Wagner¹⁾ beschreibt die Anforderungen an eine sichere Stromversorgung. Sie setzt voraus, dass das Stromangebot jederzeit exakt genau so groß ist wie die Stromnachfrage. Pumpspeicher Kraftwerke leisten dabei einen wichtigen Beitrag zur Stabilisierung der Stromnetze.

Die bekannten Pumpspeicher-Kraftwerke bestehen aus zwei Wasserbecken, die höhenmäßig möglichst weit auseinander liegen. Dazwischen ist das eigentliche Kraftwerk mit den Turbinen, Pumpen und Generatoren/Motoren angeordnet. Soll das Kraftwerk Strom liefern, wird das Wasser vom Oberbecken über die Turbinen in das Unterbecken geleitet. Soll das Oberbecken gefüllt werden, wird der Weg des Wassers umgekehrt. Die Generatoren werden dann als Motoren für den Antrieb der Pumpen genutzt, die das Wasser nach oben pumpen.

Den Strombedarf für den Pumpvorgang liefern heute meist Grundleistungskraftwerke in bedarfsarmen Zeiten. Zunehmend werden aber auch Angebotsspitzen z. B. aus der Windkraft zur Befüllung der oberen Becken genutzt. Der Wirkungsgrad von Pumpspeicherkraftwerken beträgt bis zu 80%. Der Energieverlust durch die Umwälzung des Wassers wird durch die Betriebsvorteile bei den Grundleistungs-Kraftwerken und Beiträge für die kurzfristige Versorgungssicherheit aufgewogen. Die Kosten für den Spitzenlaststrom aus Pumpspeicherkraftwerken können bei hoher Nachfrage bis zu 2 EUR je kWh erreichen.

Die Energiebilanz der Bundesrepublik Deutschland²⁾ eist für das Jahr 2006 einen Verbrauch an Pumpspeicherstrom in Höhe von 9,1 TWh aus. Damit wurden ca. 1,5% des Gesamtstromverbrauchs i.H.v. 614,6 TWh für die Stabilisierung der Netze und die Erhöhung der kurzfristigen Versorgungssicherheit eingesetzt.

Die Nutzung erneuerbarer Energien wie die Windenergie und oder die Solarstromerzeugung ist mit plötzlichen Schwankungen (Minutenreserve) verbunden, die ausgeglichen werden müssen. Hinzu kommen die natürlichen Schwankungen des Stromangebots über den Tagesverlauf und die Jahreszeiten. Pumpspeicher Kraftwerke werden insbesondere eingesetzt um die kurzfristigen Nachfrage- bzw. Angebotsschwankungen nach Strom auszugleichen. Der Bedarf an Kraftwerken dieser Art ist tendenziell steigend. Der Zubau an Pumpspeicherkraftwerken ist u. a. auch aufgrund von Naturschutzaspekten kaum noch möglich.

Das Anheben bzw. Absenken einer Masse ist mit dem Einsatz bzw. dem Gewinn von Energie verbunden.³⁾ Um einen Körper der Masse 1 kg mit 1 Meter pro Sekunde zu beschleunigen ist eine Kraft aufzuwenden:

• 1 N (Newton) = 1 kg × 1 m/s²

An der Erdoberfläche wird ein Körper mit 9,81 m/s² zum Erdmittelpunkt hin beschleunigt. Die Schwerkraft auf einen Körper der Masse 1 kg beträgt:

• 1 kp (Kilopond) = 9,81 N = 1 kg × 9,/81 m/s²

Wird die Masse von 1 kg um 1 m angehoben, so ist eine Arbeit zu verrichten:

• A_Hub = 1 kp × 1 m = 9,81 Nm

Die Arbeit, die ein elektrischer Strom verrichtet, wird in Ws (Wattsekunden) gemessen. Mechanische Arbeit und elektrische Arbeit sind äquivalent. Es gilt: 1 Nm = 1 Ws

Um einen Körper der Masse 1 kg mit der Hilfe eines elektrischen Antriebs um 1 m anzuheben, ist eine elektrische Arbeit zu leisten: 1 kp m = 9,81 N m = 9,81 Ws

Die aufgewendete Arbeit zum Anheben des Körpers ist eine potentielle Energie, die beim Absenken des Körpers zurück gewonnen werden kann. Das Anheben eines Körpers kann damit zur Speicherung elektrischer Energie genutzt werden. In den nachfolgenden Beispielrechnungen wird vereinfachend das Anheben von 1 kg um 1 m mit 10 Ws angesetzt.

Es ist bekannt, dass die Schwerkraft gestauter Wassermassen zur Erzeugung elektrischer Energie und in Pumpspeicherseen zum Speichern elektrischer Energie genutzt wird. Dabei wird die Fließeigenschaft des Wassers genutzt, um große Massen bei geringen Energieverlusten anzuheben bzw. abzusenken. Zum Beispiel speichert das Pumpspeicher Kraftwerk Herdecke⁵⁾ pro Füllung ein Arbeitsvermögen von 590 MWh.

Es ist bekannt, dass die Bremsenergie von Fahrzeugen (Züge, Autos) auch bei Talfahrten genutzt wird, um mitgeführte Batterien nachzuladen. Die Schweizer Bahnen⁴⁾ haben Lokomotiven entwickelt, die die Bremsenergie der Züge in Strom umwandeln und in das Bahnnetz zurückspeisen. Ziel dieser Entwicklungen war zunächst, die mechanischen Bremsen bei langen Talfahrten zu entlasten. Inzwischen gewinnt die Rückgewinnung von Bremsenergie und damit die Energieersparnis zunehmend an Bedeutung. Je nach Art der Fahrzeuge lassen sich zwischen 30 und 70% der bei Bergfahrten eingesetzten Energie zurückgewinnen.

Die zunehmende Nutzung Erneuerbarer Energien verringert den Anteil an Grundlaststrom aus fossilen Großkraftwerken. Es gibt zunehmend Zeiten mit einem Überschussangebot an Strom. Zu anderen Zeiten ist die Nachfrage nach Strom höher als das Angebot. Spitzen im Stromangebot müssen in die Zeiten geringen Stromangebots oder hoher Stromnachfrage verschoben werden. Die Speicherkapazitäten für elektrische Energie sind knapp.

Die Stromerzeugung aus Wasserkraft ist an das Vorkommen von Wasser bei geeigneten Höhenunterschieden gebunden. Der Zubau an Pumpspeicher Kraftwerken ist stark begrenzt.

Die Speicherung elektrischer Energie durch das „bergauf" pumpen von Wasser beruht physikalisch gesehen auf dem Anheben der Masse des Wassers. Alternativen zu den Pumpspeicher Kraftwerken ergeben sich, wenn das Speichermedium Wasser durch beliebige Masseträger z. B. Gestein ersetzt wird.

Die Grundgleichung für die potentielle Energie beinhaltet bei gegebener Schwerkraft nur die Variablen: Masse und Hubhöhe. D. h. zum Speichern nennenswerter Mengen an Energie sind große Massen möglichst hoch anzuheben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen zu entwickeln, die die Schwerkraft zur Erzeugung und Speicherung elektrischer Energie nutzen und die Kapazitäten zur Erzeugung sowie Speicherung elektrischer Energie erhöhen.

Ein Hubkraftwerk nutzt einen Schwimmkörper als Masseträger, an dem die Hubarbeit verrichtet wird. Die Hubkraft wird durch den Gezeitenhub 11 des Meeres oder das Anstauen von Wasser in Becken (z. B. Schleusenkammern) erzeugt.

Beim Anheben wird ein Teil der Auftriebsarbeit des Schwimmkörpers über mechanische oder hydraulische Einrichtungen in ein Drehmoment verwandelt, das einen Stromgenerator antreibt. Beim Absenken des Schwimmkörpers wird die potentielle Energie des Schwimmkörpers über mechanische oder hydraulische Einrichtungen in ein Drehmoment verwandelt, das einen Stromgenerator antreibt.

Die geringen Hub- und Senkgeschwindigkeiten von ca. 1 m/h (Gezeitenhub) sind so anzuheben, dass ein Generator mit genügend hoher Drehzahl Strom erzeugt. Hydraulische Vorrichtungen bzw. Pumpen sind hierfür vorrangig geeignet.

Zeichnung 1 zeigt das Prinzip eines Gezeitenhub Kraftwerks. Ein Schwimmkörper (z. B. Ponton oder Schiff) der bei Flut auftreibt und bei Ebbe absinkt treibt das Kraftwerk an.

Der Schwimmkörper wird gegen seitliches Verdriften verankert. Unter dem Schwimmkörper wird auf dem Meeresgrund eine Hydraulikanlage eingebaut, deren Kolben 2 bei Flut gehoben wird. Gleichzeitig fließt über das untere Einlassventil 4 Wasser in die untere Kammer des Hydraulikzylinders 3 ein. Bei einsetzender Ebbe wird das Einlassventil 4 geschlossen und das Wasser durch das Gewicht des Schwimmkörpers aus der unteren Kammer des Hydraulikzylinders über Druckrohre 5 zum Antrieb einer Turbine 7 gepresst. Die Turbine treibt in bekannter Weise einen Stromgenerator an.

Alternativ kann die Hydraulikanlage auch so beschaffen sein, dass sowohl die Auftriebsbewegung als auch die Senkbewegung des Schwimmkörpers genutzt werden. Die oberen und unteren Einlassventile 4 werden dann alternativ geöffnet bzw. geschlossen. Die Rücklaufsperren 6 lenken das Wasser über die Druckrohre auf die Turbine. Die Hydraulikanlage erfüllt die Funktion einer Pumpe, die von dem Schwimmkörper angetrieben wird.

Zeichnung 2 zeigt ein Gezeitenhub Kraftwerk, das auf dem Schwimmkörper selbst angeordnet ist. In diesem Fall wird nur der Kolbenschaft 2 bis zum Meeresgrund ausgefahren und dort fixiert. Auf dem Meeresgrund wird eine feste Grundlage 13 zur Aufnahme des von dem Kolbenschaft 2 erzeugten Auflagedrucks und zur Fixierung des Kolbenschafts angebracht. Die Hydraulikflüssigkeit wird über die Turbine 7 abwechselnd in die obere und untere Kammer des Hydraulikzylinders 3 gepresst und fließt in die jeweils entgegen gesetzte Zylinderkammer zurück. Die Turbine ist so beschaffen, dass sie bei beiden Strömungsrichtungen arbeitet.

Mit Gezeitenhub Kraftwerken können folgende Vorteile erreicht werden:

Gezeitenhub Kraftwerke können an allen Küsten eingesetzt werden, an denen ein Gezeitenhub auftritt.

Große Schwimmkörper z. B. Schüttgutfrachter⁶⁾ haben eine Wasserverdrängung bis zu 360.000 t. Wird diese Masse 2 × täglich um 5 m angehoben, so steht eine potentielle Energie i.H.v. 10 MWh/Tag zur Verfügung.

Die Schwimmkörper können preisgünstig aus Betonschalen hergestellt werden. Umfangreiche Bauwerke und Staudämme, die zum Betrieb bekannter Gezeitenkraftwerke erforderlich sind, können entfallen.

Vorhandene Liegeplätze für Schiffe und Pontons, an denen Gezeitenhub auftritt, können als Hubkraftwerke ausgebildet werden.

Hubkraftwerke können in Schiffe und Pontons eingebaut werden. Auf dem Meeresgrund werden dann nur noch feste Auflagen benötigt.

Anstatt einer sehr großen Hydraulikanlage können mehrere standardisierte Hydraulikeinheiten an oder auf dem Schwimmkörper angebracht werden.

Der Antrieb des Stromgenerators kann auch durch mechanische Antriebe (z. B. Seilwinden, Zahnstangen, Flaschenzüge) realisiert werden.

Zeichnung 3 zeigt ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug 17 (z. B. Zug oder LKW) das eine Anhöhe 14 hinauffährt. Dazu verwendet das Fahrzeug den Strom aus dem Netz 16. Bei der Abfahrt treibt die Schwerkraft des Fahrzeuges einen Stromgenerator 18 an, der den Strom in das Netz zurückspeist.

Bei Bedarf können mehrere Fahrzeuge (Züge, Triebwagen, KFZ) zu Fahrzeugsystemen zusammengefasst werden. Jedes Einzelfahrzeug stellt ein eigenes „Energiepaket" dar, das je nach Stromangebot oder Stromnachfrage bergauf oder bergab fährt. Am oberen und am unteren Ende der Fahrstrecke befinden sich Bahnhöfe, auf denen viele Fahrzeuge geparkt werden können. Damit sind Hubspeicher Kraftwerke mit Fahrzeughub nahezu beliebig skalierbar.

Eine Beispielrechnung veranschaulicht die Größenordnungen der speicherfähigen potentiellen Energie: Ein Betonquader 17 mit den Maßen Höhe = 5 m, Breite = 2,5 m und Länge = 10 m beinhaltet 125 m³ das entspricht einem Gewicht von ca. 360 t. Ein Fahrzeug von 15 m Länge sollte ausreichen den Betonquader einschließlich des elektrischen Antriebs/Generators 18 zu aufzunehmen. Überwindet ein solches Fahrzeug einen Höhenunterschied von 500 m, so beträgt seine potentielle Energie 500 kWh = 0,5 MWh. 100 Fahrzeuge können ca. 50 MW elektrische Energie speichern. Die Fahrzeuge würden am oberen und unteren Ende des Hubspeichen jeweils einen „Bahnhof" mit einer Gleislänge von lediglich ca. 2.000 m (z. B. 4 × 500 m) benötigen.

Folgende Vorteile von Hubspeicher Kraftwerken mit Fahrzeughub können erreicht werden:

Die Hubspeicher Kraftwerke mit Fahrzeughub können auf jedem Gelände eingesetzt werden, das ein Gefälle aufweist.

Hubspeicher Kraftwerke mit Fahrzeughub sind nicht an das Vorkommen von Wasser gebunden. Sie können auch in Wüstenregionen eingesetzt werden.

Umfangreiche Bauwerke wie Staudämme, die zum Betrieb bekannter Pumpspeicher Kraftwerke erforderlich sind, können entfallen.

Die Fahrzeuge für den Transport der Masse können technisch sehr einfach konstruiert sein, da die Fahrgeschwindigkeit der Fahrzeuge sehr niedrig ist.

Es können zum Teil bereits vorhandene Gleiskörper oder Straßen zur Erprobung genutzt werden.

Hubspeicher Kraftwerke mit Fahrzeughub lassen sich fast beliebig skalieren.

Die Fahrzeuge können auch mit der Hilfe von z. B. Seilwinden hinaufgezogen und herabgelassen werden.

Zeichnung 4 verdeutlicht die Funktionsweise eines Hubspeicher Kraftwerks mit Spindelhub. Ein Elektromotor 18 treibt eine Spindel 21 an, die den Masseträger 20 anhebt. Beim Absenken treibt die Schwerkraft des Masseträgers die Spindel in entgegen gesetzter Richtung an. Die Spindel treibt den Stromgenerator 18 an, der den erzeugten Strom in das Netz zurückspeist.

Folgende Vorteile eines Hubspeicher Kraftwerks mit Spindelhub können erreicht werden:

Die Hubspeicherwerke mit Spindelhub können auf jedem Gelände eingesetzt werden.

Hubspeicherwerke mit Spindelhub haben einen geringen Platzbedarf und können auch unter die Erdoberfläche oder unter Gebäuden errichtet werden.

Die Technik des Spindelhubs kann auch bei den Hub Kraftwerken eingesetzt werden.

Zeichnung 5 verdeutlicht die Funktionsweise eines Hubspeicher Kraftwerks mit Seilwindenhub. Ein Elektromotor 18 treibt eine Seilwinde 24 an, die den Masseträger 20 anhebt. Beim Absenken treibt die Schwerkraft des Masseträgers die Seilwinde in entgegen gesetzter Drehrichtung an. Die Seilwinde treibt einen Stromgenerator 18 an, der den erzeugten Strom in das Netz 9 zurückspeist.

Folgende Vorteile eines Hubspeicher Kraftwerks mit Seilwindenhub können erreicht werden:

Hubspeicher Kraftwerke mit Seilwindenhub sind vom Vorkommen von Wasser unabhängig. Sie können z. B. auch in Wüstengebieten errichtet und betrieben werden.

Hubspeicher Kraftwerke mit Seilwindenhub können auf jedem Gelände – auch im Flachland – erbaut und betrieben werden. Hubspeicher Kraftwerke mit Seilwindenhub können große Höhenunterschiede (z. B. Schächte von Bergwerken) nutzen.

Hubspeicher Kraftwerke mit Seilwindenhub können ganz oder teilweise unter der Erdoberfläche errichtet werden oder als Fundament von Gebäuden ausgebildet werden. 25, 26 Sie beanspruchen geringe Flächen und können z. B. in jedem Industriegebiet errichtet werden. Der Verbrauch von landschaftlich wertvollen Flächen kann vermieden werden.

Hubspeicher Kraftwerke mit Seilwindenhub arbeiten umweltfreundlich und wartungsarm. Zum Bau werden nur Materialien benötigt, die schadstofffrei recycelt werden können.

Hubspeicher Kraftwerke mit Seilwindenhub können mit heute verfügbarer Technik errichtet werden. Seilwinden werden heute auf vielfältigste Weise genutzt. (z. B.: Verladekräne, Baukräne, Aufzüge, Förderkörbe in Bergwerken, Seilbahnen u. s. w.). Hafenkräne⁷⁾ heben z. B. Gewichte von 200 t bis 50 m an. Das entspricht einer potentiellen Energie von ca. 30 kWh. Wird ein Förderkorb mit einem Gewicht von 36 t in einen Bergwerkschacht 1.000 m herabgesenkt, so kann er die potentielle Energie von 100 kWh freisetzen. Bestehende Anlagen können mit geringen Modifikationen zu Hubspeicherwerken erweitert werden. Bei neuen Anlagen kann die Fähigkeit zum Speichern elektrischer Energie konstruktiv vorgesehen und damit der Wirkungsgrad der Stromerzeugung optimiert werden.

Die Seilwinden können auch eingesetzt werden, um Fahrzeuge auf einem Fahrweg hinaufzuziehen bzw. herabzulassen.

Die Technik des Seilwindenhubs kann auch bei den Hubkraftwerken eingesetzt werden. Dabei können mehrere Seilwinden durch das Absenken des Schwimmkörpers angetrieben werden.

Hubspeicher Kraftwerke mit Seilwindenhub sind skalierbar, d. h. mehrere Teilwerke können zu Speichersystemen mit hoher Speicherkapazität zusammengefasst werden. Zeichnung 6 zeigt das Prinzip eines Hubspeicher Kraftwerks mit Seilwindenhub bestehend aus drei Speichermodulen. Eine Beispielrechnung veranschaulicht die erzielbaren Speicherkapazitäten. Die Masseträger haben die Form eines Würfels der Kantenlänge 5 m das ergibt ein Volumen von 125 m³. Die Masseträger bestehen aus Gestein oder Beton mit der Dichte von ca. 3 t pro m³. Das Gesamtgewicht eines Masseträgers wird mit 360 t angenommen.

Das Anheben der Masseträger um 100 m kann mit heutiger Krantechnik⁷⁾ erreicht werden. Die potentielle Energie eines Speichermoduls beträgt dann: 360.000 kg × 100 m × 10 Ws/kg·m = 360.000.000 Ws 360.000.000 Ws/3.600 Ws = 100.000 Wh = 100 kWh

Die Grundfläche eines Moduls kann auf ca. 10 m × 6 m Grundfläche errichtet werden. Auf einer Fläche von nur ca. 120 m × 100 m können 200 Speichermodule untergebracht werden. Ein solcher Speicher kann eine potentielle Energie in der Größe von ca. 20.000 kWh = 20 MWh aufnehmen. Die Beispielrechnung verdeutlicht, dass Hubspeicher Kraftwerke mit Seilwindenhub die Kapazität von Pumpspeicher Kraftwerken erreichen können.

• 1) Wagner Eberhard, Inwiefern haben Pumpspeicher-Kraftwerke eine Bedeutung für die Sicherheit der Stromversorgung, www.energie-fakten.de
• 2) PH.D. Konstantin und Bernd Wegner, BWK Das Energie-Fachmagazin 4/2007 S114 ff
• 3) Gehrtsen Christian, Lehrbuch für Physik, Springer Verlag 1960
• 4) Streiff Hans, Rückgewinnung von Bremsenergie bei Schienenverkehrsmitteln, ETHZ www.seak.ch
• 5) RWE Power: Pumpspeicherkraftwerke Herdecke www.rwe.com
• 6) Massengutfrachter, www.wikipedia.org
• 7) Windwerk MPW, www.demagcranes.de

1

Schwimmkörper (Masseträger)

2

Hydraulikkolben mit Schaft

3

Hydraulikzylinder

4

Wassereinlassventile

5

Druckrohre zur Turbine

6

Rücklaufsperre

7

Turbine

8

Stromgenerator

9

Stromnetz

10

Wasserniveau bei Flut bzw. Ebbe

11

Gezeitenhub

12

Meeresgrund

13

Auflage auf dem Meeresgrund

14

Fahrweg (z. B.: Schiene oder Straße)

15

Hubhöhe

16

Stromnetz (z. B. Oberleitung)

17

Fahrzeug mit Ballast (Masseträger)

18

Elektromotor und Stromgenerator

19

Stromabnehmer

20

Behälter mit Ballast (Masseträger)

21

Spindel

22

Spindellager

23

Getriebe

24

Seilwinde

25

Trägerportal

26

Fundament

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

• - Wagner Eberhard, Inwiefern haben Pumpspeicher-Kraftwerke eine Bedeutung für die Sicherheit der Stromversorgung, www.energie-fakten.de [0058]
• - PH.D. Konstantin und Bernd Wegner, BWK Das Energie-Fachmagazin 4/2007 S114 ff [0058]
• - Gehrtsen Christian, Lehrbuch für Physik, Springer Verlag 1960 [0058]
• - Streiff Hans, Rückgewinnung von Bremsenergie bei Schienenverkehrsmitteln, ETHZ www.seak.ch [0058]
• - RWE Power: Pumpspeicherkraftwerke Herdecke www.rwe.com [0058]
• - Massengutfrachter, www.wikipedia.org [0058]
• - Windwerk MPW, www.demagcranes.de [0058]