WO2014072415A1 - Pumpspeicher-wasserkraftwerk und energieerzeugungs- und speichersystem mit einem solchen kraftwerk - Google Patents

Pumpspeicher-wasserkraftwerk und energieerzeugungs- und speichersystem mit einem solchen kraftwerk Download PDF

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WO2014072415A1
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water
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Eyhorn, Alexander
Yarayan, Ali
Senocak, Kemal
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    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the present invention relates to a pumped storage hydroelectric power plant according to the preamble of the main claim. Furthermore, the present invention relates to a power generation and storage system having at least one such pumped storage hydroelectric power plant.
  • Pumped storage power plants are well known in the art; Such power plants serve to store and generate electrical energy by utilizing a (can be overcome by a pumping action) height difference between a storage position of a carrier medium (typically water) and a lower, deflated position from the high-altitude memory. More specifically, the pumped storage power plant uses the difference in potential energy present in this altitude difference which the medium contains when pumped into the storage position and which is released again by the outflow, typically by means of turbines and associated generators through which the medium flows.
  • a carrier medium typically water
  • the pumped storage power plant uses the difference in potential energy present in this altitude difference which the medium contains when pumped into the storage position and which is released again by the outflow, typically by means of turbines and associated generators through which the medium flows.
  • Pumped storage power plants have the advantage through this storage effect that they are largely independent of daytime, seasonal, climatic or other environmental conditions, for example in contrast to typical regenerative energy production principles, and both storage operation (ie pumping) and power generation operation (ie Discharging the medium through a turbine device) can be performed practically at any time.
  • the electrical energy storage capacity of such a power plant is then primarily determined by the difference in height and an effective absorption capacity of the medium storage.
  • Pumped storage power plants are then not only suitable for buffering or securing supplied grid power, in particular such a pumped storage power plant is also suitable for, possibly in direct local cooperation, the inherent fluctuating electrical energy yield of regenerative energy generation systems, such as photovoltaic or wind turbines their storage effect too comparable.
  • pumped storage power plants - inherent - - have disadvantages. Due to an efficiency of at most approx. 80% (based on the ratio of fed-in to purchased electrical energy from such a power plant), the electrical losses are not inconsiderable.
  • hitherto typically above-ground location of pumped storage power plants numerous environmental, administrative and public acceptance problems stand in the way of a widespread use of such pumped storage power plants.
  • Typical dam walls require high construction costs and pose safety risks.
  • Environmental consequences which often have a negative public perception, are problems of accessibility or routing.
  • the object is achieved by the pumped storage hydroelectric power plant with the features of the main claim and the independent claims 12 and 13; additional independent protection is claimed for a power generation and storage system having at least one such pumped storage hydroelectric power station according to the independent patent Claim 14.
  • the dependent claims referring back to the main claim apply equally to the further development of the independent claims 12 to 14, as far as technically expedient.
  • the present invention firstly goes back to the basic idea of the aboveground pumped storage hydroelectric power plant, in which, along the shaft means, the water flowing down accelerates essentially at atmospheric pressure and thus converting the (original) potential energy into the kinetic energy driving the turbine or generator means.
  • shaft means in the context of the invention means any structural means which at the intended operating position of the pumped storage hydroelectric power plant, namely with water tank anchored to the seabed and the water inlet which is increased towards this and preferably reaches almost to the water surface Train fall course; It should be considered as a preferred feature of this shaft means to be mechanically rigid and inflexible, thereby either a round, oval or polygonal cross-section to design and have a diameter which is so large that when entering amount of water for the case route preferably no turbulence, dusting or the like. Resistance or braking effects occur, analogous to an above-ground, free fall distance.
  • the shaft means according to the invention additionally or alternatively, the carrier structure provided furthering, then permit in a surprisingly simple and effective manner not only the mounting and holding of the regenerative energy generating devices which synergistically cooperate with the pumped storage hydroelectric power station, insofar as the system according to the independent claim is realized.
  • a shaft or support structure allows the advantageous simple and reliable provision of a vent of Wartungst. Supply and discharge units or similar infrastructure.
  • the shaft means according to the invention are not limited to a single shaft; In the context of the invention, rather, a plurality of shafts, such as suitably adjacent or spaced, for a common water tank and / or multiple shafts, associated with a plurality of individual tanks, realization forms such shaft means.
  • the invention comprises, along the fall distance, so sequentially with respect to a fall path of the water quantity to provide a plurality of turbine units of the turbine or generator means and to space them along the fall distance from each other;
  • the power generation can be optimized over long drops, namely, even if a fall velocity along the fall distance is limited by air resistance or flow effects and thus along the fall distance a multiple Number of successive turbine or generator means divides this drop distance in a plurality of individual sections.
  • venting means further to this venting means such that they vent during a venting operation (ie when air flows in).
  • Fluid in the water tank when emptying equally in the reverse flow direction when filling the water tank by inflowing water
  • this additional electrical power generation which in the usual way by a gas turbine or the like.
  • the Generator can be realized, efficiency-enhancing and synergistic with the turbine or generator means according to the invention for the incoming water, which additionally preferably these supplementary venturi turbine means can be assigned either directly adjacent to the tank or the turbine and generator means for the inflowing water to the extent a associated wiring, control or connection electronics or the like. to be able to use
  • the (additional) venturi turbine means are electrically connected to the turbine or generator means according to the invention.
  • the support structure provided as an alternative or in addition to the shaft means offers the possibility of to use existing or (re) usable maritime carriers such as (oil) platform structures or the like known systems.
  • the present invention offers in a surprisingly simple way the opportunity to use such existing infrastructure (such as in the rather flat North Sea) for anchoring the ocean floor water tank, in addition to guiding or anchoring the shaft means and then at one or all
  • these structures should advantageously be used, reliably anchored and, with little effort, supplied to a short-term power generation operation.
  • the present invention makes it possible in a particularly simple and elegant manner to make the water tank suitable for anchoring on or to the seabed in a modular, flexible manner. to be mounted and / or exchangeable.
  • modular hollow body according to the invention are designed so that these, more preferably individually or in smaller module groups, brought to a site, there sunk on the seabed - and still above water or only at the site under water - can be connected to each other.
  • the water outlets provided for further development offer the advantage that suitably mechanically stable, the hollow bodies individually and only for themselves, have to fulfill the pressure and stability criteria on the seabed, and nevertheless then become a fluidic whole, therefore, depending on the number and design the hollow body, an underwater receiving space is created as a water tank according to the invention, which in each case flexible can be adapted to the desired or required geographic and energy requirements.
  • both of the modules and of the (entire) water tank can further develop and improve the advantages according to the invention;
  • cylinder-shaped, cylindrical-segment-shaped, cylindrical-segment-shaped or helical contours are equally suitable, both with respect to a (single) module and to a chaining of several modules in the mounted state, as well as with respect to a final shape of the the majority of modules (hollow body) composite water tanks.
  • a rotational body such as ellipsoid of revolution
  • about a single hollow body would be designed as a segment of such a rotational body.
  • a further development of the invention provides for designing the pumped-storage hydroelectric power station according to the invention, more preferably with aggregates for power generation directly adjacent to the shaft means, to be mobile or portable.
  • the development of the invention provides to associate the pumped storage hydroelectric transport means which either directly in the form of drive units or the like. can be connected, alternatively by tugs or other maritime transport units, which can be added and connected in case of need and situational feasible.
  • the present invention provides in a surprisingly simple and potentially practical way the conceptual advantages and simplicity of a (overwater) pumped storage hydropower plant together with the approaches of DE 10 201 1013329 A1 which, in departure from flowing water under atmospheric pressure, to (significantly higher) water pressure at significantly lower depth of use of the water tank sets. It can therefore be expected that the present invention will open up a completely new dimension of undersea electrical energy storage and generation, not least as the shallower coastal waters become accessible to the technology for the first time, and existing and already used regenerative energy (eg wind energy) in the coastal area. with the help of the present invention also constructive and directly local and can be integrated.
  • a hexagonal water tank 10 of a (same) edge length of 54 m has a filling volume of approximately 1 15,000 m 3 at an internal height of 15 m.
  • This tank made of a metal material and reinforced by braces (not shown) in the interior, is suitably manufactured in a shipyard or the like, and, after sinking into the (typically coastal) sea at the seabed 12 by anchoring means 14 anchored.
  • a tubular shaft 16 of an inner diameter of about 3m is formed, between see this 30m long, a fall section for inflowing water offering shaft 16 and an inlet to the water tank 10, a turbine housing 18 is provided, in which a (schematically shown) turbine 20 is mounted so that flows through the shaft 16 and accelerated along the vertical drop route water through the turbine 20 with the maximum possible speed and thus generates electrical energy, which are again shown schematically cable means 22 to suitable distribution node can.
  • FIG. 1 additionally explains, surrounding the shaft 16 and in addition mechanically supporting, a carrier unit 24 is provided, which on the bottom side mechanically with the water. Sertank 10 and the turbine housing 18 is connected and, vertically dimensioned according to the fall distance, a mounting platform 25 for regenerative energy generating means in the form of an arrangement of wind power generators 30 offers.
  • FIG. 1 shows a ventilation pipe 32 guided in the wall region in the interior of the shaft, which projects into the tank at one end through the inlet and outside an area of action of the turbine 20 and otherwise protrudes so far from a schematically represented (maximum) water surface in that even with the maximum tidal range and / or sea state, an upper opening of this vent tube 32 remains free, thus ensuring that the container interior of the tank 10 is vented to the upperwater environment at all times through this tube 32.
  • a ventilation pipe 32 guided in the wall region in the interior of the shaft, which projects into the tank at one end through the inlet and outside an area of action of the turbine 20 and otherwise protrudes so far from a schematically represented (maximum) water surface in that even with the maximum tidal range and / or sea state, an upper opening of this vent tube 32 remains free, thus ensuring that the container interior of the tank 10 is vented to the upperwater environment at all times through this tube 32.
  • Fig. 1 Not shown in Fig. 1 are also the water tank 10 associated pumping means, which preferably laterally or bottom-side attack on the tank 10 and can cause a discharge of the tank 10 in response to a control of the pumps provided therein. In this case, a work of these drainage pumps takes place against the current in the illustrated water depth water pressure. The floating of a partially or completely emptied water tank 10 prevent the appropriately dimensioned anchors 14.
  • anchorages are formed so that these, in the manner of a buffer, an (additional) air-filled tank or the like, under the water tank 10th grab and so prevent too far lowering this water tank 10 when filling; This is of particular importance, if by such measures, such as due to an irregular surface on the seabed, the water tank on the bottom side should not sit on the ground.
  • the operation of the apparatus shown in FIG. 1 as a power generation and storage system for regenerative energy generated by the windmills is as follows: energy from these generators (such as during periods of intense wind) is used to (as fully as possible) supply the water tank 10 by means of the pumping means Drain. Also provide for such a discharge operation times, to which (the line 22 downstream) consumers or distributors have no energy demand from the system shown in Fig. 1.
  • a (completely or partially) emptied tank 10 then offers the possibility of generating electrical energy even during doldrums or other non-operating states of the wind turbines 30 (for example in the maintenance mode). This is accomplished by opening the valve or shut-off means 38 provided in the inlet region of the duct 16, which are typically slightly below a (minimum) water level for realizing a reliable inflow behavior for surrounding seawater, so that seawater reaches the uppermost edge region of the duct Enter 16 and can be accelerated along the drop path formed by the shaft 16 to the turbine 20.
  • 30 energy is then obtained in the desired manner and regardless of a current operating state of the wind turbines.
  • Fig. 1 is not only plausible manner with conventional techniques (such as from the shipbuilding sector) produced, mounted and anchored, also offers the limited drop height, insofar corresponding to a typical depth of the sea from here assumed 30m, the opportunity to use, for example, the northern European offshore area (which, as far as synergistic, promises high wind energy yields).
  • the low installation and operating depth compared with the state of the art facilitates any set-up and maintenance work, in turn associated with comparatively low (pressure) load of the units operated in this water depth.
  • the second embodiment of Figure 2 differs in that on an additional cost significant support structure (24 in Figure 1) could be omitted in the vertical. Only an upper platform region 25 supported by the tubular shaft 16 is here a mounting base for the wind power plants 30 shown by way of example.
  • the comparison of the embodiments of FIGS. 1, 2 also clarifies the inherent flexibility of the present invention Namely, it also makes sense and preferable, if necessary, to use already existing support structures, oil platforms or other units that already already offer additional bottom anchors or other units as a support structure 24, and then to use them with correspondingly reduced support. wall to provide a shaft 16 for the water-fall distance and lead in the necessary manner vertically and cross-section or stabilize.
  • the required low water depth according to the invention has an effect, which additionally promises a virtually universal usability of the present invention in a multiplicity of water or coastal contexts, and the person skilled in the art does not necessarily consider a marine coastal context suitable for the present one Seeing the invention, but this would also realize about in coastal areas (larger) lakes or the like.
  • the present invention is also suitable for use in the open sea and / or in connection with great depths of the sea, which in turn does not necessarily require anchorage of the water tank directly to the seabed, but also by suitable floats or the like in connection with ground anchors can be kept in a position spaced from the seabed.
  • FIG. 3 with the individual views 3 a to 3 d illustrates an additional further development possibility of the invention, which can replace or supplement an initially simple monolithic water tank 10 by a modularized arrangement of a plurality of tank elements 1 1, which, approximately in the manner of FIG. 3a and 3b, adjacent to each other and forming suitable (not shown) water passages between them, modular structures in the manner of a chain 40, 40a can form, and which further development according to complex such as by appropriate circular arrangement in the manner shown in FIG (Nevertheless, favorable in terms of flow and in terms of space consumption) can form Torus Weg, as shown for example the figure views 3c and 3d for such a closed ring 42 as a water tank.
  • any tank volumes can be formed from suitably shaped individual bodies 1 1 (which in the example of FIG. 3 are again configured with an exemplary hexagonal base), which then either be connected directly to a place of use still in the water surface before sinking with each other (as in the Fig. 3c and Fig. 3d shown shape), or spent after individual sinking on the seabed in such a form.
  • After connecting the individual modules to each other to achieve a total fluidic tank would then, as in the manner described, by emptying with the associated underwater pumping means against appropriate energy use such tank ready for receiving incoming water (again by suitable inlet side associated turbine means) can.
  • FIGS. 1, 2 illustrate corresponding variants of the first and second embodiments described above;
  • the water tank 10 is replaced directly by the arrangement of the plurality of individual modules 42, again denoting identical reference numerals with respect to the exemplary embodiments of FIGS. 1, 2 to the same or functionally equivalent functional components.
  • FIGS. 4 and 5 also differ in that, depending on the intended use, the design of the shaft tube 16 and possibly already existing carrier infrastructure (reference numeral 44 in FIG. 4) is either the shaft 16 through such an additional carrier structure can be guided and supported or reinforced, or, in accordance with mechanically stable design, such an additional support structure can also be omitted (Fig. 5). In this case, then the support platform 25 would be exclusively on the shaft 16 rest, while in the embodiment of Fig. 4 in addition, the support structure 44 offers a mechanical support.
  • FIGS. 4 and 5 show (again by way of example) additional variants of alternative (and in turn preferably regenerative) generators, which can also be used in the manner of a generator mix:
  • suitable photovoltaic power generation devices in the form of the schematically shown Panels 46
  • alternative floating wind generators 48 wave or Tidengeneratoren 50 or the like variants of environment-suitable power generator can be used.
  • the invention is also suitable for interacting with generators floating on or in the water (optionally also remotely coupled to the system), such as, for example. suitable floating, with steel cables or the like on the support structure 44 and the shaft 16 fixed wind wheels.
  • suitable generators floating on or in the water optionally also remotely coupled to the system
  • suitable floating with steel cables or the like on the support structure 44 and the shaft 16 fixed wind wheels.
  • the person skilled in the art will select, dimension and mix suitable generators in accordance with local conditions, typical climatic conditions and similar parameters, again taking into account the maximum filling capacity offered by the water tank 42 and an energy requirement for empty
  • FIG. 6 shows a further development according to the invention, which can be suitably combined with all of the above-described exemplary embodiments.
  • a single turbine symbolized by 20
  • the provision of a plurality of along the fall direction takes place (Thus, according to the vertical in the plane of the figure) provided individual turbines 20 a, 20 b, etc.
  • a partial height h t is dimensioned so that upon reaching an upstream turbine 20 a an impinging amount of water has reached its approximate maximum speed, a first stage of electrical power generation already takes place here; from the turbine 20a leaking water has then again in accordance with a subsequent part height h t (possibly here to extend by a corrective for an outlet of 20a) until reaching a subsequent turbine 20b again reached in some their maximum possible speed.
  • This arrangement can be cascaded, symbolized by the arrow flock 50, suitably, and corresponding to a predetermined total shaft distance.
  • the present invention is not limited to the described embodiments, configuration options and / or dimensioning examples; Rather, it is clear that with the principle according to the invention almost any variants can be generated, which can adapt both territorially-geographically, and climatically, as well as energy-technically-capacitive to respectively required or desirable specifications and conditions.
  • the invention features, in particular the shaft means, the (further development according to the invention) support structure or the like. to use existing funds or infrastructures.
  • the water tank according to the invention is connected in the armature or floor area to an already existing support structure, for example an oil production platform, so that to that extent the anchor means present there are shared; the carrying and conveying frame of such an oil production platform could then serve to guide and hold the shaft means according to the invention, in addition take over the task of bored Siegsdorfen carrier structure and provide approximately on the (surface) platform of the unit mounting the power generating devices as electrical units.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicher-Wasserkraftwerk mit einem auf oder an einem Meeresboden verankerbaren Wassertank (10; 42), einem Wassereinlass des Wassertanks zugeordneten Turbinen- und/oder Generatormitteln (20) und zum zumindest teilweisen Entleeren des Wassertanks in einem verankerten Zustand ausgebildeten Pumpenmitteln, wobei der Wassereinlass Schachtmittel (16) aufweist, die für in einen Schachteinlass (38) der Schachtmittel eintretendes Wasser eine Fallstrecke zu den Turbinen- bzw. Generatormitteln anbieten.

Description

Pumpspeicher-Wasserkraftwerk und Enerqieerzeuqunqs- und Spei- chersystem mit einem solchen Kraftwerk
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pumpspeicher-Wasserkraftwerk nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Energieerzeugungs- und Speichersystem, welches mindestens ein solches Pumpspeicher-Wasserkraftwerk aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind Pumpspeicherkraftwerke allgemein bekannt; derartige Kraftwerke dienen der Speicherung und Erzeugung elektrischer Energie durch Nutzung eines (durch einen Pumpvorgang überwindbaren) Höhenunterschieds zwischen einer Speicherposition eines Trägermediums (typischerweise Wasser) und einer tiefer liegenden, abgelassenen Position aus dem hochgelegenen Speicher. Genauer gesagt nutzt das Pumpspeicherkraftwerk die in diesem Höhenunterschied liegende Differenz an potenzieller Energie, welche das Medium beim Pumpen in die Speicherposition enthält und welche - typischerweise mittels geeignet von dem Medium durchströmten Turbinen und zugehörigen Generatoren - durch das Ausströmen wieder freigesetzt wird.
Pumpspeicherkraftwerke besitzen durch diese Speicherwirkung den Vorteil, dass sie - etwa im Gegensatz zu typischen regenerativen Energieer- zeugungsprinzipien - weitgehend unabhängig von tageszeitlichen, jahreszeitlichen, klimatischen oder anderen Umweltbedingungen sind und sowohl der Speicherbetrieb (d.h. das Pumpen) als auch der Energieerzeugungsbetrieb (d.h. das gesteuerte Auslassen des Mediums durch eine Turbinenvorrichtung) praktisch zu jedem beliebigen Zeitpunkt durchgeführt werden kann. Die elektrische Energiespeicherkapazität eines solchen Kraftwerks wird dann primär bestimmt durch den Höhenunterschied sowie eine wirksame Aufnahmekapazität des Mediumspeichers. Damit eignen sich dann Pumpspeicherkraftwerke nicht nur zur Pufferung bzw. Sicherung herangeführten Netzstroms, insbesondere bietet sich ein derartiges Pumpspeicherkraftwerk auch an, um, ggf. im unmittelbaren lokalen Zusammenwirken, die prinzipbedingt schwankende elektrische Energieausbeute von regenerativen Energieerzeugungssystemen, wie etwa Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, durch ihre Speicherwirkung zu vergleichsmäßigen.
Allerdings weisen auch Pumpspeicherkraftwerke - prinzipbedingte - Nachteile auf. Durch einen Wirkungsgrad von maximal ca. 80% (bezogen auf das Verhältnis von eingespeister zu bezogener elektrischer Energie aus einem solchen Kraftwerk) sind die elektrischen Verluste nicht unbeträchtlich. Hinzu kommt, dass bei bislang typischerweise oberirdischer Verortung von Pumpspeicherkraftwerken zahlreiche umwelttechnische, verwaltungsrechtliche und öffentliche Akzeptanzprobleme einer weiten Verbreitung derartiger Pumpspeicherkraftwerke entgegenstehen. So bieten sich, wiederum prinzipbedingt, nur wenige Berg-/Talregionen an, um mit wenig zusätzlichem Bauaufwand ein hinreichend hochgelegenes Speicherbecken zu realisieren, welches dann zu einem signifikant niedriger gelegenen Turbinenort entleert werden kann. Typische Staumauern erfor- dem hohen Bauaufwand und bedeuten Sicherheitsrisiken. Zu ökologischen Konsequenzen, welche häufig eine negative öffentliche Wahrnehmung prägen, kommen Probleme in der Zugänglichkeit oder der Leitungsführung. Auch weisen, im Hinblick auf den vorbeschriebenen potenziell synergistischen Dualismus zwischen Pumpspeicherkraftwerk und regenerativem Energieerzeugungssystem, oberirdische Speicherstandorte häufig das Problem auf, dass diese nicht gleichermaßen gute Standorte etwa für eine Photovoltaik- oder Windkraf tan läge sind. Im Ergebnis entsteht damit das Problem, die Herstellung- und Betriebsbedingungen für Pumpspeicherkraftwerke, insbesondere für ein Pumpspeicher-Wasserkraftwerk, signifikant zu verbessern, dabei vor allem die Voraussetzungen für niedrigere Herstellungsschwellen zu schaffen. Seit kurzem wird daher in der Öffentlichkeit der Gedanke diskutiert, ein solches Kraftwerksprinzip in den Unterwasserbereich zu verlagern. Indem etwa der in einer vorgegebenen Wassertiefe herrschende Wasserdruck ausgenutzt wird, um (insoweit analog dem Pumpspeicher- Wasserkraftwerk) eine Turbine zu durchströmen und entsprechende elekt- rische Energie zu erzeugen, wird insbesondere das inhärente ökologische Problem eines überirdischen Speicherstandorts überwunden. Eine derartige Vorrichtung zeigt die DE 10 201 1 013 329 A1 , welche etwa seit Mitte des Jahres 201 1 auch in der Fach- und Tagespresse breit diskutiert wird. Dieser Beitrag zum Stand der Technik lehrt das Vorsehen eines (typischerweise kugelförmigen) Wassertanks auf einem Meeresboden in einer Tiefe von typischerweise 2000m. In einem (durch Pumpenwirkung) entleerten Zustand dieser Vorrichtung ergibt sich damit die Möglichkeit zur elektrischen Energieerzeugung dadurch, dass (wiederum durch geeignete Turbinenmittel) in diesem Tank einströmendes Wasser, proportional zur Wassertiefe und zum dort herrschenden Wasserdruck, die elektrische Energieerzeugung bewirkt.
Allerdings ist auch ein derartiges Vorgehen technisch aufwändig und ope- rativ nicht unproblematisch: Zum einen ist das Herstellen und das nachfolgende Versenken bzw. Verankern des Wassertanks (dieser muss zum Erreichen notwendiger Speicherkapazität eine beträchtliche Größe aufweisen) nicht unproblematisch, wobei zugehörige Technologien noch nicht serienreif sein dürften. Zusätzlich ist das Vorsehen sowohl des Einlasses (mit der notwendigen Turbinenvorrichtung) samt zugehöriger Ventil- bzw. Klappensteuerung in der Zieltiefe 2000m genauso problematisch, wie das Realisieren des Auslasses samt der dort notwendigen Pumpenmittel, um den Wassertank - gegen entsprechenden elektrischen Energieeinsatz - überhaupt erst in den befüllungstauglichen Leerzustand zu versetzen. Hinzu kommt, dass zur praktischen Funktionsfähigkeit dieser Tank zur Atmosphäre hin entlüftet sein muss, was im beschriebenen Stand der Technik gemäß DE 10 201 1 013 329 A1 mit Hilfe eines lediglich schematisch angedachten Schlauches erfolgen soll. Es ist ersichtlich, dass bei den gezeigten Wassertiefen auch diese Entlüftung nicht unbeträchtliche Realisierungs- und Betriebsprobleme bringen dürfte.
Ausgehend von diesem als gattungsbildend angesehenen Stand der Technik stellt sich daher, zusätzlich zur vorbeschriebenen allgemeinen energietechnischen Herausforderung, die Problematik, ein derartiges unterseeisch vorzusehendes Wasserkraftwerk einfacher in der konstruktiven Realisierung, der Einrichtung und Montage vor Ort sowie in der Betriebssicherheit zu gestalten; im Gegensatz zu den bekannten überirdischen Speicher-Wasserkraftwerken bietet das unterseeische Prinzip das zusätzliche Problem einer deutlich verschlechterten Zugänglichkeit für Wartungsoder Reparaturzwecke, selbst wenn die Montage und Inbetriebnahme er- folgreich stattgefunden hat.
Die Aufgabe wird durch das Pumpspeicher-Wasserkraftwerk mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie der unabhängigen Patentansprüche 12 und 13 gelöst; zusätzlich unabhängiger Schutz wird beansprucht für ein Energieerzeugungs- und Speichersystem mit mindestens einem solchen Pumpspeicher-Wasserkraftwerk nach dem unabhängigen Patent- anspruch 14. Die auf den Hauptanspruch rückbezogenen abhängigen Patentansprüche gelten als gleichermaßen weiterbildend für die unabhängigen Patentansprüche 12 bis 14, soweit technisch sinnvoll. In Abkehr von dem aus der gattungsbildenden DE 10 201 1 013 329 A1 als bekannt vorausgesetzten Energieerzeugungsprinzip geht zunächst die vorliegende Erfindung zurück zu dem Grundgedanken des oberirdischen Pumpspeicher-Wasserkraftwerks, bei welchem, entlang der Schachtmittel, im Wesentlichen bei Atmosphärendruck das herabströmende Wasser be- schleunigt wird und so die (ursprüngliche) potenzielle Energie in die Turbinen- bzw. Generatormittel treibende kinetische Energie wandelt.
Bereits aufgrund geltender Strömungs- und Widerstandseffekte ist eine effektive Höhe einer mit den Schachtmitteln ermöglichten Fallstrecke begrenzt, bietet aber damit auch die Möglichkeit, erfindungsgemäß das Pumpspeicher-Wasserkraftwerk in wesentlich geringeren Wassertiefen auf oder an dem Meeresboden zu verankern, als es beim gattungsbildenden Stand der Technik der Fall ist. Damit ergeben sich dann insbesondere beträchtliche Vorteile bei der Herstellung, Einrichtung (Montage) und im laufenden Betrieb bzw. für die Wartung, wobei zusätzlich vorteilhaft eine derartige Anlage sich dann auch für Küstenbereiche eignet, welche typischerweise nicht die (zum Betrieb der gattungsgemäßen Anlagen erforderliche) Meerestiefe erreichen, sondern welche zusätzlich, lokal benachbart, regenerative Energiesysteme vorsehen lassen, oder sogar, zum Zweck günstiger Ergänzung oder Nachrüstung, bereits existent haben.
Als„Schachtmittel" im Rahmen der Erfindung gelten dabei jegliche strukturellen Mittel, welche an der vorgesehenen Betriebsposition des Pumpspeicher-Wasserkraftwerks, nämlich mit am Meeresboden verankertem Was- sertank und diesem gegenüber erhöhtem, bevorzugt bis annähernd zur Wasseroberfläche reichendem, Wassereinlass die erfindungsgemäße Fallstrecke ausbilden; dabei soll es als bevorzugte Eigenschaft dieser Schachtmittel gelten, mechanisch starr und unflexibel ausgebildet zu sein, dabei entweder einen runden, ovalen oder polygonalen Querschnitt auszugestalten und einen Durchmesser aufzuweisen, welcher so groß ist, dass bei eintretender Wassermenge für die Fallstrecke bevorzugt keine Verwirbelungen, Verstäubungen od.dgl. Widerstands- bzw. Bremseffekte auftreten, analog zu einer oberirdischen, freien Fallstrecke.
Die erfindungsgemäßen Schachtmittel, ergänzend oder alternativ, die wei- terbildungsgemäß vorgesehene Trägerstruktur, gestatten dann in überraschend einfacher und wirksamer Weise nicht nur das Montieren und Halten der synergistisch mit dem Pumpspeicher-Wasserkraftwerk zusammenwirkenden regenerativen Energieerzeugungsvorrichtungen, insoweit zum Realisieren des Systems nach dem unabhängigen Patentanspruch, auch gestattet eine derartige Schacht- bzw. Trägerstruktur das vorteilhafte einfache und betriebssichere Vorsehen einer Entlüftung, von Wartungsbzw. Zu- und Ableitungsaggregaten oder dergleichen Infrastruktur. In diesem Zusammenhang sind die erfindungsgemäßen Schachtmittel nicht beschränkt auf einen Einzelschacht; im Rahmen der Erfindung sind vielmehr auch mehrere Schächte, etwa geeignet benachbart oder beabstandet, für einen gemeinsamen Wassertank und/oder mehrer Schächte, zugeordnet einer Mehrzahl von Einzeltanks, Realisierungsformen derartiger Schachtmittel. Auch ist es weiterbildungsgemäß von der Erfindung umfasst, entlang der Fallstrecke, also sequentiell bezogen auf einen Fallweg der Was- sermenge, eine Mehrzahl von Turbineneinheiten der Turbinen- bzw. Generatormittel vorzusehen und diese entlang der Fallstrecke voneinander zu beabstanden; auf diese Weise und ggf. ergänzt durch geeignete Mittel zur Fluss- bzw. Strömungsführung, lässt sich somit die Energieerzeugung auch über lange Fallstrecken optimieren, nämlich auch dann, wenn durch Luftwiderstands- oder Strömungseffekte eine Fallgeschwindigkeit entlang der Fallstrecke begrenzt ist und somit entlang der Fallstrecke eine Mehr- zahl der aufeinanderfolgenden Turbinen- bzw. Generatormittel diese Fallstrecke in einer Mehrzahl von Einzelstrecken unterteilt.
Wiederum weiterbildungsgemäß ist es besonders bevorzugt, ein in den Wassertank reichendes Entlüftungsrohr oder einen Entlüftungsschlauch an oder in den Schachtmitteln zu führen; diese sorgen damit nicht nur für mechanische Stabilität und Führung, sondern zusätzlich für Schutz vor externen bzw. Betriebseinflüssen und verbessern damit das Betriebsverhalten signifikant. Weiterbildungsgemäß, auch unabhängig von einer kon- kreten Ausgestaltung bzw. Führung eines solchen Entlüftungsrohres bzw. Entlüftungsschlauches, ist es im Rahmen bevorzugter Ausbildungsformen der Erfindung bevorzugt, diesen Entlüftungsmitteln weiterbildungsgemäße Entlüftungsturbinenmittel so zuzuordnen, dass diese bei einem Entlüftungsbetrieb (d.h. beim Einströmen von Luft od.dgl. Fluid in den Wasser- tank bei dessen Entleerung, gleichermaßen in umgekehrter Strömungsrichtung beim Befüllen des Wassertanks durch einströmendes Wasser) diese Strömung selbst wiederum in elektrische Energie umsetzen kann. Offensichtlich ist diese zusätzliche elektrische Energieerzeugung, welche in üblicher Weise durch eine Gasturbine od.dgl. Generator realisiert sein kann, effizienzsteigernd und synergistisch mit den erfindungsgemäßen Turbinen- bzw. Generatormitteln für das einströmende Wasser, wobei zusätzlich bevorzugt diese ergänzenden Entlüftungsturbinenmittel entweder unmittelbar am Tank bzw. den Turbinen- und Generatormitteln für das einströmende Wasser benachbart zugeordnet sein können, um insoweit eine zugehörige Verdrahtung, Steuer- bzw. Anschlusselektronik od.dgl. nutzen zu können; in idealer Ausgestaltung sind die (zusätzlichen) Entlüftungsturbinenmittel mit den erfindungsgemäßen Turbinen- bzw. Generatormitteln elektrisch verschaltet. Zusätzlich bietet etwa die weiterbildungsgemäß alternativ oder ergänzend zu den Schachtmitteln vorgesehene Trägerstruktur die Möglichkeit, unmit- telbar bereits vorhandene oder (wieder-) verwendbare maritime Träger einzusetzen, wie etwa (ÖI-) Plattform strukturen oder dergleichen bekannte Systeme. Damit bietet dann die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher Weise die Gelegenheit, derartige vorhandene Infrastruktur (wie etwa in der tendenziell eher flachen Nordsee) zur Verankerung des mee- resbodenseitigen Wassertanks, zusätzlich zur Führung bzw. Verankerung der Schachtmittel zu verwenden und dann an einer oder aller dieser Strukturen im Überwasserbereich geeignete Energieerzeugungsaggregate - vorteilhaft wären neben photovoltaischen- oder Windgeneratoren insbe- sondere auch im Wasseroberflächenbereich wirksame Wellen- und/oder Strömungsgeneratoren - einzusetzen, zuverlässig zu verankern und mit im Ergebnis geringem Aufwand einem kurzfristigen Energieerzeugungsbetrieb zuzuführen. In wiederum vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung, für welche in Verbindung mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Hauptanspruchs auch unabhängig Schutz beansprucht wird, gestattet es die vorliegende Erfindung in besonders einfacher und eleganter Art, den Wassertank zur Verankerung auf oder an dem Meeresboden geeignet modular, flexibel herstell-, montier- und/oder austauschbar zu gestalten. Indem nämlich weiter vorteilhaft erfindungsgemäße modulare Hohlkörper so ausgestaltet sind, dass diese, weiter bevorzugt einzeln oder in kleineren Modulgruppen, an einen Einsatzort herangeführt, dort auf den Meeresboden versenkt - und noch über Wasser oder erst dann am Einsatzort unter Wasser - miteinander verbunden werden können. Die weiterbildungsgemäß vorgesehenen Wasserdurchlässe bieten den Vorteil, dass geeignet mechanisch stabil, die Hohlkörper einzeln und lediglich für sich selbst, die Druck- und Stabilitätskriterien am Meeresboden erfüllen müssen, gleichwohl dann zu einem strömungstechnischen Ganzen werden, mithin also, je nach An- zahl und Ausgestaltung der Hohlkörper, ein Unterwasser-Aufnahmeraum als erfindungsgemäßer Wassertank geschaffen wird, welcher jeweils flexi- bei an die gewünschten bzw. benötigten geografischen und energetischen Erfordernisse angepasst werden kann.
Wiederum weiterbildungsgemäß ist es dabei sowohl bevorzugt, diese (einzelnen) Hohlkörper mit polygonalen Querschnitts- bzw. Grundflächen auszugestalten, um insoweit ein späteres Zusammenfügen zu vereinfachen, als auch diesen Hohlkörpern, insbesondere im Hinblick auf daraus gebildete größere Strukturen, geeignete Verstrebungen oder dergleichen Verstärkungen zuzuordnen; eine typische Wabenform ist eine bevorzugte Realisierung dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung. Wiederum alternativ können auch andere Formen, sowohl der Module, als auch des (gesamten) Wassertanks, die erfindungsgemäßen Vorteile weiterbilden und verbessern; neben polygonalen Querschnitts- bzw. Grundflächen eignen sich gleichermaßen zylinderförmige, zylinderabschnittsförmige, zylinder- segmentförmige oder schneckenförmige Konturen, sowohl bezogen auf ein (Einzel-) Modul, als auch auf eine Verkettung mehrerer Module im montierten Zustand, als auch bezogen auf eine Endform des aus der Mehrzahl der Module (Hohlkörper) zusammengesetzten Wassertanks. Im Hinblick auf eine mögliche Ausgestaltung des Wassertanks als Rotations- körper, etwa Rotationsellipsoid, wäre dann etwa ein Einzel-Hohlkörper als Segment eines solchen Rotationskörpers auszugestalten.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, das erfindungsgemäße Pumpspeicher-Wasserkraftwerk, weiter bevorzugt mit unmittelbar an den Schachtmitteln ansitzenden Aggregaten zur Energieerzeugung, mobil bzw. ortsveränderbar auszugestalten. Zu diesem Zweck sieht die erfindungsgemäße Weiterbildung vor, dem Pumpspeicher-Wasserkraftwerk Transportmittel zuzuordnen, welche entweder unmittelbar in Form von Antriebsaggregaten od.dgl. verbunden sein können, alternativ auch durch Schlepper oder andere maritime Transporteinheiten, welche im Bedarfsfall und situativ hinzugeführt und verbunden werden können, realisierbar sind. Diese Transportmittel gestatten es dann, dass der in einen Schwebe- bzw. (auf-) schwimmenden Zustand verbrachte Wassertank (bzw. die modulare Mehrheit von den Wassertank realisierenden Hohlkörpern) an eine entsprechende andere, möglicherweise atmosphärisch oder klimatisch güns- tigere Einsatzposition verbracht werden kann. Während es zu diesem Zweck bevorzugt ist, die ohnehin erfindungsgemäß vorgesehene Entleerungsfunktionalität des Wassertanks zum Verbringen der Einheit in einen solchen Schwebe- bzw. schwimmenden Zustand zu nutzen, kann es gleichwohl und wiederum weiterbildungsgemäß vorgesehen sein, geeig- nete (z.B. mit Luft befüllbare) Zusatztanks, Ballast- bzw. Schwimmkörper od.dgl. vorzusehen, welche dann in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Transport- bzw. Antriebsmitteln der vorliegenden Erfindung eine bislang ungeahnte Mobilität und Flexibilität verleihen. Im Ergebnis führt damit die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher und potenziell praktisch nutzbarer Weise die konzeptuellen Vorteile und die Einfachheit eines (Überwasser-) Pumpspeicher-Wasserkraftwerks zusammen mit den Ansätzen aus der DE 10 201 1 013 329 A1 , welche, in Abkehr von strömendem Wasser unter Atmosphärendruck, auf (signifikant höheren) Wasserdruck bei deutlich tieferer Einsatztiefe des Wassertanks setzt. Es steht damit zu erwarten, dass die vorliegende Erfindung der unterseeischen elektrischen Energiespeicherung und - erzeugung eine völlig neue Dimension eröffnet, nicht zuletzt als nunmehr erstmals auch seichtere Küstengewässer für die Technologie zugänglich werden und etwa im Küstenbereich vorhandene und bereits genutzte regenerative Energie (z.B. Windenergie) mit Hilfe der vorliegenden Erfindung auch konstruktiv und unmittelbar lokal an- und eingebunden werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in: eine Schemadarstellung des Pumpspeicher- Wasserkraftwerks gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Zusammenwirken mit an der Trägerstruktur vorgesehenen Windkraftanlagen; eine Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung analog Fig. 1 , jedoch mit unmittelbar an den Schachtmitteln vorgesehenen regenerativen Energieerzeugungsanlagen, insoweit ohne zusätzliche Trägerstruktur;
Einzel- und Kombinationsdarstellungen von modulartig miteinander zum Erzeugen des Wassertanks verbindbaren Hohlkörpern; eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung unter Nutzung des aus Hohlkörpern der Fig. 3 gebildeten Wassertanks, mit wasseroberflächenseitig vorgesehener Mehrzahl alternativer regenerativer Energieerzeugungssysteme; eine Variante der dritten Ausführungsform als vierte Ausführungsform der Erfindung, wobei wiederum, unter Verzicht auf eine separate Trägerstruktur, die Schachtmittel zum Verankern der Überwasser-Energieerzeugungssysteme ausgestaltet sind, und eine Weiterentwicklung des Erfindungsprinzips als fünftes Ausführungsbeispiel, wobei den Schachtmitteln, entlang der durch diese gebildeten Fallstrecke, eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Turbinen- bzw. Generatoreinheiten so zugeordnet sind, dass aus einer vorhergehenden Einheit austretendes Wasser entlang der Schachtmittel fällt und bis zum Eintreten in einer darauffolgenden Turbinen- bzw. Generatoreinheit wiederum eine signifikante (ggf. maximal er- reichbare) Geschwindigkeit erreicht hat.
Unter Bezug auf die Fig. 1 wird nachfolgend ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Ein im Grundriss sechseckförmiger Wassertank 10 einer (gleichen) Kantenlänge von 54m besitzt bei einer Innenhöhe von 15m ein Füllvolumen von ca. 1 15.000m3. Dieser Tank, geeignet aus einem Metallmaterial realisiert und durch (nicht gezeigte) Verstrebungen bzw. wabenartige Verstärkungen im Innenraum verstärkt, wird geeignet in einer Werft oder derglei- chen Betrieb hergestellt und, nach dem Versenken im (typischerweise küstennahen) Meer am Meeresgrund 12 durch Ankermittel 14 verankert.
Sich vertikal von einer Wassertankoberfläche erstreckend, ist ein rohrartiger Schacht 16 eines Innendurchmessers von ca. 3m gebildet, wobei zwi- sehen diesem 30m langen, eine Fallstrecke für einströmendes Wasser bietenden Schacht 16 und einem Einlass zum Wassertank 10 ein Turbinengehäuse 18 vorgesehen ist, in welchem eine (schematisch gezeigte) Turbine 20 so gelagert ist, dass durch den Schacht 16 einströmendes und entlang der vertikalen Fallstrecke beschleunigtes Wasser die Turbine 20 mit möglichst maximaler Geschwindigkeit durchströmt und so elektrische Energie erzeugt, welche über wiederum schematisch gezeigte Kabelmittel 22 zu geeigneten Verteilknoten abgeführt werden kann.
Wie das schematische Schaubild der Fig. 1 zusätzlich erläutert, ist, den Schacht 16 umgebend und zusätzlich mechanisch stützend, eine Trägereinheit 24 vorgesehen, welche bodenseitig mechanisch mit dem Was- sertank 10 bzw. dem Turbinengehäuse 18 verbunden ist und, vertikal entsprechend der Fallstrecke dimensioniert, eine Montageplattform 25 für regenerative Energieerzeugungsmittel in Form einer Anordnung aus Windkraftgeneratoren 30 anbietet.
Zusätzlich zeigt die Fig. 1 ein im Wandbereich im Schachtinneren geführtes Entlüftungsrohr 32, welches einends durch den Einlass und außerhalb eines Wirkungsbereichs der Turbine 20 in den Tank 10 hineinragt und an- derenends so weit aus einer schematisch dargestellten (maximalen) Was- seroberfläche 34 herausragt, dass selbst bei maximal anzunehmendem Tidenhub und/oder Seegang eine obere Öffnung dieses Entlüftungsrohres 32 frei bleibt, mithin sichergestellt ist, dass zu jedem Zeitpunkt durch dieses Rohr 32 das Behälterinnere des Tanks 10 zur Oberwasserumgebung entlüftet ist.
Nicht in der Fig. 1 gezeigt sind ebenfalls dem Wassertank 10 zugeordnete Pumpenmittel, welche bevorzugt seitlich oder bodenseitig an den Tank 10 angreifen und als Reaktion auf eine Ansteuerung der darin vorgesehenen Pumpen eine Entleerung des Tanks 10 bewirken können. Dabei erfolgt eine Arbeit dieser Entleerungspumpen gegen den in der dargestellten Wassertiefe geltenden Wasserdruck. Das Aufschwimmen eines teilweise oder vollständig entleerten Wassertanks 10 verhindern die entsprechend dimensionierten Verankerungen 14. Gleichermaßen können weiterbildungsgemäß im Rahmen der Erfindung Verankerungen so ausgebildet werden, dass diese, in der Art eines Puffers, eines (zusätzlichen) luftgefüllten Tanks oder dergleichen, unter den Wassertank 10 greifen und so ein zu weites Absenken dieses Wassertanks 10 beim Befüllen verhindern; dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn durch derartige Maßnahmen, etwa aufgrund einer unregelmäßigen Oberfläche am Meeresgrund, der Wassertank bodenseitig nicht auf dem Grund aufsitzen soll. Der Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung als Energieerzeugungsund Speichersystem für mittels der Windräder regenerative erzeugte Energie ist wie folgt: Energie dieser Generatoren (etwa während Zeiten intensiven Windes) wird benutzt, um mittels der Pumpenmittel den Was- sertank 10 (möglichst vollständig) zu entleeren. Auch bieten sich für einen solchen Entleerungsbetrieb Zeiten an, zu welchen (der Leitung 22 nachgeschaltete) Verbraucher oder Verteiler keinen Energiebedarf aus dem in Fig. 1 gezeigten System haben.
Ein (vollständig oder teilweise) entleerter Tank 10 bietet dann die Möglichkeit, auch während Flaute oder anderer Nicht-Betriebszustände der Windkraftanlagen 30 (etwa im Wartungsbetrieb) elektrische Energie zu erzeugen. Dies geschieht dadurch, dass im Einlassbereich des Schachts 16 vorgesehene Ventil- bzw. Absperrmittel 38, welche sich typischerweise zum Realisieren eines zuverlässigen Einströmungsverhaltens für umgebendes Meerwasser geringfügig unterhalb eines (minimalen) Wasserspiegels befinden, geöffnet werden, so dass Meerwasser in den obersten Randbereich des Schachts 16 eintreten und entlang der durch den Schacht 16 gebildeten Fallstrecke bis zur Turbine 20 beschleunigt werden kann. Hier wird dann in der gewünschten Weise und unabhängig von einem aktuellen Betriebszustand der Windräder 30 Energie gewonnen.
Im dargestellten exemplarischen Ausführungsbeispiel bei dem Wassertank 10 einer Kapazität von 1 15.000m3 und einer (als ideal angenomme- nen) Fallstrecke von 30m, insoweit entsprechend einer vertikalen Schachterstreckung, ergibt die potentielle Energie des Wassers aus dem Höhenunterschied von 30m für das maximale Füllvolumen des Tanks 10 eine theoretische Energie von ca. 10MWH; bei einer praktischen Approximation unter Berücksichtigung von Turbinenwirkungsgrad, Strömungs- und ande- ren Bremswiderständen auf das Wasser, möglichen konstruktiven Mindervolumina im Tankinneren durch Verstärkungen usw. mit ca. 50% würde damit überschlagsweise eine derartige Anordnung immer noch 5 MWH Energie speichern können, erscheint insoweit als ein nahezu ideal synergistischer Partner für eine begrenzte Anzahl von Windrädern einer typischen Maximalleistung von ca. 500 KW ... 1 MW bis zu ca. 7,5 MW pro Einheit.
Es zeigt sich zudem, dass die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung nicht nur in plausibler Weise mit herkömmlichen Techniken (etwa auch aus dem Schiffsbaubereich) herstellbar-, montier- und verankerbar ist, auch bietet die begrenzte Fallhöhe, insoweit entsprechend einer typischen Meerestiefe von hier angenommenen 30m, die Gelegenheit zur Nutzung etwa des nordeuropäischen küstennahen Meeresbereichs (welche, insoweit synergistisch, hohe Windenergieausbeuten verspricht). Ferner erleichtert die gegenüber dem Stand der Technik geringe Montage- und Betriebstiefe etwaige Einrichte- und Wartungsarbeiten, verbunden wiederum mit vergleichsweise geringer (Druck-) Belastung der in dieser Wassertiefe betriebenen Aggregate.
Mit gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 analog bezeichneten Funktionskomponenten bzw. Baugruppen unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel der Fig. 2 dadurch, dass auf eine zusätzlich Aufwand bedeutende Trägerkonstruktion (24 in der Fig. 1 ) in der Vertikalen verzichtet werden konnte; lediglich ein oben liegender Plattformbereich 25, getragen vom rohrartigen Schacht 16, ist hier Montagesockel für die exempla- risch dargestellten Windkraftanlagen 30. Bei im Übrigen identischer Realisierung verdeutlicht die Gegenüberstellung der Ausführungsbeispiele der Figuren 1 , 2 auch die inhärente Flexibilität der vorliegenden Erfindung: So ist es nämlich insbesondere auch sinnvoll und bevorzugt, im Bedarfsfall schon vorhandene Trägerstrukturen, bereits auch schon zusätzlich Bo- denanker anbietende Ölplattformen oder andere Einheiten als Trägerstruktur 24 zu benutzen, um dann mit entsprechendem verringertem Auf- wand einen Schacht 16 für die Wasser-Fallstrecke vorzusehen und in der notwendigen Weise vertikal und querschnittlich zu führen bzw. zu stabilisieren. Wiederum vorteilhaft für diese Flexibilität wirkt sich die erfindungsgemäße erforderliche geringe Wassertiefe aus, was zusätzlich eine nahe- zu universelle Verwendbarkeit der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Gewässer- bzw. Küstenkontexten erwarten lässt, und wobei der Fachmann nicht notwendigerweise einen Meeresküstenkontext als geeignet für die vorliegende Erfindung ansehen wird, sondern diese etwa auch in Küstenbereichen (größerer) Seen oder dergleichen realisieren würde. Natür- lieh eignet sich die vorliegende Erfindung auch zur Verwendung im offenen Meer und/oder im Zusammenhang mit großen Meerestiefen, wobei wiederum weiterbildungsgemäß nicht notwendigerweise eine Verankerung des Wassertanks unmittelbar am Meeresboden erfolgen muss, sondern dieser auch durch geeignete Schwimmer oder dergleichen in Verbindung mit Bodenankern in einer vom Meeresboden beabstandeten Position gehalten werden kann.
Die Fig. 3 mit den Einzelansichten 3a bis 3d verdeutlicht eine zusätzliche Weiterbildungsmöglichkeit der Erfindung, welche einen zunächst einfa- chen monolithischen Wassertank 10 ersetzen oder ergänzen kann durch eine modularisierte Anordnung einer Mehrzahl von Tankelementen 1 1 , welche, etwa in der Art der Fig. 3a bzw. 3b, einander benachbart und unter Ausbildung geeigneter (nicht gezeigter) Wasserdurchtritte zwischen diesen, Modulstrukturen in der Art einer Kette 40, 40a ausbilden können, und welche zusätzlich weiterbildungsgemäß etwa durch geeignetes kreisförmiges Anordnen in der in der Fig. 3 gezeigten Art komplexe (gleichwohl strömungstechnisch und im Raumverbrauch günstige) Torusstrukturen ausbilden können, wie es etwa die Figurenansichten 3c bzw. 3d für einen derart geschlossenen Ring 42 als Wassertank zeigen. Es wird deutlich, dass, wiederum entsprechend dem modularen Prinzip und der der vorliegenden Erfindung inhärenten Flexibilität, aus geeignet geformten Einzelkörpern 1 1 (welche im Beispiel der Fig. 3 wiederum mit exemplarisch sechseckförmiger Grundfläche ausgestaltet sind) beliebige Tankvolumina ausgebildet werden können, welche dann entweder unmittelbar an einem Einsatzort noch im Bereich der Wasseroberfläche vor einem Versenken miteinander (etwa in die der Fig. 3c bzw. Fig. 3d gezeigte Form) verbunden werden, oder aber nach einzelnem Versenken auf den Meeresboden in eine solche Form verbracht werden. Nach dem Verbin- den der Einzelmodule untereinander zum Erreichen eines strömungstechnischen Gesamttanks würde dann, wie in der vorbeschriebenen Art, durch Leerpumpen mit den zugeordneten Unterwasser-Pumpenmitteln gegen entsprechenden Energieeinsatz ein solcher Tank betriebsbereit zum Empfangen einströmenden Wassers (wiederum durch geeignet einlassseitig zugeordnete Turbinenmittel) sein können.
Die Figuren 4 und 5 verdeutlichen entsprechende Varianten des oben beschriebenen ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiels; hier ist der Wassertank 10 unmittelbar durch die Anordnung der Mehrzahl von Einzelmo- dule 42 ersetzt, wobei wiederum die gegenüber den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 , 2 identischen Bezugszeichen insoweit gleiche bzw. gleich wirkende Funktionskomponenten bezeichnen.
Auch die Ausführungsbeispiele der Figuren 4, 5 unterscheiden sich da- durch, dass, je nach vorhandenem Einsatzzweck, Ausgestaltung des Schachtrohres 16 und ggf. bereits vorhandener Träger-Infrastruktur (Bezugszeichen 44 in Fig. 4) entweder der Schacht 16 durch eine solche zusätzliche Trägerstruktur geführt und gestützt bzw. verstärkt sein kann, bzw., bei entsprechend mechanisch stabiler Ausgestaltung, eine solche zusätzliche Trägerstruktur auch entfallen kann (Fig. 5). In diesem Fall würde dann die Trägerplattform 25 ausschließlich auf dem Schacht 16 ruhen, während im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 zusätzlich die Trägerstruktur 44 eine mechanische Stütze anbietet.
Die Figuren 4 und 5 zeigen (wiederum exemplarisch) zusätzliche Varian- ten alternativer (und wiederum bevorzugt regenerativer) Generatoren, welche auch in der Art eines Generatormix eingesetzt werden können: Neben einer bereits beschriebenen Windkraftanlage können geeignet etwa photovoltaische Energieerzeugungsvorrichtungen (in Form des schematisch gezeigten Panels 46), alternative schwebende Windgeneratoren 48, Wellen- bzw. Tidengeneratoren 50 oder dergleichen Varianten umgebungstauglicher Energieerzeuger eingesetzt werden. Wiederum ergänzend oder alternativ (in den Figuren nicht gezeigt) eignet sich die Erfindung auch zum Zusammenwirken mit auf bzw. im Wasser schwimmenden (gegebenenfalls auch an das System entfernt angekoppelten) Generato- ren wie z.B. geeignet schwimmenden, mit Stahlseilen oder dergleichen an der Trägerstruktur 44 bzw. am Schacht 16 befestigten Windrädern. Der Fachmann wird entsprechend den lokalen Gegebenheiten, typischen Klimabedingungen und dergleichen Parametern geeignete Generatoren auswählen, dimensionieren und mischen, wiederum auch unter Berück- sichtigung der durch den Wassertank 42 angebotenen maximalen Füllkapazität und einem für ein Leerpumpen erforderlichen Energiebedarf.
Die Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Weiterbildung, welche mit sämtlichen der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele geeignet kombinierbar ist. Gezeigt ist in der vergrößerten Ansicht ein (wiederum typischerweise rohrförmiger) Schacht 16, welcher im oberen Bereich durch geeignete Einlassschieber bzw. Einlassventile 38 in der oben beschriebenen Weise verschließbar ist. Im Unterschied zu den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen, bei welchen typischerweise eine Einzelturbine (symbolisiert mit 20) am bodenseitigen Auslassende des Schachtrohres 16 vorgesehen war, erfolgt hier das Vorsehen einer Mehrzahl von entlang der Fallrichtung (also entsprechend der Vertikalen in der Figurenebene) vorgesehenen Einzelturbinen 20a, 20b, usw. mit entsprechend nachgeschalteten elektrischen Anschluss- bzw. Abführaggregaten 21 a, 21 b, usw., mit dem Effekt, dass insbesondere bei größeren Schachtlängen und einer etwa luft- bzw. strömungswiderstandsbedingten maximal erreichbaren Fallgeschwindigkeit einer durch den Bereich 38 eintretenden Wassermenge bereits nach Teilhöhen ht eine jeweilige Turbine folgt, so dass in effizienterer Weise das Energiepotential ausgenutzt werden kann: Wird nämlich vorteilhaft eine Teilhöhe ht so dimensioniert, dass beim Erreichen einer vorgelagerten Turbine 20a eine auftreffende Wassermenge ihre ungefähre maximale Geschwindigkeit erreicht hat, erfolgt hier bereits eine erste Stufe der elektrischen Energieerzeugung; aus der Turbine 20a austretendes Wasser hat dann wiederum entsprechend einer nachfolgenden Teilhöhe ht (ggf. hier noch zu verlängern um ein Korrektiv für einen Auslasswiderstand aus 20a) bis zum Auftreffen auf eine nachfolgende Turbine 20b wiederum in etwas ihre maximal mögliche Geschwindigkeit erreicht. Diese Anordnung lässt sich, symbolisiert durch die Pfeilschar 50, geeignet, und entsprechend einer vorbestimmten Schacht-Gesamtstrecke, kaskadieren. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele, Konfigurationsmöglichkeiten und/oder Dimensionierungsbeispiele beschränkt; vielmehr wird deutlich, dass mit dem erfindungsgemäßen Prinzip nahezu beliebige Varianten erzeugt werden können, welche sich sowohl territorial-geographisch, als auch klimatisch, als auch energie- technisch-kapazitiv an jeweils erforderliche oder wünschenswerte Vorgaben und Bedingungen anpassen können.
Auch ist es von der Erfindung umfasst, zur Realisierung der Erfindungsmerkmale, insbesondere der Schachtmittel, der (weiterbildungsgemäßen) Trägerstruktur od.dgl. bereits vorhandene Mittel bzw. Infrastrukturen zu nutzen. So ist es etwa weiterbildungsgemäß möglich, die vorliegende Er- findung dadurch zu realisieren, dass etwa der erfindungsgemäße Wassertank im Anker- bzw. Bodenbereich mit einer ohnehin schon vorhandenen Trägerstruktur, etwa einer Ölförderplattform, verbunden ist, so dass insoweit die dort vorhandenen Ankermittel mitbenutzt werden; das Trage- und Fördergestell einer solchen Ölförderplattform könnte dann zum Führen bzw. Halten der erfindungsgemäßen Schachtmittel dienen, ergänzend die Aufgabe der weiterbildungsgemäßen Trägerstruktur übernehmen und etwa auf der (Überwasser-) Plattform der Einheit die Montage der Energieerzeugungsvorrichtungen als elektrische Aggregate vorsehen. Auch ist es im Rahmen von besonders pragmatischen und kostengünstigen Realisierungen der Erfindung denkbar, standardisierte Baugruppen bzw. Module, etwa aus Fertigteilen, zu benutzen, um damit den (aus mehreren Einzelteilen auszubildenden) Tank zu realisieren, ergänzend oder alternativ die Schachtmittel aufzubauen; denkbar ist etwa, dass derartige Fertigmodule geeignet aus einem Betonmaterial würfel- bzw. quaderartig zu fertigen und dann zusammenzusetzen sind, alternativ wäre sogar eine Variante denkbar, bei welcher (übliche und ggf. mechanisch zu verstärkende) Transportcontainer geeignet zu einem Mehrkammer-Wassertank, ggf. ergänzt durch einen geeignet querschnittlich ausgeformten Schacht, zusammen- geführt werden.
Es steht somit zu erwarten, dass mittels der vorliegenden Erfindung in ü- berraschend einfacher und eleganter Weise die Nachteile sowohl landgebundener Pumpspeicherkraftwerke als auch zum Stand der Technik be- kannter Tiefsee-Einheiten überwunden werden und zu leicht herstell- und montierbaren und hochgradig betriebssicheren, für den Alltag tauglichen Systemen werden.

Claims

Pumpspeicher-Wasserkraftwerk mit
einem auf oder an einem Meeresboden verankerbaren Wassertank (10; 42),
einem Wassereinlass des Wassertanks zugeordneten Turbinen- und/oder Generatormitteln (20) und
zum zumindest teilweisen Entleeren des Wassertanks in einem verankerten Zustand ausgebildeten Pumpenmitteln,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wassereinlass Schachtmittel (16) aufweist, die für in einen Schachteinlass (38) der Schachtmittel eintretendes Wasser eine Fallstrecke zu den Turbinen- bzw. Generatormitteln anbieten.
Kraftwerk nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schachtmittel sowie der Schachteinlass so ausgebildet sind, dass der Schachteinlass in dem verankerten Zustand oberhalb des Wassertanks und unterhalb einer Wasseroberfläche (34) vorsehbar ist
und Filtermittel für und/oder Absperrmittel (38) gegen einströmendes Wasser aufweist.
Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Turbinen- bzw. Generatormittel in einem Übergangsbereich zwischen den als Fallrohr ausgebildeten Schachtmitteln und dem Wassertank vorgesehen sind. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
gekennzeichnet durch
dem Wassertank zugeordnete und an oder in den Schachtmitteln geführte Entlüftungsmittel (32), die insbesondere als in den Wassertank reichendes/r Entlüftungsrohr oder Entlüftungsschlauch ausgebildet sind.
Kraftwerk nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass den Entlüftungsmitteln Entlüftungsturbinenmittel so zugeordnet sind, dass diese bei einem den Wassertank auffüllenden Flu- idstrom durch die Entlüftungsmittel energieerzeugend betrieben werden können.
Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wassertank (42) eine Mehrzahl von modulartig ausgebildeten und miteinander unter Ausbildung von Wasserdurchlässen verbindbaren Hohlkörpern (1 1 ) aufweist, die bevorzugt Schnecken-, zylinder-, Zylinderabschnitts-, zylindersegment- oder quaderförmig und/oder mit einer polygonalen Querschnitts- und/oder Grundfläche ausgebildet sind.
Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wassertank, insbesondere der aus einer Mehrzahl von einander benachbart vorgesehenen Hohlkörpern ausgebildete Wassertank, wabenartige Verstärkungen oder Verstrebungen aufweist.
Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet durch eine mit den Schachtmitteln verbundene oder durch diese realisierte Trägerstruktur (24, 44), welche in dem verankerten Zustand des Wassertanks Befestigungsmittel (25) für an einer Wasseroberfläche oder außerhalb des Wassers wirkende elektrische Aggregate (30, 46, 48, 50), insbesondere eine regenerative Energieerzeugungsvorrichtung, aufweist.
Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schachtmittel so ausgebildet sind, dass eine Länge der Fallstrecke das mindestens 1 ,5-fache, bevorzugt das mindestens 10-fache, weiter bevorzugt das mindestens 20-fache einer maximalen Bauhöhe des Wassertanks in der Erstreckungsrichtung der Schachtmittel aufweist und/oder die Schachtmittel so ausgebildet sind, dass eine maximale querschnittliche Schachtweite zwischen 1 % und 50%, bevorzugt zwischen 5% und 25%, einer maximalen Bauhöhe des Wassertanks in der Richtung der Schachtmittel aufweist. 10. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
entlang der Fallstrecke eine Mehrzahl von Turbineneinheiten der Turbinen- bzw. Generatormitteln voneinander beabstandet vorgesehen sind.
1 1 . Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
gekennzeichnet durch
Transportmittel, die so ausgebildet sind, dass der Wassertank in einen Schwimm- und/oder Schwebezustand bringbar und in diesem Schwimm- bzw. Schwebezustand an einen anderen Betriebsort zum Versenken und Verankern des Wassertanks verbringbar ist. Pumpspeicher-Wasserkraftwerk mit
einem auf oder an einem Meeresboden verankerbaren Wassertank, einem Wassereinlass des Wassertanks zugeordneten Turbinen- und/oder Generatormitteln und
zum zumindest teilweisen Entleeren des Wassertanks in einem verankerten Zustand ausgebildeten Pumpenmitteln,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wassertank eine Mehrzahl von modulartig ausgebildeten und miteinander unter Ausbildung von Wasserdurchlässen verbindbaren Hohlkörpern aufweist.
Pumpspeicher-Wasserkraftwerk mit
einem auf oder an einem Meeresboden verankerbaren Wassertank, einem Wassereinlass des Wassertanks zugeordneten Turbinen- und/oder Generatormitteln und
zum zumindest teilweisen Entleeren des Wassertanks in einem verankerten Zustand ausgebildeten Pumpenmitteln,
gekennzeichnet durch,
eine mit den Schachtmitteln verbundene oder durch diese realisierte Trägerstruktur, welche in dem verankerten Zustand des Wassertanks befestigungsmittel für an einer Wasseroberfläche oder außerhalb des Wassers wirkende elektrische Aggregate, insbesondere eine regenerative Energieerzeugungsvorrichtung, aufweist.
Energieerzeugungs- und Speichersystem mit dem Pumpspeicher- Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und einer mit dem Wassertank und/oder den Schachtmitteln mechanisch verbundenen elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung aus Windenergie, Wellenenergie, Photovoltaischer Energie und/oder Gezeitenenergie. System nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl der Pumpspeicher-Wasserkraftwerke mit jeweils mechanisch zugeordneter Energieerzeugungsvorrichtung örtlich beabstandet und durch eine elektrische Unterwasserleitung verbunden auf einem Meeresboden vorgesehen ist.
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