stahlbetonbecken
5: Grube
6: Stabilisatorrippen
7: Durchlass in Stabilisatorrippe
8: Durchlass in Stabilisatorrippe
9: Höhe der Becken
10: Durchmesser der Leitung
11: Durchmesser des äußeren Rings
12: Pumpspeicher-Wasserkraftanlage
13: Pumpspeicherwerk
14: Wasser
15: Höhe Wasserstand 1
16: Höhe Wasserstand 2
17: Stahlbetondeckel
18: Steinschüttung
19: Grubenwand
20: Generator/Motor
21: Pumpturbine
22: Ventile
23: Eingang
24: Ausgang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2021005016 A1 [0004]
DE 102020111844 A1 [0004]
DE 102014000811 A1 [0005]

Claims

Pumpspeicherwerk (1, 13), bestehend aus einer Mehrzahl von Stahlbetonbecken (3, 4), Leitungen (2), Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlbetonbecken (3, 4) auf dem Boden einer gefluteten Grube (5), bevorzugt in einem stillgelegten Tagebau oder einem stillgelegten Steinbruch, stehen, wobei das Pumpspeicherwerk (1, 13) strömungstechnisch von der gefluteten Grube (5) entkoppelt ist.
Pumpspeicherwerk (1, 13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlbetonbecken (3, 4) kreisrund und konzentrisch angeordnet sind und Stabilisatorrippen (6) aufweisen, wobei die Stabilisatorrippen (6) Durchlässe (7, 8) aufweisen, die die entstehenden hydraulischen Kräfte in die tragfähige Grubenwand (19) einleiten, und sich die Leitungen (2) mit Pumpen und/oder Turbinen und/oder Pumpturbinen (21) jeweils zwischen einem ersten Stahlbetonbecken (3, 4) und einem benachbarten Stahlbetonbecken (3, 4) befinden.
Pumpspeicherwerk (1, 13) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumina der Stahlbetonbecken (3, 4) des Pumpspeicherwerks (1, 13) identisch sind und die Stahlbetonbecken (3, 4) eine gemeinsame Höhe (9) haben.
Pumpspeicherwerk (1, 13) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpspeicherwerk (1, 13) genau zwei Stahlbetonbecken (3, 4) aufweist und die Leitungen (2) zwischen dem inneren Stahlbetonbecken (3) und dem äußeren Stahlbetonbecken (4) einen Durchmesser von 10m aufweisen, wobei die Leitungen (2) äquidistant über den Umfang der Trennwand zwischen den beiden Stahlbetonbecken (3, 4) verteilt sind, wobei der Durchmesser des äußeren Stahlbetonbeckens (4) 2km und die Höhe (9) der Wände der Stahlbetonbecken (3, 4) 500m beträgt.
Pumpspeicher-Wasserkraftanlage (12), dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mehreren Pumpspeicherwerken (1, 13) nach je einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer gemeinsamen gefluteten Grube (5) in einem stillgelegten Tagebau oder einem stillgelegten Steinbruch besteht und dadurch die Flächennutzung der gefluteten Grube (5) erhöht.