DE2541910A1

DE2541910A1 - Thermische langzeitspeicher

Info

Publication number: DE2541910A1
Application number: DE19752541910
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Laing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-09-30
Filing date: 1975-09-19
Publication date: 1976-04-15
Also published as: GB1528792A; JPS5160804A; US4399656A; CA1064271A; US4526005A; FR2286260B1; BR7506257A; DE2541910C2; JPS5916082B2; FR2286260A1

Description

Thermische Langzeitspeicher Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der Primärenergie-Nutzung, insbesondere bei Kernkraftwerken, durch thermische Speicher, die durch überschüssige Nutzwärme und/oder Abwärme für längere Perioden in Bereitschaft versetzt werden.
Es sind thermische Speicher, die auf der Erhitzung von Wasser basieren, bekannt geworden. Zu einem technischen Einsatz für Langzeitspeicher ist es nicht gekommen, da die Investition für die Speichergefäße, die entsprechend denerforderlichen Behälter inhalten und den Drücken durch die Speichermasse einen wirtschaftlichen Betrieb nicht zulassen. Das Stahlgewicht für einen Kernkraftwerks-Wochenspeicher ist beispielsweise größer als das Gewicht des darin zu speichernden Wassers. Unter Langzeitspeicher werden Speicher verstanden, die möglichst auch eine Vollauslastung der Dampferzeuger während der Samstage und Sonntage und/oder eine Nutzung der Abwärme zeitlich um Wochen oder gar Monate verschoben zulassen.
Die Erfindung bezieht sich auf Speichersysteme und Speicher mit Behältern, deren Spannungsbelastung nicht vom Behältermaterial aufgenommen wird, sondern durch Erdreich oder Wasser.
Hierdurch sind mit wirtschaftlichem Aufwand ausreichend große Behälter herstellbar. Gemäß der Erfindung werden also Kavernen im Erdreich oder durch den äußeren Wasserdruck weitgehend entlastete unter Wasser angeordnete Behälter, zur Aufnahme des Speichermediums eingesetzt. Diese Erfindung läßt sich für unterschiedliche Speichermedien und Speichertemperaturen einsetzen.
Es sollen drei erfindungsgemäße Alternativen beschrieben werden: 1. Wärmesenkenspeicher für Kondensatoren von Kraftwerken und/oder Fernkälteversorgung 2. In Kavernen eingeschlossene, unter Druck stehende Heißwasserspeicher zur Versorgung von Kraftwerken und/oder Fernwärmesystemen mit thermischer Energie 3. Unter der Wasseroberfläche eines natürlichen oder künstlichen Wasservorkommens angeordnete, unter Druck stehende Speicher zur Versorgung von Kraftwerken und/oder Fernwärmesystemen mit thermischer Energie.
Die beanspruchten Speicher können auch mit Vorteil in Kombination Verwendung finden, auch können einzelne Erfindungsmerkmale über Langzeitspeicher hinaus eingesetzt werden. Im Nachstehenden sind Stoffe und Zahlen eingefügt, die das Verständnis erleichtern sollen, die jedoch nur als Beispiele angesehen werden dürfen.
1. Beschreibung der Senkenspeicher Mit Senkenspeichern lassen sich erfindungsgemäß Wirkungsgrad und Leistung von Kraftwerken durch Spreizung des Temperaturintervalles während der Spitzenlastperioden vergrößern. In einem Salzstock wird durch Aussolen eine Kaverne geschaffen, deren Volumen bei einem Wochenspeicher etwa 1.000 m3/MW elektrischer Leistung des Kraftwerkes betragen sollte. Im Speicher bildet sich eine gesättigte Wasser-NaCl-Lösung, die als Speichermedium dient. Dem Maschinensatz des Kraftwerkes wird während der Tallastzeiten ein Kältekompressor zugeschaltet, der ein Kältemittel, vorzugsweise einen Kettenkohlenwasserstoff, komprimiert.
Darauf wird das Kältemittel in einem, z.B. durch Flußwasser durchströmten Kondensator kondensiert und alsdann in verflüssigter Form über ein Drosselventil in den Kavernenspeicher eingeleitet. Hier erfolgt Verdampfung des Kältemittels bei gleichzeitiger Kristallisation des Speichermediums. Bei Spitzenlast wird der Abdampfstrom der Kraftwerksturbine einem Kondensator zugeleitet, in welchem ein Kohlenwasserstoff, z.B. Propan, verdampft. Dieser Dampf wird einer Niedertemperaturturbine zugeleitet, deren Leistung zur Spitzenlast-Bedarfsdeckung herangezogen wird. Die Kondensation des Propandampfes erfolgt in einem Kondensator, der im Speicher angeordnet ist. Während der Spitzenlastzeiten arbeitet das Kraftwerk als Zweistoff-Turbinen-Kreislauf.
Das Temperaturintervall wird um den Betrag von + 35 0C bis -21°C vergrössert. Der Wirkungsgrad des Kraftwerkes steigt von 33 % auf 42 %. Die Leistung der Anlage steigt damit von 1.000 MW auf 1.280 MW. Aus dem gleichen Speicher kann auch ein Netz zur Versorgung von Kälteanlagen unter Ausnutzung der Kraftwerksüberschußleistung bei Tallast versorgt werden.
2. Beschreibung des Kavernen-Heißwasserspreichers Kernkraftreaktoren liefern in der Regel Wasserdampf. Das dem Kondensator entnommene Speisewasser wird durch Zapfdampf, welcher der Turbine entnommen wird, bis nahe an die Siedetemperatur erhitzt. Die Enthalpie des Dampfes beträgt 2.890 kJ/kg, die nutzbare Enthalpie des Speisewassers etwa 1.235 kJ/kg. Das Leistungsvermögen einer Turbinenanlage kann bedeutend erhöht werden, wenn die Zapfdampfströme, die den Turbinen fast die Hälfte der Enthalpie entziehen, nicht aus der Turbine herausgeleitet werden, sondern arbeitsleistend sämtliche Stufen der Turbine durchströmen.
Gemäß der Erfindung wird bei Tallast die überschüssige thermische Energie über Zapfdampf oder direkt dem Kreislauf entzogen und zur Aufheizung eines in einer unterirdischen Kaverne gelagerten Speicherwasservorrates verwendet. Das Speicherwasser erreicht damit fast Diedetemperatur. Bei Spitzenlastbetrieb wird die Wärme des Wassers, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Wärmetauschers, zur Vorwärmung des Reaktor-Speisewassers herangezogen, so daß während dieses Betriebszustandes den Turbinen kein Zapfdampf entnommen wird, wodurch sie etwa 30% mehr an Leistung abzugeben vermögen. Die Tiefe der Speicherkaverne wird so gewählt, daß der Siededruck den darüberliegenden Gesteinszylinder zu tragen vermag, so daß die erheblichen Druckkräfte voll vom Fels aufgenommen werden.
3. Beschreibung des Unterwasserspeichers Stehen Seen zur Verfügung oder befindet sich das Kraftwerk in der Nähe des Meeres, so sieht die Erfindung vor, ein Speichergefäß so tief unter der Wasseroberfläche anzuordnen, daß vorzugsweise am Fuß des Speichers die Druckkräfte des eingeschlossenen Speicherwassers durch den äußeren Wasserdruck kompensiert werden. Hierdurch ist es möglich, Plastikfolien als Speicherwandung einzusetzen. Die obere Abdeckung bildet, da das spezifisch leichtere Heißwasser unter dem spezifisch schwereren Meerwasser geschichtet ist, eine labile Membran. Aus diesem Grunde wird eine Membran mit einem spezifischen Gewicht größer 1 gewählt.
Soweit Gas zur Isolation Verwendung findet, wird dieses Gas erfindungsgemäß auf den gleichen Druck gebracht wie das äußere und innere Medium. Die Erfindung sieht jedoch auch vor, Wärmedämmungen durch Wasser auszuführen. So können die erfindungsgemäßen Wasserbehälter nach unten hin offen bzw. unisoliert bleiben. Zu den Wänden und zur Decke hin wird in Wandnähe eine Struktur eingesetzt, die eine Konvektion der wandnahen Wasserschichten verhindert, so daß das in die Struktur eindringende Wasser als Isolator dient. Zur optimalen Anpassung der im Inneren des Speichers herrschenden,nach unten hin abnehmenden Temperaturen an die Temperaturen der zuzuleitenden oder abzuleitenden Wasserströme sieht die Erfindung Rohre oder Schläuche mit höhenverstellbaren öffnungen vor.
Die Erfindung soll gemeinsam mit erfindungsgemäßen Elementen nachstehend beschrieben werden.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Energie-Senkenspeicher mit Kraftwerk.
Figur 2 zeigt einen Heißwasserspeicher mit Kraftwerk.
Figur 3 zeigt eine innenliegende Isolation.
Figur 4 zeigt einen Speicher mit außenliegender Isolation.
Figur 5 zeigt einen Speicher mit gefluteter Kaverne Figur 6 zeigt Pumpen und Turbinen zur Druckunterbrechung.
Figur 7 zeigt Rohre mit höhenverstellbaren Öffnungen.
Figur 8 zeigt einen Schichtenspeicher mit Einrichtung zur Erhöhung der Wärmedifferenz zwischen den Schichten.
Figur 9 zeigt einen unterseeisch anzuordnenden Speicher.
Figur 10 zeigt einen unterseeisch anzuordnenden Speicher insbesondere für geringere Temperaturen.
Figur 11 zeigt einen See als Speicher.
Figur 12 zeigt eine Kraftwerksanlage mit einem Abwärmespeicher.
Figur 1 zeigt das Schaltbild des Speichers und der Kraftwerkselemente. Der Reaktor 1 erzeugt permanent 2.380 MW an thermischer Leistung. Die Wasserdampfturbine 2 erzeugt permanent etwas über 1.000 MW an mechanischer Leistung, die bei Normalbetrieb vom Generator 3 in 1.000 MW elektrische Leistung umgesetzt wird. Die Kondensation erfolgt bei Normalbetrieb und Tallastbetrieb im Kondensator 4 bei einer mittleren Temperatur von ca. zur Bei Tallastbetrieb wird der Kältekompressor 5 über die Kupplung 6 zugeschaltet. Dieser entzieht der gemeinsamen Welle bis zu 230 MW an mechanischer Leistung und saugt im oberen Bereich des Speichers durch die Leitung 25' gasförmiges Kältemittel an. Die Kondensationswärme des Kältemittels wird über die Leitung 25" durch den Verflüssiger 7 an das noch kalte Kühlwasser abgegeben. Die Verdampfung des Kältemittels erfolgt nach Austritt aus der Düsenplatte 28. Durch die Verdampfung werden eutektische Kristalle 9 erzeugt. Da diese etwas leichter sind als die gesättigte Wasser-Salz-Lösung, wandern sie anfangs nach oben und dann dem Pfeil 35 folgend, bis der gesamte Speicher mit Kristallen gefüllt ist. Im oberen Bereich des Speichers 10 befindet sich ein Verflüssiger 11. Bei Spitzenlast erfolgt die Kondensation des Abdampfstromes im Verdampfer 12, der mit Propan 13 gefüllt ist. Der sich bildende Propan-Dampf treibt die Sekundärturbine 14 an, die über die Kupplung 15 bis zu 130 MW an den Generator 3 abgibt. Nunmehr stehen bis zu 1.130 MW während der Spitzenlastperiode zur Elektrizitätsgewinnung zur Verfügung. Die Dauer des Spitzenlastbetriebes ist abhängig von der Leistung des Kältekompressors 5 und der Größe des Latentspeichers 10. Für einen Wochenspeicher wird eine latente Energie von 4,6 1011 kJ benötigt. Ein solcher Speicher benötigt ein Volumen von 1,82 . 106 m3.
Auf dem Spiegel 20 der Speichermasse schwimmt ein ringförmiger Hohlkörper 21, der den dampfseitigen Sammler für die Plastik-Kondensatorrohre 11 bildet. Diese münden in einem beschwerten ringförmigen Rohr 22. Der Sammler 21 kommuniziert mit der Austrittsseite der Turbine 14 über die Leitung 23. Anstelle eines geschlossenen Kondensators 21, 11, 22 kann die Leitung 23 auch mit einem Verteilerboden ähnlich der Düsenplatte 28 verbunden werden, so daß die Kondensation des Abdampfes im oberen Bereich der Speicherfüllung erfolgt und sich das Kondensat oberhalb des Spiegels 20 sammelt, um durch die Leitung 24'' und die Pumpe 24' wieder in den Kreislauf zu gelangen. Das komprimierte Kältemittel strömt durch die Leitung 25'' in den Kondensator 26 und von dort unter Zwischenschaltung einer Kondensatpumpe 27 in die Düsenplatte 28. Dort tritt bei Kompressorbetrieb Kältemittelkondensat 29 in die Sole über, die durch das zentrale Rohr 30 vom Speicherboden 31 hochgepumpt wird.
Im Folienzylinder 32, der gegen das ringförmige Sammelrohr 22 durch Seile 33 abgespannt ist, entsteht eine eutektische Sole-Eis-Dispersion. Diese Dispersion wird durch die nachströmende Sole in Richtung des Pfeiles 35 verdrängt. Zur Förderung der Sole ist im unteren Bereich des Rohres 30 eine Düsenplatte 36 angeordnet, durch die ein kleiner Teilstrom des Kältemittelkondensats, das durch die Pumpe 37 gefördert wird, austritt. Hierdurch wird im Rohr 30 eine Emulsion 38 gebildet, die aufgrund ihrer Dichte aufsteigt. Die maximale Senkenkapazität ist erreicht, wenn das gesamte Speicherinnere mit der Sole-Eis-Dispersion gefüllt ist, wobei der Soleanteil bis auf 20 % abnehmen darf.
Die Herstellung des Speichers erfolgt vorzugsweise in Salzstöcken durch Aussolen mit Wasser. Eine Auskleidung der Kaverne erübrigt sich, denn es bildet sich eine gesättigte Salz-Wasser-Lösung, wodurch eine weitere Auflösung des Salzstockes nicht erfolgt.
Der Speicher bildet also eine Energiesenke, die zur Vergrößerung des Wärmegefälles zwischen dem Dampferzeuger 1 und dem während des Spitzenlastbetriebes als Kondensator dienenden Speicher führt. Die Spitzenlast wird dadurch von der Turbine 14 geliefert. Bei Tallast wird der Kompressor 5 angetrieben.
Durch die Leitung 34 kann zusätzlich Kältesole für ein Versorgungsnetz für Kälteanlagen entnommen werden. Der Soledurchsatz tritt durch die Leitung 39 wieder in den Speicher ein.
Figur 2 a zeigt einen Heißwasserspeicher. Der Dampferzeuger 40 beliefert die Hochdruckturbine 41 und den Zwischenüberhitzer 42 mit Frischdampf. Der überhitzte Dampf geht durch die Leitung 43 in die Niederdruckturbine 44. Von dort aus geht Zapfdampf durch die Leitung 45 in den Speisewasser-Vorwärmer 46. Durch die Leitung 47 gelangt Hochtemperatur-Zapfdampf in den Hochtemperaturvorwä mer 48, so daß das Speisewasser annähernd mit Siedetemperatur den Verdampfer 40 erreicht. Der Abdampfstrom gelangt durch die Leitung 49 in den Kondensator 50, das Kondensat durch die Kesselspeisepumpe 51 in den Vorwärmer 46.
Durch Öffnen des Ventils in der Leitung 52 gelangt Heißwasser in den Wärmetauscher 53 des Kavernenspeichers 54. Dieser ist so tief angeordnet, daß die Gesteinssäule 55 ein Gewicht hat, welches der Projektion 56, multipliziert mit dem Innendruck im Speicher 54, entspricht.
Die Speicherwand besteht aus einer Plastikfolie 57. Der Speicherraum ist in zwei Bereiche 54' und 54'' durch einen Zwischenboden 58 unterteilt. Dieser Boden ist durch Gewichte 59 beschwert und gegebenenfalls durch Seile 60, die durch Zuganker 61 getragen werden, eben abgespannt. Der Bereich 54'' ist mit einer Isolationsschicht 62 ausgekleidet. Zwischen den beiden Bereichen 54' und 54'' befindet sich die Leitung 63 mit der Pumpe 64.
Durch den Wärmetauscher hindurch fördert entweder die Pumpe 65 kaltes Wasser (beim Laden) oder die Pumpe 66 heißes Wasser (beim Entladen). Zur Entladung gelangt das heiße Wasser durch den Wärmetauscher 53 und heizt das durch den Wärmetauscher strömende Speisewasser auf, wie Figur 2b zeigt. Der Wärmetauscher trennt den Turbinenkreislauf vom Speicherkreislauf, so daß der über den Siededruck hinausgehende geodätisch bedingte Druck in den Leitungen 52 und 67 nicht auf die Speicherwandung wirksam wird.
Durch die Leitung 67 gelangt beim LAden das abgekühlte Wasser unter Zwfschenschaltung der Pumpe 68 zurück in den Turhinenkreislauf, während die Pumpe 65 kaltes Speicherwasser durch den Wärmetauscher 53 fördert, welches aufgeheizt durch die nicht laufende Pumpe 66 austritt. (Figur 2c) Während des Ladevorganges dehnt sich das Wasser im Raum 54" aus. Durch die Pumpe 64 wird eine entsprechende Menge kalten Wassers in den Raum 54' gefördert. Mit diesem Raum kommuniziert eine Leitung 69, die unter Zwischenschaltung des Wärmetauschers 70 mit einem isolierten Flüssiggasspeicher 71 kommuniziert.
Das Schaltbild der Entladung ist in Figur 2b wiedergegeben.
Durch die Leitung 67 wird von der Pumpe 68 gefördertes kaltes Kesselspeisewasser in den Wärmetauscher 53 geleitet und durch die Leitung 52 heiß dem Verdampfer 40 zugeführt.
Die Pumpe 66 entnimmt hierzu Heißwasser aus der höchsten Stelle des Speicherraumes 54", welches nach Übertragung der Wärme an das Speisewasser durch die Pumpe 65 in den Speicherraum zurückströmt.
Als Gaspolster findet vorzugsweise ein kettenförmiger Kohlenwasserstoff Verwendung. Die Temperatur im Flüssiggasspeicher 71 wird so gewählt, daß sie unterhalb der kritischen Temperatur des Gases liegt. Durch das Ventil 72 wird verhindert, daß die gesamte Gasmenge kondensiert.
Der Speichervorrat 71 wird so gewählt, daß der gesamte Raum 54' mit Gas unter Siededruck des Speicherwassers ausgefüllt werden kann. Eine Leitung 75 führt vom unteren Bereich des Speichers zum Core des Reaktors 40. Durch das Ventil 76 kann im Notfall der unter 100qC liegende Teil innerhalb des Speichers zur Notküh lung ohne Pumpenbetätigung eingesetzt werden.
Figur 3 zeigt die Wandauskleidung des Speichers gemäß Figur 2.
Auf dem Fels 80 ist ein Glattstrich 81 aufgebracht. An diesem liegt eng eine Plastikfolie 82 an. In definierten Abständen sind Metallprofile 83 durch Stahlnägel 84 horizontal umlaufend angeordnet und am Fels 80 befestigt. Der zurückgebogene Schenkel 83 a des Metallprofils 83 bedeckt die Köpfe der Nägel 84.
Zusammen mit der Wandung 81 bilden sich Hinterschnittbereiche 85, in welche eine Falte der Plastikfolie 82 und metallische Haken 86 eingelegt sind. An diesen Haken sind Ausnehmungen 87 zum Einhänyen von Tragseilen 88 angeordnet. Am unteren Schenkel 89 sind Laschen 90 durchgestanzt, in welche Kühlmittelrohre 91 eingelegt sind. Die Folie 82 erfährt also im Hakenbereich eine Faltung 82a und wird so ohne Perforation durch Nägel an der Felswand 80,81 befestigt. Die Isolation besteht aus Schichten 99, die zur Innenseite hin mit einem Drahtgitter 93 abgedeckt sind.
Diese Drahtgitter 93 sind durch Stangen 97 und Seile 98 festgehalten. Das Isoliermaterial 99 besteht aus hydrothermal-resistenter Mineralfaser oder auch aus Metallfaser oder Kohlepulver oder Koks und ist wasserdurchlässig, verhindert jedoch die thermische Konvektion und die Vermischung der wandnahen Wasserschichten, so daß zwischen dem Drahtgitter 93 und den Kühlwasserrohren 91 ein Temperaturgefälle von bis zu 3000C entsteht. Zwischen den Schichten 99 sind Folien 96 z. B. aus Aluminium angeordnet, die die vertikale Konvektion unterbinden. Die Kühlwasserrohre 91 werden mit Kaltwasser durchströmt, welches den gleichen Druck hat wie das im Speicher eingeschlossene Wasser, so daß innerhalb der Isolationsschicht ein Temperaturgefälle zwischen der Speicherwassertemperatur und der Kühlwassertemperatur eintritt und die Folie 82 niemals zu hohe Temperaturen annehmen kann.
Figur 4a zeigt einen anderen Aufbau des Speichers. Das eigentliche Speichergefäß 100 besteht aus Stahlringenausu-Profil, deren Schenkel gemäß 101 miteinander verschweißt sind, während die vertikalen Bereiche zwischen sich Abstände 102 einschließen, wodurch die Längsausdehnung ausgeglichen wird. Die Isolation wird von Isolierhohlkörpern 103 übernommen.
Figur 4b zeigt den konstruktiven Aufbau eines Isolierhohlkörpers 103. Die zum Speichergefäß weisende Wandung 104 weist Wellungen auf, die die Längsausdehnung aufnehmen. Die kegelige Wandung 105 kann entsprechend der gestrichelten Darstellung 106 ausweichen, wenn das Speichergefäß 100 im Durchmesser zunimmt.
Innerhalb der Ringe sind Mineralwolleplatten 107 angeordnet, zwischen denen sich konvektionsverhindernde Zwischenlagen 108 befinden.
Figur 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Speicher, der schwimmend in einer Kaverne untergebracht ist, Der Speicherbehälter 110, dessen Wandung durch Innenisolation wie in Figur 3 oder durch Außenisolation wie in Figur 4a, 4b dargestellt, isoliert ist, schwimmt in der gefluteten Kaverne 111. Seine Wandung ist durch einen Stützring 112 verankert. Mit dem Stützring ist auch ein ringförmiger Faltenkörper 113 verbunden, der die Abdeckung 114 trägt. Diese Abdeckung ist mit einer Isolierschicht 115 belegt.
Im darüber befindlichen Raum 116 wird durch eine Leitung 117 Druckgas oder Druckflüssigkeit eingeführt. Die Kaltwasser- und Heißwasserleitungen 118, 119, sind mit Pumpen bzw. Turbinen verbunden. Die Kaltwasserleitung kommuniziert außerdem mit einem Ausgleichsgefäß 131 (Fig. 6).
Erfindungsgemäß kann das Kaverneninnere 111 auch mit Preßluft oder Stickstoff gefüllt werden. Die Unterbringung kann wie in allen Fällen auch in einem Berg erfolgen, wobei der Schacht auch horizontal verlaufen kann.
Figur 6 zeigt schematisiert die erfindungsgemäße Anordnung. Das Speichergefäß 120 kommuniziert unter Zwischenschaltung einer Turbine 121 und einer Pumpe 122 mit einem durch eine Membran 133 abgedeckten Ausgleichsgefäß 123 und dem Wärmetauscher 124. Die Ventilbatterien 125 und 126 werden beim Entladen so geschaltet, daß die Heißwasserleitungen 127' und 127" über die Turbine 121 geleitet werden, während die Kaltwasserleitungen 128' und 128" über die Pumpe 122 geleitet werden.
Da die Dichte des Kaltwassers größer ist als die des Heißwassers, liefert die Turbine auch ohne Berücksichtigung des Wirkungsgrades weniger Leistung als die Pumpe 122 benötigt. Die Differenzleistung wird durch den Motor-Generator 129 zusätzlich aufgebracht. Bei umgekehrter Stromführung beim Entladen ist die von der Turbine 121 erzeugte Leistung gegebenenfalls größer als die Pumpleistung der Pumpe 122. Deshalb wird der Motor-Generator 129 als Generator betrieben. Die Leitungen 127 und 128 werden hierbei entsprechend umgeschaltet. In Verbindung mit geeigneten Regelorganen bewirken Turbine und Pumpe eine Kompensation der hydrostatischen Säulen in den Rohren 127' und 128', die sich über die geodätische Höhendifferenz 130 erstrecken. Hierdurch ist das Speichergefäß 120 vom hydrostatischen Druck entlastet.
Das Becken 131 kommuniziert mit dem Inneren der Kaverne 132, wodurch im Inneren der Kaverne ein Druck entsteht, der sich aus der geodätischen Höhendifferenz 130 ergibt.
Figur 7a zeigt die Ausbildung der Zuführungs- und Entnahmeleitungen. Da sich im Speicher Temperaturschichtungen bilden und das Bedürfnis besteht, Zufuhr und Entnahme bei optimalen Temperaturen zu verwirklichen, sieht die Erfindung vor, höhenverschwenkbare Rohre 140 einzusetzen. Zur Verhinderung von Turbulenz kann am Rand des Rohres 140 ein Schwimmer 141 angeordnet werden, der über eine Winde 142 oder durch Veränderung einer Gasmenge im Hohlkörper 143 im Schwimmer 141 auf die gewünschte Höhe eingestellt wird.
Figur 7b zeigt den Querschnitt des Schwimmers mit einem Schwimmkörper 143 und oben liegenden Ansaugöffnungen 144 zum Ansaugen von Heißwasser.
Figur 7c zeigt die Ausbildung des Schwimmers zur Ansaugung von kaltem Wasser.
Figur 7d zeigt diesen für den Austritt von warmem Wasser und Figur 7e für den Austritt Von kaltem Wasser.
Figur 8 zeigt eine Schaltung, die zur Optimierung des Temperaturgradienten im Inneren des Speichers dient. Vom kalten Bereich 151 aus entnimmt das Rohr 152 Wasser und kühlt dieses durch den Wärmetauscher 153 ab, wodurch kühleres Wasser am Boden 154 austritt, während das Rohr 155 warmes Wasser dem oberen Bereich entnimmt, dieses durch den Wärmetauscher 156 der Wärmepumpe 157 aufheizt und in das höher liegende Rohr 158 im heißeren Bereich 150 wieder zuführt.
Figur 9 zeigt unmaßstäblich einen erfindungsgemäßen Speicher, der am Meeresboden 160 angeordnet ist. Die Außenwand 161 ist als Rotationskörper ausgebildet und nimmt nach oben hin in ihrer Wandstärke zu, da sie den nach oben hin größer werdenden inneren Druck aufnehmen muß. Sie besteht erfindungsgemäß vorzugsweise aus Bändern aus glasfaserverstärktem Kunststoff und weist an ihrer Innenseite eine Isolierschicht 162 auf.
Der Raum 165 dient als Ausgleichsraum für die unterschiedliche Dichte des im Speicherraum 166 eingeschlossenen Wassers. Der Speicher kann alternativ mit konstanter Masse betrieben werden.
Es kann aber auch das eingeschlossene Speicherwasser entnommen werden. Dies setzt voraus, daß der dehnbare Bereich 167 der Folie 163 etwa die Ausmaße der Wandung 161 hat Die Abdeckung des Speichergefäßes besteht aus einer Außenwand 168, die vorzugsweise aus Plastikfolie ausgebildet ist. An dieser befinden sich Zugseile 169, die ein Stahldrahtnetz 170 tragen.
Das Stahldrahtnetz ist mit einem feinmaschigen Drahtgewebe 17T ausgefacht.
Darüber befindet sich eine Schicht 172 aus Sand oder Steinen, darüber eine Schicht 173 aus Mineralwolle. Das Gewicht vermindert um den Auftrieb der Schicht 172 muß pro Flächeneinheit größer sein als die Druckdifferenz, die sich aus der Dichtedifferenz zwischen dem Heißwasser im Behälter und dem außen befinalichen Meerwasser, bezogen auf die geodätische Höhe 174 ergibt.
Ein eventueller Differenzdruck wird durch die Pumpe 164 ausgeglichen.
Durch die Leitung 175' wird beim Laden oder Entladen Heißwasser geleitet. Die Turbinenpumpe 176 kompensiert den durch die Meerestiefe hervorgerufenen Uberdruck in der Leitung 175'.
Die Leitung 177 wird über die Turbinenpumpe 178 entlastet.
Die Tiefe unter dem Meeresspiegel muß entsprechend dem Siededruck ausgesucht werden. Bei 3500C Wassertemperatur beispielsweise beträgt die erforderliche Tiefe ca. 1.650 m.
Figur 10 zeigt eine modifizierte Anordnung in einem See.
Sofern der Seeboden zugänglich ist, werden Anker 180 im Boden befestigt. Uber Seile 181 wird die Deckfolie 182 in ihrer Horizontallage gehalten. Unterhalb der Deckfolie ist vorzugsweise ein Drahtnetz 183 angeordnet. Im sich bildenden Raum 184 ist Mineralwolle oder bei kleineren Temperaturen auch eine Wolle aus organischer Faser angeordnet.
Innerhalb des Speichers befinden sich Rohre 185 mit höhenverstellbaren Öffnungen.
Wenn der Seeboden moorig ist, findet die rechts dargestellte Anordnung Verwendung. Die Deckfolie 186 wird durch Gewichte 188, die gleichmäßig verteilt angeordnet sind, beschwert. Jedem Gewicht ist ein Schwimmer 187 zugeordnet, dessen Volumen größer ist als es dem verbleibenden Gewicht der Körper 188 entspricht.
Figur 11 zeigt eine andere Anordnung des Speichers, wie sie bei Seen verwirklicht werden kann, wenn der Seeinhalt etwa dem gewünschten Speicherinhalt entspricht. Am Boden des Sees 199 werden wiederum Zuganker 180 oder Gewichte 190 angeordnet. In einer Tiefe 191, die innerhalb des Speichers 192 zu einem Vordruck führt, der höher ist als der Siededruck des gespeicherten Wassers, wird die Abdeckung 182, 183, 184 angeordnet. Der obere Bereich 193 bleibt. mit kaltem Seewasser gefüllt bleibt.
Zu den Ufern hin werden umlaufende Folienkragen 194 angeordnet, die die beiden Wasserschichten voneinander trennen.
Figur 12 zeigt ein Beispiel für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Niedertemperaturspeichers 200, der in einem See 201, der mit einem Flußlauf 202 kommuniziert, angeordnet ist. Die Zapfdampf leitungen 203', 203" und 203''' sind mit Kondensatoren 204', 204'' und 204''' verbunden. Außerdem sind Speisewasservorwärmer 205', 205" und 205"' vorgesehen, die bei entsprechender Bedienung der Ventile 206', 206" und 206''' den Zapfdampf aufnehmen können. Der Hauptkondensator 207 wird über eine Rohrleitung 208 mit dem unteren Bereich 209' des Speichers 200 verbunden. Durch Verschwenken des Rohres 210' kann die gewünschte Wassertemperatur eingespeist werden.
Bei Spitzenlastbetrieb gelangt das kalte Wasser durch den Hauptkondensator 207 und das Ventil 211 über die Pumpe 212 und die Leitung 213 in den mittleren Bereich 209"des Speichers 200. Bei entsprechend geringerer Belastung erfolgt die Kondensation in einem-der Kondensatoren 204. Sofern die Kondensationstemperatur hoch genug ist, wird das Kühlwasser dem Bereich 209'' entnommen, über das Ventil 214', während das Ventil 214" geschlossen wird, der Leitung 208 zugeführt und nach Aufheizung über die Pumpe 212 und die Leitung 215 dem oberen Bereich 209"' des Speichers zugeführt.
Bei Spitzenlastbetrieb kann außerdem heißes Wasser aus dem Bereich 209''' über die Leitung 215 und das Ventil 216 und die Pumpe 217 dem Wärmetauscher 218 zur Speisewasseraufheizung zugeführt werden. Zum Wärmeentzug fördern Pumpen 219 heißes Wasser in das Fernwärmenetz 220, welches durch entsprechende Schaltung der Ventile 221' und 221" entweder dem unteren Bereich 209' oder dem mittleren Bereich 209'' wieder zugeleitet wird. Sofern die Wärmeentnahme durch das Fernwärmenetz 220 nicht ausreicht, wird von Zeit zu Zeit über die Leitung 222 Speicherwasser in den Fluß 202 abgelassen, und zwar im Hinblick auf geringstmögliche Flußlaufbelastung zu solchen Zeiten, an denen das Flußwasser besonders kühl ist, oder der Fluß besonders viel Wasser führt. Durch die Leitung 223 wird eine entsprechende Menge Frischwasser wieder aus dem See in den Speicher gepumpt.

Claims

Ansprüche

! -I 1.) Langzeitspeicher, insbesondere für Kernkraftwerke, zur Bereitstellung von thermischer Energie, zur Erhöhung der Kraftwerksleistung bei Spitzenlast und/oder zur Versorgung von thermischen Fernversorgungssystemen, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium im wesentlichen aus Wasser besteht, welches in großen Behältern eingeschlossen ist, wobei die von dem Speicherbehälter auf die Behälterwandung ausgeübten Druckkräfte von der Umgebung des Speicherbehälters aufgenommen werden.
2. Langzeitspeicher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebung des Speichers aus Gestein besteht.
3 Langzeitspeicher nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht des über dem Speicher liegenden Gesteins annähernd der Kraft entspricht, die der Siededruck des Speicherwassers in vertikaler Richtung gegen das Gestein ausübt.
4. Langzeitspeicher nach Anspruch1 1 dadurch gekennzeichnet, daß die das Speicherwasser aufnehmende Kaverne in einem Salzstock angeordnet wird.
5. Langzeitspeicher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebung des Speichers aus Wasser besteht.
6. Langzeitspeicher nach Anspruch 1 und gegebenenfalls 4 dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermasse eine gesättigte Salzlösung Verwendung findet.
7. Langzeitspeicher nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Salzanteil der Lösung aus dem Salzstock herausgelöst wird.
8. Langzeitspeicher nach Anspruch 6 mit einem Kraftwerk dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftwerksturbine 2 über eine Kupplung 6 einen Kälteverdichter 5 antreibt und das verflüssigte Kältemittel in den Speicher 10 geleitet wird, wodurch Sole-Eis 9 gebildet wird und daß das zumindest teilweise kristallisierte Sole-Eis 9 mit einem Wärmetauscher 11 in Kontakt gebracht wird, der als Kondensator der Turbinenanlage dient.
9. Langzeitspeicher nach Anspruch 8 mit einem Kraftwerk dadurch gekennzeichnet, daß neben der Hauptturbine 2 eine Zusatzturbine 14 vorgesehen ist, die mit einer niedrig siedenden Flüssigkeit betrieben wird, welche in einem Verdampfer 13 verdampft und im Kondensator 11 kondensiert.
10. Langzeitspeicher nach Anspruch 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Kälteverdichter 5~während der Tallastzeit eingeschaltet ist und die Zusatzturbine 14 bei Spitzenlastbetrieb vom Wärmeträger durchströmt wird.
11. Langzeitspeicher nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Salzstock unmittelbar die Wandung des Speichers bildet.
12. Langzeitspeicher nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlzylinder 32 im oberen Bereich des Speichers angeordnet ist und daß sich unterhalb des Hohlzylinders perforierte Kanäle 28 befinden, durch die Kältemittelkondensat eintritt und daß die Unterseite des Zylinders über ein Rohr 30 mit dem Bodenbereich des Speichers kommuniziert.
13. Langzeitspeicher nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kältemittelkondensats durch perforierte Kanäle 36 in das Steigrohr 30 eingeleitet wird.
14. Heißwasserspeicher nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Felswand mit einer wasserundurchlässigen Schicht 57 belegt ist und daß auf diese Schicht eine wasserdurchlässige Isolierschicht 62 angeordnet ist.
15. Heißwasserspeicher nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht 57 aus Plastikfolie besteht.
16. Heißwasserspeicher nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht 57 aus einer Folie aus organischem Material besteht.
17. In großer Tiefe angeordneter Langzeitspeicher nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der zum Kraftwerk führende Wärmeträgerkreislauf 52,67 vom Inneren des Speichers 54 durch einen Wärmetauscher 53 hydraulisch getrennt ist.
18.. Langzeitspeicher nach Anspruch 1 bzw. 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium der Zusatzturbine 14 ein im Wasser nicht lösliches Gas ist.
19. Langzeitspeicher nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherraum 54" stets mit Speicherwasser gefüllt ist, während der Speicherraum 54' als Ausgleichsraum dient und nicht aufgeheizt wird.
20. Langzeitspeicher nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß beide Speicherräume in der gleichen Kaverne angeordnet sind und zwischen sich eine Trennwand einschließen.
21. Langzeitspeicher nach Anspruch 1 und gegebenenfalls 20 mit Abdeckung für den Heißwasserraum 54'', 192-dadurch gekennzeichnet, daß die horizontal verlaufende Abdeckung durch eine Vielzahl von Seilen 181,185 mit dem Boden verbunden ist.
22. Langzeitspeicher nach Anspruch 20 dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung mit Gewichten 59 beschwert ist.
23. Langzeitspeicher nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, daß die beschwerte Abdeckung an Seilen 60 abgehängt ist.
24. Langzeitspeicher nach Anspruch 20 dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung 186 durch Gewichte 188 beschwert ist und durch eine Vielzahl von Schwimmern 187 getragen wird.
25. Langzeitspeicher nach Anspruch 5 und 20 dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung 58,168,170 als biegeunsteife Membrane ausgebildet ist (Fig. 9), deren spezifisches Gewicht größer-ist als das des eingeschlossenen Wassers.
26. Langzeitspeicher nach Anspruch 20 und gegebenenfalls 25 dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht 168,182 der Abdeckung als Plastikfolie ausgebildet ist.
27. Langzeitspeicher nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß die vom Speicherwasser durchsetzte Isolierschicht 62, 162,172 aus hydrothermal beständigen Werkstoffen, z.B.

Koks, Mineralfase oder Schaumglas besteht.
28. Langzeitspeicher nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß die zur Heißwasserseite hinweisende Wand 93,162,171 aus Drahtgewebe besteht.
29. Langzeitspeicher nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht 99 eine Vielzahl von horizontal verlaufenden, wasserundurchlässigen Flächen 96, z.B.

Stanniol, aufweist.
30. Langzeitspeicher nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter 100 aus U-förmigen Ringen besteht, die zwischen sich Spalten 102 zur Kompensation der Längsdehnung einschließen.
31. Langzeitspeicher nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Druckkräfte aufnehmenden Wandung und dem Speichergefäß 100 Hohlräume 103 angeordnet sind, die mit Druckgas gefüllt sind, dessen Druck annähernd dem Druck des benachbarten Heißwassers entspricht.
32. Langzeitspeicher nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, daß das Innere dieser Hohlräume 103 oder auch der sich ändernden Leerräume des Ausgleichsgefäßes 54' mit dem Sattdampf einer Flüssigkeit gefüllt wird, deren kritische Temperatur unterhalb der niedrigsten Betriebstemperatur des Speicherwassers liegt und oberhalb der Temperatur eines Gas-Speichergefäßes 71.
33. Langzeitspeicher nach Anspruch 32 dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen 70 vorgesehen sind, durch welche die Temperatur im Gas speicher auf einen vorgegebenen Wert gehalten werden kann.
34. Langzeitspeicher nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, daß ein kettenförmiger Kohlenwasserstoff als Druckgas Verwendung findet.
35. Langzeitspeicher nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, daß die gasgefüllten Hohlräume 103 als Ringe (Fig. 4b) ausgebildet sind, deren vertikaler Querschnitt ein Parallelogramm bildet.
36. Langzeitspeicher nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, daß die dem Speichergefäß zugewandte Wandung 103 Wellungen 104 aufweist.
37. Langzeitspeicher nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Speichergefäß 110 in einer wassergefüllten Kaverne schwimmt.
38. Langzeitspeicher nach Anspruch 37 dadurch gekennzeichnet, daß das Innere der Kaverne 111 mit einem oberirdisch angeordneten Becken kommuniziert.
39. Langzeitspeicher nach Anspruch 37 dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter 110 gegen die Decke der Kaverne 112 abgestützt ist.
40. Langzeitspeicher nach Anspruch 5 und gegebenenfalls 37 dadurch gekennzeichnet, daß eine der horizontalen Wandungen des Speicherbehälters über einen Faltenkörper 113, 167 dem variierenden Speicherinhalt folgt.
41. Langzeitspeicher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherinnere 166,120 mit Wärmequelle und/oder Wärmesenke 124 über zwei Strömungsmaschinen 121,122 und 176,178 kommuniziert, wobei die Strömungsmaschinen zu einer Druckänderung führen, die annähernd der Speichertiefe 130 entspricht, so daß die geodätische Wassersäule gemäß 130 auf den Speicher keinen zusätzlichen Druck ausübt.
42. Langzeitspeicher nach Anspruch 41 dadurch gekennzeichnet, daß eine der Strömungsmaschinen eine Pumpe 122 und die andere eine Turbine 121 ist, die mit einem elektrischen Motor-Generator 129 auf einer Welle angeordnet sind.
43. Langzeitspeicher nach Anspruch 5 und gegebenenfalls 25 dadurch gekennzeichnet, daß das Speichergefäß unter Wasser angeordnet ist und aus einem Ring 110,161 besteht, dessen Ringspannungsbelastbarkeit nach oben hin zunimmt.
44. Langzeitspeicher nach Anspruch 25 und gegebenenfalls 43 dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung 184 spezifisch leichter ist als die Speicherflüssigkeit und durch Seile 181 mit dem Speicherboden verbunden sind.
45. Langzeitspeicher nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Wasseroberfläche und um einen vorgewählten Betrag 191 darunter eine Abdeckung 184 angeordnet ist und daß der darunter befindliche Teil mit Speicherflüssigkeit gefüllt ist.
46. Langzeitspeicher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Speichers Leitungen 140 angeordnet sind, die über Höhenverstellvorrichtungen in ihrer Höhe einstellbar sind.
47. Langzeitspeicher nach Anspruch 1 und 46 dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmequelle 156,204 mit Speicherwasser aus einer tiefer liegenden Schicht 155,209" gekühlt wird und das erwärmte Wasser in einer höheren Schicht 158,209'' austreten läßt.
48. Langzeitspeicher nach Anspruch 1 und gegebenenfalls 47 dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftwerk bei Spitzenlast mit Wasser gekühlt wird, welches aus den tiefen Schichten 209' des Speichers entnommen und der mittleren Schicht 209'' zugeführt wird und daß bei geringerer Auslastung des Kraftwerkes die Kondensation des Turbinenarbeitsmediums in Kondensatoren mit höherer Temperatur Q04) erfolgt. Hierzu erforderliches Kühlwasser wird dem mittleren Bereich 209" entnommen und dem höchsten Bereich 209"'des Speichers zugeführt.
49. Langzeitspeicher nach Anspruch 1 und gegebenenfalls 48 dadurch gekennzeichnet, daß die Abgabe von Abwärme während der Periode geringerer thermischer Belastbarkeit von Flüssen 202 durch. Einspeisung in einen Speicher erfolgt und daß bei großer thermischer Belastbarkeit des Flusses 202 der erwärmte Speicherinhalt über Verbindungsleitungen 222 dem Fluß 202 anteilig zugeführt wird.
50' Langzeitspeicher nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß bei Tallast-Überschußleistung dem Speicher Wärme entzonen wirn und daß der Speicher m7t einem Rohrnetz kommunlzlert, welches Kälteanlagen versorgt.
51 Langzeitspeicher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, 3 daß der Speicherinhalt über 100.000 m beträgt.
52 Langzeitspeicher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine Letng som zieren Speicherbereich zum Core des Reaktors führt, wodurch diesem im Notfalle Wasser zugeführt wird.
53. Langzeitspeicher nach Anspruch 1 bzw. 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel ein im Wasser nicht löslicher Kohlenwasserstoff ist.