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Wärmespeicher für die Speicherung von Nieder-
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temperaturwärme und Verwendung eines Wärmespeichers Die Erfindung
bezieht sich auf Wärmespeicher für die Speicherung von Niedertemperaturwärme sowie
auf die Verwendung solcher Wärmespeicher.
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In den meisten Gegenden, in denen während bestimmter Jahreszeiten
geheizt werden muß, muß fast der gesamte Brennstoff in Form von Heizöl oder Erdgas
eingeführt werden, der u,a. auch für die Warmwasserbereitung eingesetzt wird. Der
bisher übliche Verbrauch an Öl und Gas kann im Hinblick auf Kosten und auf Verfügbarkeit
dieser Grundstoffe nicht unbegrenzt aufrecht erhalten bleiben. Andererseits entsteht
in einem normalen Kernkraftwerk mit 1 300 MW Leistung eine Abwärme von 2 700 MW,
das sind also ungefähr 65 % der in das Kernkraftwerk hineingesteckten Heizleistung
von 4 000 MW. Diese Abwärme entspricht etwa dem Wärmebedarf einer Stadt mit ca.
500 000 Einwohnern und wird bisher ungenutzt durch Kühltürme in die Umgebung abgegeben
oder erhöht die Temperatur von Flüssen, deren Wasser zur Kühlung herangezogen wird,
was ebenfalls nicht im Sinne einer umweltfreundlichen Handhabung ist, da diese Erwärmung
der Flüsse erhebliche Nachteile mit sich zieht.
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In Ländern mit einer kurzen Niederschlagsperiode mit einem hohen Wasseranfall
besteht das Problem, daß während des größten Teiles des Jahres kaum Niederschläge
eintreten. In diesen Ländern entstehen Probleme mit einer kümmerlichen Vegetation,
die trotz hoher Tagestemperaturen wegen der starken Nachtfröste bisher nicht verbessert
werden konnte. Die herabfallenden Regenmassen weisen eine entsprechend hohe Temperatur
auf, da sie während der Wärmeperioden herniederkommen.
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Diese Wärmemengen gehen ungenutzt verloren.
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Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß es einige Beispiele
für das Vorhandensein von Wärme auf niederem Temperaturbereich gibt, die jedoch
wegen der riesigen Speicher, die für eine sinnvolle Nutzung notwendig wären, nicht
genutzt werden konnten und zum Teil, wie am Beispiel der Kernkraftwerke zu ersehen,
zu einer Belastung der Umwelt führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Voraussetzungen für die Nutzung
von Niedertemperaturwärme zu schaffen.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Wärmespeicher, der gekennzeichnet
ist durch einen mit einer schwimmenden Isolierschicht abgedeckten Wassersee. Bei
dieser Ausgestaltung dient Wasser als transportierbares Speichermittel, das gegen
einen allzu raschen Wärmeverlust durch eine schwimmende Isolierschicht geschützt
ist.
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Damit kein Austausch zwischen dem Speicherwasser und dem Grundwasser
eintritt, ist der Wassersee mit zwei, einen Ringraum zwischen sich einschließenden
Dichtungsschmalwänden umgeben, von denen die eine unmittelbar um den See herum angeordnet
ist. Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, den unumgänglichen Leckverlust durch
Abpumpen und Rückführen des in den Ringraum eindringenden Wassers auszugleichen.
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Die Isolierschicht kann entweder doppelwandig mit eingeschlossenen
Luftkammern ausgebildet sein oder sie kann ein Gerüst aus Profilstäben mit einer
Schaumfüllung zwischen den Profilstäben umfassen. In beiden Fällen ist die Isolierschicht
schwimmfähig und kann den Wasserstandsschwankungen folgen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Isolierschicht unabhängig
von ihrem Aufbau, d.h. unabhängig davon, ob es sich um eine Isolierschicht mit Luftkammern
oder mit Schaumfüllung handelt, aus einzelnen aneinander kuppelbaren Platten bestehen.
Diese Ausgestaltung erleichtert ein Durchbiegen der Isolierschicht, wenn diese bei
einem gefallenen Wasserstand am Böschungsrand aufruht.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Isolierschicht
Gleitschuhe für ein gleitendes Verschieben der Isolierschicht bei abnehmendem Wasserspiegel
auf einer schrägen Gleitschicht am Boden des Wassersees aufweist. Durch die Anordnung
von Gleitschuhen wird eine Zerstörung der Isolierschicht vermieden und außerdem
wird eine leichte Verschiebung der Isolierschicht ermöglicht, so daß diese stets
dem jeweiligen Wasserspiegel folgen kann. Wärme- und Verdunstungs.
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verluste werden somit gering gehalten.
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Um den Wärmeverlust und Verdunstungsverlust einerseits klein zu halten
und andererseits das Eindringen von Regenwasser unter die Isolierschicht zu vermeiden,
sind in weiterer-Ausgestaltung der Erfindung zwischen den Gleitschuhen Abdichtungslappen,
z.B. aus Gummi, vorgesehen.
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Eine grundsätzlich andere Möglichkeit, die eingangs gestellte Aufgabe
zu lösen, besteht darin, daß eine auf einer wasserundurchlässigen Schicht ruhende
wasserdurchlässige Schicht des Bodenmaterials in seitlicher Richtung gegen den Grundwasserstrom
und nach oben durch eine Isolierung
gegen Wärmeverlust, mittels
einer Dampfsperre gegen Feuchtigkeitsverlust und mittels einer Wassersperre gegen
eindringendes Regenwasser abgedichtet ist, und daß Einrichtungen zur Zu- und Abführung
von zu speicherndem warmen Wasser vorgesehen sind. Bei dieser Aus.
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gestaltungsmöglichkeit wird das durchlässige B odenmaterial in Form
von Kies und Sandschichten als nicht transportables Speichermedium zusätzlich zu
dem in diese Schicht eingebrachten Wasser herangezogen.
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Diese Art eines Wärmespeichers eignet sich für solche Gegenden, in
denen mächtige Kies ablagerungen auf einer wasserundurchlässigen Schicht ruhen,
wie dies beispielsweise im Voralpenland der Fall ist.
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Um das zu speichernde warme Wasser in den Wärmespeicher einbringen
zu können und aus diesem wieder abziehen zu können, ist in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung etwa in der Mitte, bezogen auf die seitlichen Richtungen, des abgegrenzten
Bodenmaterials ein Horizontalbrunnen vorgesehen.
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Wie bereits bei der weiter oben erläuterten Ausführungsform können
auch hier zur Abgrenzung gegenüber dem Grundwasserstrom zwei im Abstand zueinander
angeordnete Dichtungsschmalwände vorgesehen sein.
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Diese Dichtungsschmalwände bestehen aus einem verhältnismäßig dünnen
Dichtungsmaterial von etwa 15 cm Dicke und reichen bis in die wasserundurchlässige
Schicht. Diese Dichtungsschmalwände dienen lediglich der Abdichtung und können keine
nennenswerten seitlichen Drücke aufnehmen.
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Um die unvermeidlichen Leckverluste wieder auszugleichen, ist in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung in dem von den Dichtungsschmalwänden begrenzten Ringraum
ein Vertikalbrunnen vorgesehen. Aus diesem Brunnen wird das in den Ringraum einsickernde
Wasser des Speichers herausgepumpt und wieder in den Speicher zurückgeführt.
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Um das warme, zu speichernde Wasser gleichmäßig auf die, einen Bestandteil
des Wärmespeichers darstellenden Bodenmassen zu verteilen, umfaßt in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung der Horizontalbrunnen Sickerrohre, die in einer Tiefe von etwa l,
5 bis 3 m unterhalb der Erdoberfläche angeordnet sind.
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Oberhalb der Sickerrohre kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung eine aus einer Schwarzdecke bestehende Dampfsperre, eine Isolierung aus
einer Kunsts chaumstoffs chicht oder einer entsprechenden Sand-Kies-Schicht, darüber
eine weitere Schwarzdecke als Regenschutz und darauf Schotter und Humus für eine
Bodenbepflanzung angeordnet sein.
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Ein in dieser Weise abgedeckter Wärmespeicher weist nicht nur die
notwendige Isolierung gegen Wärme- und Feuchtigkeitsverlust sowie gegen eindringendes
Regenwasser auf, sondern kann nach der Fertigstellung der notwendigen Baumaßnahmen
wieder bepflanzt werden, so daß keine Entstellung der Umgebung eintritt.
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In dem abgegrenzten Speicherraum kann in weiterer Ausgestaltung der
Erfindung ein bis zur wasserundurchlässigen Schicht reichender Kaltwasserbrunnen
vorgesehen sein, der mit dem Brunnen in dem den Speicherraum umgebenden Ringraum
in Verbindung steht. Das zurückgepumpte kalte Wasser wird auf diese Weise nicht
unmittelbar mit dem warmen Wasser in der Nähe des Horizontalbrunnens gemischt.
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Die erfindungsgemäßen Wärmespeicher eignen sich beispielsweise für
die Verwendung als Vorratsspeicher für aufgefangenes warmes Regenwasser. Dies ist
insbesondere in den Ländern von Bedeutung, die bei einer kurzen Niederschlagsperiode
mit hohem Wasserandrang zu kämpfen haben, die aber in den übrigen zehn Monaten des
Jahres kaum Wasser haben und wo infolge starker Nachtfröste trotz hoher Tagestemperaturen
die Vegetation kümmerlich bleibt. Hier kann mit Hilfe des im Wärmespeicher
aufgefangenen
relativ warmen Abflußwassers eine Bewässerung in den kühlen Jahreszeiten erfolgen,
so daß hier die Vegetation angeregt wird.
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Eine bevorzugte Verwendung eines der Wärme speicher nach der vorliegenden
Erfindung besteht darin, daß dieser Wärmespeicher in Verbindung mit einem Kernkraftwerk
zur Abwärmeverwertung zur Anwendung kommt.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Wärmespeicher in Verbindung
mit einem Wasserspeicher zur Anwendung kommt, dem das nach Ausnutzung der Abwärme
abgekühlte Wasser zugeführt wird. Dieser Kaltwasserspeicher dient dann als Vorrat
für Kühlwasser für das Kernkraftwerk.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt. In
dieser zeigen: Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen ersten Wärmespeicher nach der
Erfindung in Form eines Wassersees; Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt im Randbereich
des Wärmespeichers; Fig. 3 einen Ausschnitt aus einer zur Abdeckung des Wassersees
dienenden Isolierung; Fig. 4 ein Teilelement einer Isolierung zur Abdeckung des
Wassersees; Fig. 5 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Wärmespeicher
nach der Erfindung; und Fig. 6 eine schematische Darstellung für eine Anwendung
eines Wärmespeichers nach der Erfindung.
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In Fig. 1 ist ein Wärmespeicher in Form eines Wassersees dargestellt,
der in einem Gelände 1 angelegt und mit einem Damm 2 umgeben ist. Mit
3
ist der Speicherraum bezeichnet, in welchem Warmwasser 4 gespeichert wird. Mit 5
ist die Beckensohle, mit 6 der Niedrigwasserstand und mit 7 der höchste Wasserstand
bezeichnet. Um den Wassersee herum ist noch innerhalb des Bereiches des Dammes 2
eine erste Dichtungsschmalwand 8 vorgesehen, die in üblicher Weise hergestellt ist
und bis zu einer wasserundurchlässigen Schicht reicht. Diese Dichtungsschmalwand
soll einen Austausch zwischen dem Grundwasser und dem gespeicherten Warmwasser 4
verhindern. Da diese Dichtungsschmalwand 8 nie mit Sicherheit das gewünschte Ziel
erreicht, ist in einigem Abstand eine weitere Dichtungsschmalwand 9 vorgesehen.
Wenn man nun in dem Ringraum zwischen den beiden Dichtungsschmalwänden 8 und 9 das
Leckwasser auf einem Niveau hält, auf dem sich das Grundwasser befindet, so wird
weitgehend ein Austausch zwischen dem Warmwasser 4 und dem Grundwasser erfolgen.
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Auf dem Warmwasser 4 ist eine schwimmende Isolierschicht 10 angeordnet,
die eine Vegetationsschicht 11 trägt. Von der Dammkrone aus erstreckt sich bis zur
Beckensohle 5 eine sanft abfallende Böschung 12, die mit einer Gleitschicht 13 aus
Asphalt-Zement oder Erdbeton hergestellt ist und das Gleiten der Isolierschicht
10 bei Wasserstands schwankungen erleichtern soll.
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Die Isolierschicht 10 besteht, wie dies aus den Fig. 2 bis 4 zu entnehmen
ist, aus einzelnen Tafeln 15, die mittels Kupplungsstücken 16 und 17 aneinanderhängbar
sind, Die Tafeln 15 sind doppelwandig hergestellt, wobei der Hohlraum mittels Kunstschaumstoff
14 aufgefüllt ist. Zur Versteifung der hohlen, aus Polyvenylchlorid oder Polyäthylen
bestehenden Tafeln sind Profilstäbe 18, 19, 20, 21 und 22 vorgesehen, die ein Gitter
im Randbereich bilden, während der innere Teil mit Kunstschaumstoff 14 ausgefüllt
ist. An der Unterseite der Isolierschicht sind Gleitschuhe 23 und Abdichtungslappen
24 vorgesehen. Die Gleitschuhe 23 ruhen auf der
Gleitschicht 13
der Böschung 12 des Speicherbeckens auf. Die Abdichtungslappen 24 schließen zwischen
sich Kammern 25 ein, die eine weitere Abdichtung gegen einen Wärmeaustausch in dem
Zwischenraum zwischen der Gleitschicht und der Isolierschicht bewirken. Mit 26 ist
ein umlaufender Rand bezeichnet, der eine Rinne 27 begrenzt, die zur Ableitung des
Regenwassers dient, damit dieses nach Möglichkeit nicht zwischen die Gleitschicht
13 und die Isolierschicht 10 gelangt.
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In Fig. 5 ist ein anderer Wärmespeicher im Schnitt dargestellt, bei
dem durchlässiges Bodenmaterial in Form von Kiesaufschüttungen als Speicher~ material
mit herangezogen wird. Der in Fig. 5 dargestellte Speicher ist dur ch eine Dichtungsschmalwand
28 und zusätzlich durch eine im Abstand hierzu angeordnete weitere Schmalwand 29
umgrenzt. Die beiden Schmalwände 28 und 29 reichen bis in eine wasserundurchlässige
Schicht 30 hinein, auf der eine mächtige Kiesablagerung aufruht, die das zu speichernde
warme Wasser aufnehmen soll und welche als nicht transportfähiges Speichermittel
dient, Diese Kiesschicht ist mit dem Bezugszeichen 31 bezeichnet.
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Uber dieser Kiesschicht 31, die als Speichermittel dient und die das
zu speichernde Warmwasser aufnimmt, sind Sickerrohre 32 angeordnet, die mit einem
sogenannten Warmwasserbrunnen 33 in Verbindung stehen und zusammen mit diesem einen
Horizontalbrunnen bilden, der mit einem an der Erdoberfläche 34 vorgesehenen Brunnenschacht
35 in Verbindung steht. Oberhalb der Sickerrohre 32, die in einer nach dem Abheben
des Erdbodens aufgelegten etwa 50 cm dicken Schotterschicht eingebettet sind, ist
eine Dampfsperre 36 in Form einer Schwarzdecke angeordnet, über welcher eine etwa
2 m hohe Schotterschicht 37 abgelagert ist, die als Isolierschicht dient. Diese
Schotterschicht kann auch durch eine etwa 20 cm dicke Kunstschaumstoffschicht ersetzt
sein. Auf der als Isolierschicht 37 dienenden Schotterschicht ist eine weitere
Schwarzdecke
38 als Sperrschicht gegen eindringendes Regenwasser angeordnet. Darüber befindet
sich eine dünnere Schicht 39 aus Sand und Kies, auf der dann eine etwa 50 cm dicke
Humusschicht 40 abgelagert ist, die zur Bepflanzung dient.
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Von dem Brunnenschacht 35 ausgehend ist ein bis zur wasserundurchlässigen
Schicht 30 reichender Kaltwasserbrunnen 41 vorgesehen, der über Leitungen 42 rnit
einem Vertikalbrunnen 43 in Verbindung steht, der in dem Ringraum 44 zwischen den
beiden nichtungs s chmalwänden 28 und 29 gebildet ist. Mittels des Vertikalbrunnens
43 wird der Grundwasserspiegel 45 außerhalb der Dichtungssc11rllalwand 29 und der
sich auf Grund von Leckwasser einstellende Wasserspiegel 46 im Ringraum 44 etwa
in gleicher Ilühe gehalten, um ein Abströmen von Leckwasser in den Grundwasserstrom
und damit ein Ausströmen von Warmwasser aus dem Speicherraum zu verhindern. Das
in den Ringraum 44 eindringende Leckwasser wird mittels des Vertikalbrunnens 34
dem Kaltwasserbrunnen 41 und damit dem Speicher wieder zugeführt.
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In Fig. 6 ist in schematischer Weise ein Anwendungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Wärmes peichers in Verbindung mit einem Kernkraftwerk und einem
Gasturbinenkraftwerk dargestellt. In dieser Darstellung ist mit 47 ein Kernkraftwerk,
mit 48 ein Gasturbinenkraftwerk, mit 49 ein Wärmespeicher nach der Erfindung, mit
50 ein Kaltwasserspeicher und mit 51 ein Mischer bezeichnet.
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Das für die Kühlung im Kernkraftwerk benötigte Wasser wird nach seiner
Erwärmung mit etwa 900 über eine Leitung 52 dem Wärmespeicher 49 während der Zeit
von 19 Uhr bis 7 Uhr zugeführt. In der Zeit von 7 bis 19 Uhr wird Warmwasser mit
etwa 90 dem Wärmespeicher 49 entnommen und über eine Leitung 53 dem Gasturbinenkraftwerk
48 zugeführt. Nach der Abkühlung geIangt das Wasser mit etwa 150 über eine
Leitung
54 zum Mischer 51 Dort wird es rnit Wasser, das über eine Leitung 55 aus einer Fernheizung
zurückströmt, gemischt und dem Kaltwas s e rs peicher 50 zur Verfügung gestellt.
Dem Gasturbinenkraftwerk wird jedoch nicht so viel Wasser zugeführt, wie in den
Wärmespeicher 49 aus dem Kernkraftwerk gelangt, denn ein Teil des Wassers wird in
eine Leitung 56 abgezweigt, die zu einer Fernheizung führt, Die Zuführung voll Warmwasser
aus dem Kernkraftwerk zum Wärmespeicher erfolgt in der Zeit von 19 bis 7 Uhr, während
in der Zeit von 7 bis 19 Uhr das im Kernkraftwerk erwärmte Wasser dem Kaltwasserspeicher
zugeführt qird, In dieser Zeit werden bei einer angenommenen erzeugten elektrischen
Leistung von 100 MWE (elektrisch) 200 MWA (Abwärme) erzeugt, während in den Nachtstunden
zwischen 19 und 7 Uhr bei einer erzeugten elektrischen Leistung von 20 NIWE etwa
250 MWA anfallen.
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Bei diesen Leistungen sind der Wärmespeicher und der Kaltwasser-3
speicher auf eine Kapazität von 200 000 m ausgelegt.
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Der besondere Vorteil dieser Anordnung, der sich aus der Verwendung
des Wärmespeichers in Verbindung mit einem Kraftwerk ergibt, besteht darin, daß
die Speicher unterirdisch angelegt sind, daß Speicherbetrieb und Kühlbetrieb eine
Einheit bilden und daß kein Stromverbrauch für die Kühlung während des Tages anfällt.
Schließlich kann die angefallene Wärme für die Fernheizung genutzt werden, so daß
die bisher üblichen Kühleinrichtungen zumindest während der Wintermonate durch die
Heizkörper in den einzelnen Haushalten gebildet sind.
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Patentans prüche
L e e r s e i t e