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Dokumentenidentifikation DE102008019504A1 22.10.2009
Titel Pumpspeicherkraftwerk, bestehend aus Wasserspeicherbecken mit einem höheren und einem tieferliegenden Wasserspiegel
Anmelder Schöne, Heralt, Dr.-Ing., 01468 Moritzburg, DE
Erfinder Schöne, Heralt, Dr.-Ing., 01468 Moritzburg, DE
Vertreter Voß Eckner & Kollegen, 17036 Neubrandenburg
DE-Anmeldedatum 18.04.2008
DE-Aktenzeichen 102008019504
Offenlegungstag 22.10.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.10.2009
IPC-Hauptklasse E02B 9/00  (2006.01)  A,  F,  I,  20080418,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]
Beschreibung

Gegenstand der Erfindung ist ein Pumpspeicherkraftwerk, das besonders für flache Landschaften und offshore geeignet ist.

Stand der Technik

Bekannt sind Pumpspeicherkraftwerke in gebirgigen Regionen. Bei diesen konventionellen Pumpspeicherkraftwerken steigt die Wirtschaftlichkeit allgemein mit der Förderhöhe. Aus diesem Grund ist es bei dem Bau der Pumpspeicherkraftwerke üblich, ein gebirgiges Gelände aufzusuchen und das Wasser im Pumpbetrieb von einem See im Tal über eine möglichst große Höhe in einen bergseitigen See zu pumpen, der üblicherweise bis zu einigen 100 m höher als der untere See liegt.

In der Patentschrift 03089819 A der Fuji Electric Co. Ltd. (japanisches Patent, int. Klassifikation H02J 15/00) wird ein Seewasserkraftwerk beschrieben, das sich von dem erfindungsgemäßen Kraftwerk dadurch unterscheidet, dass es ein normales Pumpspeicherkraftwerk ist, bei dem der untere See das Meer ist. Dazu ist eine hohe Küste für den oberen See mit ausreichend Platz erforderlich. Das Kraftwerk der genannten Patentschrift beansprucht außerdem Landfläche.

In einer anderen japanischen Patentschrift der Toshiba Corporation (03188395 A, int. Klassifikation G21C 1/00) wird eine unterirdische Kaverne in Meeresnähe im Pumpbetrieb in das Meer entleert und im Turbinenbetrieb mit Seewasser gefüllt. Das Anlegen einer Kaverne unter dem Meeresspiegel ist sehr kostenaufwändig. Deshalb dient das Prinzip der Toshiba-Erfindung nur der Kühlung eines Kernkraftwerkes, aber nicht als Pumpspeicherkraftwerk.

Durch die DE 195 13 817 B ist ein Pumpspeicherwerk bekannt, bei dem der untere See in einem ausgeräumten Tagebau angelegt ist. Der obere See wird vorteilhaft durch Deiche aus Abraummasse erbaut. Diese Lösung ermöglicht Effekte wie Pumpspeicherwerke im Gebirge. Derartige ausgebaute Tagebaue mit der erforderlichen Tiefe stehen aber nur vereinzelt zur Verfügung.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Pumpspeicherkraftwerk vorzuschlagen, dass auch in flachen Regionen kostengünstig zu errichten ist.

Eine weitere Aufgabe ist es, auch Standorte an flachen Küsten nutzbar zu machen, um ein Zusammenwirken mit Offshore-Windparks zu ermöglichen.

Weiterhin soll eine Gefahr für die Umgebung durch ein hochliegendes, oberes Wasserspeicherbecken vermieden werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demnach liegen bei einem Pumpspeicherkraftwerk mit Wasserspeicherbecken mit einem höheren und einem tieferliegenden Wasserspiegel beide Wasserspeicherbecken auf annähernd gleicher Ebene. Das Wasserspeicherbecken mit dem tieferliegenden Wasserspiegel ist durch zeitweises Absenken des Wasserspiegels gegenüber dem Normalniveau der Umgebung entsprechend dem Speicherzyklus gebildet.

Im einfachsten Fall sind das zwei nebeneinanderliegende Seen mit im Normalniveau gleich hohen Wasserstand.

Bei konventionellen Pumpspeicherkraftwerken steigt die Wirtschaftlichkeit allgemein mit der Förderhöhe. Aus diesem Grund ist es bei dem Bau der Pumpspeicherkraftwerke üblich, ein gebirgiges Gelände aufzusuchen und das Wasser im Pumpbetrieb von einem See im Tal über eine möglichst große Höhe in einen bergseitigen See zu pumpen, der üblicherweise bis zu einigen 100 m höher als der untere See liegt. Unterstellt man vereinfachend, dass beide Seen relativ flach sind, dann ist die im oberen See speicherbare Energiemenge direkt proportional zum Höhenunterschied der beiden Wasserspiegel, nämlich des talseitigen und des bergseitigen Sees. Wenn man einen Stausee zum Pumpbetrieb, d. h. auch als Speicherkraftwerk nutzen will, dann ist die speicherbare Energiemenge proportional zum Quadrat der Staumauerhöhe. Diese Zusammenhänge legten bisher nahe, Pumpspeicherkraftwerke an Land in möglichst gebirgiger Topographie zu errichten. Stehen die Seiten des Stausees senkrecht oder ist die Oberfläche des Sees groß gegenüber der Tiefe, dann ist das Volumen im See näherungsweise proportional zur Oberfläche. Der speicherbare Energieinhalt ist also auch proportional zur Oberfläche (und zur Tiefe).

Je größer z. B. die Fläche eines oberen Sees in einem Pumpspeicherkraftwerk ist, desto größer ist also seine speicherbare Energiemenge. Nimmt man einen solchen See als kreisförmig an, dann steigt die Fläche quadratisch zur Länge der Uferlinie. Unterstellt man Baukosten, die proportional zur Länge der Uferlinie des oberen Sees sind, lohnt es sich, den oberen See (und damit den unteren) möglichst groß zu machen.

Betrachtet man die erfindungsgemäße Ausführung, so ergibt sich folgendes Bild:

Wegen A = 2 E/g&rgr;H2 geht die Höhe H quadratisch in die gespeicherte Energiemenge E ein, allerdings steigt bei gleichem A das Volumen der Deiche auch mit H2, wenn man unterstellt, dass die Böschungen einen von H unabhängigen Winkel haben (bei doppelter Höhe ist die Basis des Deiches doppelt so breit, die Querschnittsfläche also viermal so groß). Die leistungsbezogenen Baukosten hängen also nicht von H ab und sinken mit A: Bei sonst gleichem H steigt A auf das Vierfache, wenn sich der Umfang des Deichbauwerkes nur verdoppelt. Die leistungsbezogenen Baukosten sinken mit dem Quadrat der Deichlänge.

Völlig überraschend und im Gegensatz zur optimalen Gestaltung von bisherigen Pumpspeicherkraftwerken hat also, abgesehen von der optimalen Förderhöhe entsprechend der Kennlinien der verwendeten Pumpen und Turbinen, die Förderhöhe auf die Optimalität keinen Einfluss, sondern ausschließlich die flächenhafte Erstreckung. Diese Tatsache macht es nun erfindungsgemäß im Gegensatz zum Stand der Technik möglich, Pumpspeicherkraftwerk großer Leistungsdimensionen bzw. Energieinhalte auch im Meer bzw. großen Seen in flachem Wasser zu errichten. Man muss lediglich einen Bereich finden, in dem der Deichbau bautechnisch möglich ist und dabei eine möglichst große Fläche eindeichen, idealerweise unter Ausnutzung der Küstenlinie und vorgelagerter Inseln, wie es z. B. an der mecklenburgischen oder dänischen Küste möglich erscheint.

Vorteile gegenüber der bisherigen Pumpspeichertechnik an Land: Die möglichen Flächen sind in Deutschland wegen der flachen Topologie in Norddeutschland nicht verfügbar, die Standorte in den Gebirgen sind aus Gründen des Landschaftsschutzes begrenzt. Man kann auch an Land große flache Seen schaffen wie im Fall der dargestellten Erfindung, aber auch hier sind wegen der Zusammenhänge große Flächen erforderlich, die wenig verfügbar sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftwerk ist der Wasserspiegel im eingedeichten Bereich stets niedriger als im angrenzenden See oder Meer. Hierdurch sind die Baukosten für die Deiche geringer als bei einer Erhöhung des Wasserspiegels im inneren Bereich gegenüber dem angrenzenden See oder umgebenden Meer. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Ausführung ist, dass bei einem Deichbruch kein Wasser auslaufen und Überschwemmungen verursachen kann.

Die Ansprüche 2 bis 4 enthalten vorteilhafte Ausführungen zur Gestaltung des Wasserspeicherbeckens in bestimmten Territorien.

Vorteilhafte Ausführungen gemäß den Ansprüchen 5 und 6 beziehen sich auf Mittel zur Absenkung des Wasserspiegels im Wasserspeicherbecken mit dem zeitweise tieferliegenden Wasserspiegel. Damit kann die Effektivität der Wasserstandsabsenkung verbessert werden.

Gemäß Anspruch 7 ist das Wasserspeicherbecken mit dem zeitweise tieferliegenden Wasserspiegel gleichzeitig als Aquakultur nutzbar.

Da das Wasserspeicherbecken wegen dem geringen Unterschied in der Wasserspiegelhöhe zum anderen Wasserspeicherbecken, bzw. Meer nicht restlos entleert wird, verbleibt immer ausreichend Wasser für Tiere und Pflanzen. Andererseits kann das Niedrigwasser gut für die Bearbeitung der Aquakultur genutzt werden. Die Aquakultur ist ein bedeutender Markt für die Zukunft. Die schon vorhandene Abgrenzung und die Dimensionen des Bauwerkes ermöglichen eine naturnahe Haltung bei gleichzeitiger Qualitätskontrolle des ein- und auslaufenden Wassers.

In der vorteilhaften Ausführung nach Anspruch 8 sind im Deichbereich oder im Wasserspeicherbecken mit dem zeitweise tieferliegenden Wasserspiegel Windkraftanlagen errichtet.

Der Bau und die Wartung der Anlagentürme sind im Vergleich zu Bauten in der offenen See einfacher und kostengünstiger. Andererseits können durch die Turmfundamente die Deiche verstärkt werden.

Gemäß der vorteilhaften Ausführung nach Anspruch 9 ist das Pumpspeicherkraftwerk mit Windkraftanlagen oder Solaranlagen zur Stromerzeugung örtlich und/oder schaltungstechnisch verbunden, so dass zeitweise nicht benötigte Energie zum Abpumpen des Wasserspeicherbeckens mit dem zeitweise tieferliegenden Wasserspiegel nutzbar ist und Strom besonders zu Nachfragespitzen durch die Wasserturbinen erzeugt werden kann.

Die Windkraftanlagen und beispielsweise Photovoltaikanlagen können dazu sowohl unmittelbar im Bereich des Pumpspeicherkraftwerkes als auch weiter entfernt aufgestellt sein.

In der vorteilhaften Ausführung nach Anspruch 10 sind die Windkraftanlagen und das Pumpspeicherkraftwerk über eine gemeinsam genutzte Stromleitung mit dem überregionalen Stromnetz verbunden.

Da Windkraftanlagen sehr unregelmäßig Strom erzeugen, müssen die Stromleitungen auf die maximale Leistung ausgelegt werden. Das wird für den Offshorebereich mit Unterwasserkabel zum Festland besonders kostenaufwendig. Gemäß der erfindungsgemäßen Ausführung werden die Spitzenströme vermieden und es wird nur eine gemeinsame, leistungsschwächere Leitung benötigt.

Beispiele

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel eines Pumpspeicherkraftwerks im Offshorebereich näher erläutert werden.

Zur Realisierung geeignet könnten die Gebiete im ausgedehnten Flachwasserbereiche in der Nordsee, in der Nähe von Jütland sowie der Doggerbank, weiterhin in der Ostsee z. B. auch nördlich von Stettin sein. Außerhalb Deutschlands bieten sich z. B. einige Fjordbereiche in Norwegen an.

Ein größerer Flachwasserbereich vor der Küste wird durch einen Deich von 20 m Höhe vom Meer abgeteilt. Gegenüber herkömmlichen Deichen ist die Deichböschung beidseitig gegen Wellenschlag geschützt auszuführen. Das Kraftwerk mit den Turbinenanlagen und Zu- und Abflusskanälen wird im, bzw. am Deich errichtet, wobei nur der Anlagenteil für die Elektrik gegenüber einer Sturmflut gesichert sein muss. Die Deichkrone braucht nur bei leichtem Hochwasser über dem Wasserspiegel liegen. Vor einer Sturmflut wird das abgeteilte Speicherbecken geflutet, um Deichbrüche zu vermeiden.

Zum Schutz der Laichgebiete im Wasserspeicherbecken können Fischtreppen dienen, der Ansaugbereich für das Wasser im Pumpbetrieb ist in der Mitte anzuordnen und durch entsprechende Netze abzutrennen.

Im Pumpbetrieb befördern Pumpen das Wasser aus dem eingedeichten Bereich heraus in das umgebende Meer, während es zur Stromerzeugung durch Turbinen zurückläuft. Pumpen und Turbinen können getrennt oder in sog. Pumpturbinen z. B. als Francis-Turbinen vereint sein. Erfindungsgemäß können in dem Flachwasserbereich, der innerhalb der Eindeichung liegt und/oder auf der Deichkrone Windenergieanlagen (WEA) installiert sein. Umspann- und Stromwandlungsanlagen für diese Windenergieanlagen und nahegelegene Windparks können mit der Eindeichung bautechnisch verbunden sein.

Das Offshore-Pumpspeicherkraftwerk ist in der Weise optimiert, dass der Unterschied zwischen minimalem und maximalem Wasserspiegel im eingedeichten Bereich sich auf den energieoptimalen Turbinenbetrieb bzw. Pumpenbetrieb bezieht und die Fläche möglichst groß ist.

Das Offshore-Pumpspeicherkraftwerk kann auch in einem Funktionszusammenhang mit Offshore-Windparks errichtet werden. Es hat insbesondere den Zweck, die durch den zukünftigen Ausbau der Offshore-Windenergie entstehenden Schwankungen im Stromangebot aus diesen Offshore-Windparks auszugleichen bzw. die zeitlichen Unterschiede zwischen Stromangebot aus diesen Windparks aber auch anderen regenerativen Energiequellen, die Strom erzeugen, und der Nachfrage zu verringern. Zum Betrieb solcher Windparks ist positive Regelenergie erforderlich, die das Nachlassen des Windes kurzfristig ausgleicht, aber auch bei Sturm wirkt, wenn die Windenergieanlagen (WEA) ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit in Ruhestellung gehen. Regelenergie wird in Bwi05 (Bundesverband Windenergie e. V., Hintergrundinformation Regelenergie und Windkraft, Osnabrück 2005) als Energie definiert, die kurzfristig bereitstehen muss, um nicht vorhersehbare Schwankungen des Stromverbrauchs und der Stromerzeugung auszugleichen. Sie liegt zeitlich im Bereich von einer Minute bis einer Stunde, man spricht auch von einer sog. Minutenreserve bzw. von einer Stundenreserve. Diese Reservekapazitäten werden im deutschen Kraftwerkspark bisher dadurch bereitgestellt, dass die Dampfkraftwerke angedrosselt (abseits ihres optimalen Wirkungsgrades) fahren, dass Gasturbinenkraftwerke bereit stehen, die innerhalb kurzer Zeit aus dem Stillstand auf maximale Leistung gebracht werden, durch Pumpspeicherkraftwerke und durch – in Deutschland bisher ein einziges – Druckspeicherkraftwerk (CAES-Kraftwerk = Compressed Air Energy Store).

Darüber hinaus ist auch Reserveenergie für den Betrieb von Windparks erforderlich, die dann zur Verfügung stehen muss, wenn die erzeugte Leistung nicht die Stromnachfrage decken kann, aber im Gegensatz zur o. g. Definition der Regelenergie vorhersehbar ist. Hierfür sind bisher sog. „Schattenkraftwerke” nötig, die normalerweise still stehen und nur bei Bedarf anfahren, so z. B. auch wieder die genannten Gasturbinenkraftwerke, Pumpspeicher- und Druckspeicherkraftwerke.

Ein Merkmal der Erfindung ist, dass Windparks und das erfindungsgemäße Kraftwerk die Energie untereinander entsprechend der aktuellen Windverhältnisse ausgleichen und ihr Saldo per Kabel an Land in das Übertragungsnetz geben. Hierdurch ist es als Nebeneffekt möglich, die Offshore-Übertragungsleitungen knapper zu bemessen, als wenn dort schwankend höhere Energiemengen übertragen werden müssten.

Zur Dimensionierung des Speicherbeckens können nachfolgende Werte dienen. Die dena-Netzstudie (dena2005 (Hrsg.): Zusammenfassung der wesentlichen Ergebnisse der Studie, Stand 18.1.05) geht davon aus, dass im deutschen Stromnetz im Mittel 8–9% der installierten Windleistung als positive Minuten- und Stundenreserve vorgehalten werden muss. Mehrtägige Flauten, die zwar selten, aber auch offshore möglich sind, erfordern jedoch ganz andere Kapazitäten. Für die nachfolgenden Überlegungen wird von den geplanten Offshore-Kapazitäten in der Nordsee von 22 GW bis 2020 ausgegangen und vereinfachend davon, dass 100% dieser Leistung 1 h vorgehalten werden müssen. Dies entspricht einer Energiemenge von E = 22 GWh ≅ 80 × 1012 J. Bei einer Absenkung des Wasserspiegels um H = 10 m entspricht dies einer Fläche A von A = 2 E/g&rgr;H2 = 160 1012 J/(9,81 m/s2 × 103 kg/m3 × 100 m2) ≅ 160 km2. Bei kreisförmiger Gestaltung des Pumpspeicherkraftwerks ist dies ein Kreis mit 14,3 km Durchmesser. Für Windausfälle längerer Zeiträume ist eine entsprechend größere Kapazität vorzusehen.

Folgende Betriebsweisen sind mindestens möglich:

  • 1. Übersteigt das Windenergieangebot den Strombedarf durch die Verbraucher, wird der Energiespeicher durch Herauspumpen des Wassers aus dem Wasserspeicherbecken des Pumpspeicherkraftwerks gefüllt.
  • 2. Ist das Windenergieangebot geringer als die Nachfrage, gleicht das Pumpspeicherkraftwerk den Nachfrageüberhang aus, indem Wasser hereinläuft und Turbinen zur Stromerzeugung antreibt.
  • 3. Je nach Preisbildung am Strommarkt ist es auch möglich, durch Herauspumpen des Wassers einen Regelenergiespeicher zu bilden und diese Regelenergie unabhängig vom Windenergieangebot zu vermarkten.
  • 4. Es ist auch möglich, zum Herauspumpen des Wassers elektrische Energie aus anderer Erzeugung zu verwenden als Windstrom.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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.

Zitierte Patentliteratur

  • - JP 03188395 A [0004]
  • - DE 19513817 B [0005]


Anspruch[de]
Pumpspeicherkraftwerk, bestehend aus Wasserspeicherbecken mit einem höheren und einem tieferliegenden Wasserspiegel, die durch mindestens eine Wasserleitung verbunden und an der im tieferliegenden Bereich jeweils ein mit Pumpe-Turbine gekoppelter Motor-Generator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass beide Wasserspeicherbecken auf annähernd gleicher Ebene liegen und das Wasserspeicherbecken mit dem tieferliegenden Wasserspiegel durch zeitweises Absenken des Wasserspiegels gegenüber dem Normalniveau der Umgebung entsprechend dem Speicherzyklus gebildet ist. Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserspeicherbecken mit dem zeitweise tieferliegenden Wasserspiegel ein durch vollständig mit Deichen umschlossenes, möglichst großes Gewässerteilgebiet oder eine von der Küstenlinie des Meeres, Boddens, Haffs oder Ufer des Sees ausgehende und dort auch wieder endende Teileindeichung ist. Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserspeicherbecken mit dem zeitweise tieferliegenden Wasserspiegel gebildet ist durch die mit Deichstücken verbundenen vorgelagerte Inseln oder Ufer von Fjordmündungen, die durch das Meer führen. Pumpspeicherkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Wasserspeicherbeckens mit dem zeitweise tieferliegenden Wasserspiegel im Normalniveau mindestens 10 m beträgt. Pumpspeicherkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Absenkung des Wasserspiegels im Wasserspeicherbecken mindestens eine Pumpe oder Pumpe-Turbine im Deichbereich angeordnet ist, die das Wasser in Zeiten mit Stromüberschuss in das zweite Wasserspeicherbecken bzw. das Meer fördert. Pumpspeicherkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Absenkung des Wasserspiegels im Wasserspeicherbecken im Bereich von Meeren mit Ebbe und Flut zusätzlich verstellbare Wehre im Deichbereich angeordnet sind, mit denen bei Ebbe Wasser aus dem Wasserspeicherbecken abgelassen werden kann. Pumpspeicherkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserspeicherbecken mit dem zeitweise tieferliegenden Wasserspiegel gleichzeitig als Aquakultur nutzbar ist. Pumpspeicherkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Deichbereich oder im Wasserspeicherbecken mit dem zeitweise tieferliegenden Wasserspiegel Windkraftanlagen errichtet sind. Pumpspeicherkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit Windkraftanlagen oder Solaranlagen zur Stromerzeugung örtlich und/oder schaltungstechnisch verbunden ist, so dass zeitweise nicht benötigte Energie zum Abpumpen des Wasserspeicherbeckens mit dem zeitweise tieferliegenden Wasserspiegel nutzbar ist und Strom besonders zu Nachfragespitzen durch die Wasserturbinen erzeugt werden kann. Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlagen und das Pumpspeicherkraftwerk über eine gemeinsam genutzte Stromleitung mit dem überregionalen Stromnetz verbunden sind.






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