WO2013163979A2 - Off-shore-pumpspeicher-kraftwerk - Google Patents

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WO2013163979A2
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/10—Submerged units incorporating electric generators or motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/02—Other machines or engines using hydrostatic thrust
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a pumped storage power plant according to claim 1 and the following claims, which is placed in waters, mainly in the seas and as energy storage, for. B. can serve for wind farms and solar power plants of any kind.
  • a significant disadvantage of the known pumped storage power plants is the considerable space required, if it is a fully synthetic power plant. Furthermore, the realization of a pumped storage power plant often does not correlate with the interests of many groupings, in particular not with the interests of conservation organizations.
  • the essential feature of the vertically stacked chambers connected by flow channels is placement within waters, especially within seas, as the core of offshore storage power plants.
  • the basis for generating the fall height potential of the water required for this purpose Since the pumped storage power plant is preferably located within the sea, There are virtually no shortages of the central medium of water, which is necessary here for energy storage.
  • the locality of the storage power plant would usually be home to the low maintenance losses in the vicinity of alternative power plants, where the storage of excess energy can then be done directly as an intermediate buffer efficiency.
  • the arrangement of the water pump is made with the electric motors, which are driven by means of the excess power supplied by the respective power plants.
  • the water pumps deliver the water from the lower chambers via their exit channel into the marine environment, thus making room for the energy conversion of the geodesically higher water from the upper chamber.
  • the upper chambers would, in one version, advantageously be designed as low volume bulbs in which the controllable orifices and flow ducts and distribution are housed in the downcomers connected to the lower bulky chambers.
  • the controllable orifices and flow ducts and distribution are housed in the downcomers connected to the lower bulky chambers.
  • the water turbines which are likewise positioned in the lower chambers, are acted upon by the water of the upper chamber via the connection channels at the currently existing fall height.
  • Hydro turbines are coupled to the electric generators, which convert the mechanical power of the turbines into electrical energy.
  • the electrical energy of the generators is transported via lines which converters in the network or, is supplied to the consumers with the relevant voltages.
  • 1 is a schematic diagram of the main components of the off-shore
  • the open, upper chamber is designed small volume and contains the controllable opening and distribution devices for the incoming water;
  • the open, upper chamber is large volume designed as an intermediate water reservoir
  • Fig. 3 is a representational sketched off-shore pumped storage power plant in which the water in the intermediate water storage of the upper
  • Chamber with closed valve of the connecting channel flows and simultaneously water is pumped to the "storage filling" from the lower chamber into the sea;
  • Fig. 4 is a representational sketched off-shore pumped storage power plant, in which the intermediate water tank of the upper chamber as well as the lower chamber in the still running Beaufschlagungsphase the water turbine is already largely filled with water, which is almost the empty state of the memory displays;
  • Fig. 5 is a representational sketched off-shore pumped storage power plant in which the intermediate water storage of the upper chamber is full and the lower chamber contains a low water load and practically the indicates maximum energy storage of potential water energy.
  • Fig. 1 shows in principle the pumped storage power plant with the z. B. upwardly open chambers 2, the controllable openings 8 with z. B. controllable
  • Sliders 9 include.
  • the chambers 2 have the essential task to keep their water surfaces 23 close to the geodetic height of the sea surface 22 as upper potency surface for the current drop height largely constant. This means that the water flow from the sea through the controllable openings 8, and the valves and slides 9 in the open chambers 2 cause only small deductions at the height of fall and thus the water surface 23 deviates only slightly from the sea surface 22.
  • controllable valve 7 of the connecting channel 4 If the controllable valve 7 of the connecting channel 4 is opened, the admission of the water turbines 10 takes place with a fall height 6.
  • the directing valve 7 Nesse save if the regulation for the water turbine operation would be accomplished by the controllable openings 8 of the relatively small-volume chamber 2.
  • the water of the upper chamber 2 thus flows through the water turbine 10 and passes through the turbine outlet into the lower large-volume chamber 3, which defines the storage capacity of the pumped storage power plant 1 via the length dimensions thereof substantially.
  • Chamber height of 10 m also require an area of about 3.7 x 10 ⁇ m ⁇ , which corresponds to a square length of about 610 m. Are the boundary conditions for a very large fall height 6 with 100 m given the same chamber height leaves
  • the storage volume and the space requirement tenthin 3.7 x 10 m which then corresponds to a square length of less than 200 m for a 100 MWh memory.
  • the expenditure per MWh for the pumped storage power plant in the sea is very much dependent on the dimensioning possibilities of the falling heights 6 to be realized for a given storage volume, which is given by the extension from the sea surface 22 to the central water surface 24 in the lower chamber 3.
  • the pumped storage power plant of Fig. 1 is made variable in the distance from the seabed via devices and methods, so that the water cycle of the storage power plant in all the operating phases of the "filling” such as "emptying” and the changing conditions of the sea adaptable is.
  • controllable openings 8 in the connecting channel 4 to the marine environment are conceivable, which would have to be activated at the height changes of the power plant for turbine operation.
  • the power is supplied via the lines 26 to the electric motors 13 of the water pumps 12 in the lower chamber 3 for "filling" the energy store by pumping out the water from the chamber 3.
  • the pumped storage power plant will be informed according to the needs and constraints - "energy storage", "electricity in a predetermined amount” and - further process requirements - the power plant control 25 are communicated via the signals 29, the respective signals 28 to the devices, or Aktuato - of the relevant components, such as B. valves 7, 9, 14, pumps and electric motors 12, 13 or water turbines and generators 10, 11 emit.
  • the power plant 1 must be precisely defined in terms of its degrees of freedom of movement by guide, support pillars and damping devices 20, 21 despite the controllability of essential forces due to the often harsh weather conditions in its local area.
  • the large chambers 2 can be regarded as a buffer against the sea environment, the water surfaces 23 of the sea surface 22, based on the absolute drop height 6, can differ significantly per cent.
  • the large volume of the chambers 2 offers over the water filling rate the advantage for wide use of the mentioned options with regard to the floating or floating capability of the power plant. 1 Furthermore, this allows the resulting forces from the gravity and the lift on the Abstitzeben and dampers 20, 21 are kept adjustable small.
  • the power plant 1 can be assembled from many self-sufficient modules mountable.
  • "storage parks" in the sea could be gradually developed over many decades of immense sizes, which can adapt to the growing storage requirements of alternative or even conventional power plants without space problems.
  • 3, 4 and 5 show an objectively outlined representation of a pumped storage power plant 1, or a power plant module in different operating phases of the memory with the core units water pumps with electric motors 12, 13 and water turbines and generators 10.1 1, the valves 7,8, 14 and sliders 9, which are controlled by the control 25.
  • the water pumps 12 being driven by the power plant excess current, eg from the neighboring wind power park, by the electric motors 13 by means of the lines 26 and pumping the same
  • the energy of this surplus stream effects a potential transformation of the amount of water in the compartments 2 over the created drop height potential 6 between the water surfaces 23 and 24 in the water
  • the volume of the pumped-out water in chamber 3 is replaced by the ambient air flowing in through the ventilation channel 5.
  • the controllable openings 8 are set by the slide 9 in the direction "on", whereby the influx of seawater takes place.
  • Fig. 4 shows the memory of the power plant 1, by the filled volume of the chamber 3 just before its "empty state.”
  • the water turbine 10 may well over an existing drop height 6 the generator 1 1 with open valve 7 for a certain time with lower specific If the water in the chambers could rise into the ventilation piping 5, the drop height 6 would move to the value 0, which, however, would not take place in the real operating mode due to tolerance specifications of the lower drop height 6.
  • the supports and guides 20, 21 are activated via corresponding pillars which are anchored in the seabed as a support for the power plant 1 for height stabilization.
  • FIG. 5 An almost full memory state, which can be seen from the largely empty lower chambers 3, shows the Fig. 5.
  • the upper chambers 2 are also almost completely filled for a high drop height 6 in the example shown. Nevertheless, the average density of the entire power plant is still below the seawater density.
  • the draft of the power plant 1 was adjusted here by the total amount of water so that the position of the power plant 1 still adjusts with a slight distance to the support of the support and damping devices 20, 21 in the often optimal floating state.
  • the valves 7 are opened in front of the water turbines, whereby the drive of the generators for power production is made possible.
  • the volume values of the leegepumpten chambers 3 mainly for the dimensioning of the stored target energy amount and the volume values of the chambers 2 for the adjustment of the modes of operation of the entire pumped storage power plant 1 on a floating, possibly floating or sinking state with a high or low power requirement on the support and damping devices 20, 21, which must be received by corresponding pillars, and their seabed foundations.
  • Pumped-storage power plant modules 1 are preferably made of steel and malleable concrete on land, whereby also manufacturing methods of conventional shipyards will play a significant role.
  • reference numeral 1

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Description

Off-Shore-Pumpspeicher-Kraftwerk
Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicher-Kraftwerk nach Patentanspruch 1 und den folgenden Ansprüchen, das in Gewässern, vorwiegend in den Meeren angeordnet wird und als Energiespeicher, z. B. für Windkraftparks und auch Solarkraftwerken jeglicher Art dienen kann.
Pumspeicher-Kraftwerke auf dem Lande sind seit mehr als einem Jahrhundert als Stand der Technik bekannt, um Überschüsse der Stromerzeugung in potenzielle Energie mittels dem Medium Wasser für eine spätere Nutzung mit einem gewissen Wirkungsgradabschlag zu speichern. Das Wasser wird dazu durch Pumpen auf eine höhere geodätische Höhe in einen Speicher, bzw. in einen höher liegenden See gepumpt. Besteht ein hoher Strombedarf, der von den aktiven Kraftwerken nicht unmittelbar gedeckt werden kann, steht dem Verbraucher diese potenzielle Energie über die Fallhöhe des Wassers zur Umwandlung in den Wasserturbinen in mechanische Arbeit und den daran gekoppelten elektrischen Generatoren für einen schnelle Stromabruf zur Verfügung.
Ein gewichtiger Nachteil der bekannten Pumpspeicher-Kraftwerken ist der erhebliche Platzbedarf, falls es sich um ein vollsynthetisch erstelltes Kraftwerk handelt. Desweiteren korreliert die Realisierung eines Pumpspeicher-Kraftwerks häufig nicht mit den Interessen vieler Gruppierungen, insbesondere nicht mit den Belangen der Naturschutzverbände.
Trotz dem wachsenden Strombedarf und dem geplanten Ersatz der Atomkraftwerke durch alternative Kraftwerke, insbesondere durch Wind- und Sonnenkraftwerke aller Art, gibt es aus politischer Sicht erhebliche Probleme die notwendigen Speichertechnologien für eine vorteilhafte Netzstabilisierung durchzusetzen.
Auch besteht eine große Abhängigkeit der vorliegenden Wasser-Speicher- Kraftwerke vom Geschehen des Wetters, bzw. von den Ereignissen der Regen- häufigkeit. Da in heißen Wetterphasen eine nicht unerhebliche Verdampfungsrate vorliegt und die betreffenden Gewässer auch für die Trinkwasserversorgung meist eine wesentliche Rolle spielen, kann es zu ernsthaften Wasser-Knappheiten kommen, die den Speicherprozess stören, bzw. sogar temporär unmöglich machen. Bewegen wir uns aus dem europäischen Raum in die Bereiche, die weiträumig um den Äquator liegen, finden wir riesige Land-Zonen, die ein hohes Potenzial an Wind- und Sonnenenergie für die Stromerzeugung aufweisen. Eine einfache Speicherung der Energie mittels der herkömmlichen Pumpspeicher-Technologien kann jedoch wegen dem fehlenden Wasser als Speichermedium und den fehlenden notwendigen Erhebungen in den wenigsten Fällen erfolgen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Typ von Pumpspeicher-Kraftwerken zu konzipieren, der auf dem bekannten, einfachen und herkömmlichen
physikalischen Prinzip basiert und weder Platzprobleme mit sich bringt noch in absehbarer Zeit Knappheit des Hauptmediums Wasser aufweisen wird.
Neben den übersichtlichen physikalischen Gegebenheiten, dürften dann die politischen Bedingungen für die Umsetzungen des Speichertyps weltweit nicht ungünstig sein. Der Energieumwandlung mit alternativen Kraftwerken wird somit eine weitere Ausgangsbasis geboten, die mit dieser einfachen Speichertechnologie in Verbindung steht. Es ist zu erwarten, dass unter neuen günstigen Randbedingungen mit der Entwickelbarkeit der einfachen Speichertechnologie ein Durchbruch der alternativen Stromversorgung ohne größere politischen Widerstände wahrscheinlicher wird.
Die Aufgabenstellungen werden durch den erfindungsgemäßen Pumpspeicher- Kraftwerkstyp mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , zusammen mit den Ansprüchen 2 und 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der alternativen Kraftwerke mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, im Besonderen auch mit Anspruch 9 gegeben.
Das wesentliche Merkmal der vertikal übereinander angeordneten Kammern, die durch Strömungskanäle verbunden sind, ist die Platzierung innerhalb von Gewässern, im Besonderen innerhalb von Meeren als Kern von Off-Shore-Speicher- Kraftwerken. Mittels der beiden übereinander liegenden Kammern besteht die Basis für die Erzeugung des Fallhöhen-Potenzials des dazu benötigten Wassers. Da sich das Pumpspeicher-Kraftwerk vorzugsweise innerhalb des Meeres befindet, gibt es praktisch zu keinem Zeitpunkt Knappheiten an dem zentralen Medium Wasser, das hier für die Energiespeicherung notwendig ist.
Die Örtlichkeit des Speicherkraftwerks würde man üblicherweise zur Kleinhaltung der Übertragungsverluste in der Nähe von alternativen Kraftwerken beheimaten, wo die Speicherung der überschüssigen Energie dann als Zwischen- Puffer wirkungsgradgünstig direkt erfolgen kann..
In den unteren Kammern wird die Anordnung der Wasserpumpen mit den Elektromotoren getätigt, die mittels dem von den betreffenden Kraftwerken gelieferten Überschussströmen angetrieben werden. Die Wasserpumpen fördern das Wasser aus den unteren Kammern über ihren Austrittskanal in die Meeresumgebung, um somit Platz zu schaffen für die Energieumwandlung des geodätisch höher liegenden Wassers aus der oberen Kammer.
Die oberen Kammern würde man in der einen Version vorteilhafterweise als geringwertige Voluminas ausbilden, in dem die regelbaren Öffnungen und Strömungszuführungen und die -Verteilung zu den Fallkanälen, die mit den unteren großvolumigen Kammern verbunden sind, untergebracht sind. Somit könnte man bei dem wichtigen Parameter der Fallhöhe in den Betriebsphasen, in denen man vom Speicherkraftwerk Energie in Form von Strom abruft, nahezu immer von der Oberfläche des Gewässers, bzw. der Meeresoberfläche ausgehen. In den unteren großvolumigen Kammern steigt die Wasseroberfläche mit den Wassermengen an, die durch die Fallkanäle über die Wasserturbinen einströmen, wodurch sich eine Minderung der Fallhöhe während der Nutzung der Speicherenergie ergibt, was ein wesentlicher Parameter bei der Auslegung des Kraftwerkstyps bedeutet.
Die zu speichernde Überschussenergien der betreffenden Kraftwerke, betreffen also die Stromzuführungen zu den Elektromotoren, die die Wasserpumpen in den unteren Kammern antreiben und dadurch zur Schaffung des Höhenpotenzials des Wassers genutzt werden, das dann aus dem Meer durch von Schiebern oder Ventilen kontrollierten Öffnungen auf dem geodätisch höheren Niveau in die oberen Kammern einströmt,
Findet nun die Anforderung statt, dass der Speicher Energie in Form einer Stromlieferung abgeben soll, werden die Wasserturbinen, die ebenfalls in den unteren Kammern positioniert sind, durch das Wasser der oberen Kammer über die Verbindungskanäle bei der aktuell vorliegenden Fallhöhe beaufschlagt. Die
Wasserturbinen sind an die elektrischen Generatoren gekoppelt, die die mechanische Leistung der Turbinen in elektrische Energie umwandeln. Der Transport der elektrischen Energie der Generatoren erfolgt über Leitungen zu verschie- denen Wandlern in das oder die Netze, bzw. wird den Verbrauchern mit den betreffenden Spannungen zugeführt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen mehrerer Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegeben Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Figuren zeigen in:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Hauptkomponenten des Off-Shore-
Pumpspeicher-Kraftwerks, wobei die offene, obere Kammer kleinvolu- mig gestaltet ist und die regelbaren Öffnungs- und Verteilungsvorrichtungen für das einströmende Wasser enthält;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Hauptkomponenten des Off-Shore-
Pumpspeicher-Kraftwerks, wobei die offene, obere Kammer großvolu- mig als Zwischen-Wasserspeicher ausgebildet ist;
Fig. 3 ein gegenständlich skizziertes Off-Shore-Pumpspeicher-Kraftwerk, in dem das Wasser in den Zwischen-Wasserspeicher der oberen
Kammer bei geschlossenem Ventil des Verbindungskanals strömt und simultan Wasser zur„Speicherfüllung" aus der unteren Kammer in das Meer gepumpt wird;
Fig. 4 ein gegenständlich skizziertes Off-Shore-Pumpspeicher-Kraftwerk, in dem der Zwischen-Wasserspeicher der oberen Kammer wie auch die untere Kammer in der noch laufenden Beaufschlagungsphase der Wasserturbine schon weitgehend mit Wasser gefüllt ist, was nahezu den Leer-Zustand des Speichers anzeigt;
Fig. 5 ein gegenständlich skizziertes Off-Shore-Pumpspeicher-Kraftwerk, in dem der Zwischen-Wasserspeicher der oberen Kammer voll ist und die untere Kammer eine geringe Wasserbeladung enthält und praktisch die maximale Energiespeicherung an potenzieller Wasser-Energie anzeigt.
Die Fig. 1 zeigt prinzipiell das Pumpspeicher-Kraftwerkl mit den z. B. nach oben offenen Kammern 2, die die regelbaren Öffnungen 8 mit z. B. regelbaren
Schiebern 9 beinhalten. Die Kammern 2 haben die wesentliche Aufgabe ihre Wasser-Oberflächen 23 nahe zur geodätische Höhe der Meeresoberfläche 22 als obere Potenziafläche für die aktuelle Fallhöhe weitgehend konstant zu halten. Das bedeutet, daß der Wasserdurchsatz aus dem Meer durch die regelbaren Öffnungen 8, bzw. den Ventilen und Schiebern 9 in die offenen Kammern 2 nur geringe Abschläge an der Fallhöhe bewirken und somit die Wasseroberfläche 23 nur geringfügig von der Meeresoberfläche 22 abweicht.
Wird das regelbare Ventil 7 des Verbindungskanals 4 geöffnet, findet die Beaufschlagung der Wasserturbinen 10 mit einer Fallhöhe 6 statt. Das Regieventil 7 Nesse sich einsparen, falls das Regelung für den Wasserturbinebetrieb durch die regelbaren Öffnungen 8 der relativ kleinvolumingen Kammer 2 bewerkstelligt werden würde.
Das Wasser der oberen Kammer 2 durchströmt also die Wasserturbine 10 und gelangt über den Turbinenaustritt in die untere großvolumige Kammer 3, die über deren Längen-Dimensionierungen im wesentlichen die Speicherkapazität des Pumpspeicher-Kraftwerks 1 festlegt.
Möchte man eine Speicherkapazität von z. B. 100 MWh realisieren, wird man bei einer vorgesehenen mittlere Fallhöhe 6 von z. B. 10 m und einer unteren
Kammerhöhe von ebenfalls 10 m eine Fläche von über 3.7 x 10 ^ m ^ benötigen, was einer Quadratlänge von ca. 610 m entspricht. Sind die Randbedingungen für eine sehr grosse Fallhöhe 6 mit 100 m bei gleicher Kammerhöhe gegeben, lässt
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sich das Speichervolumen und der Flächenbedarf auf 3.7 x 10 m zehntein, was dann einer Quadratlänge von weniger als 200 m für einen 100 MWh-Speicher enspricht.
Die Aufwendungen pro MWh für das Pumpspeicher-Kraftwerk im Meer ist bei vorgegebenem Speichervolumen sehr stark abhängig von den Dimensionierungs- möglichkeiten der zu realisierenden Fallhöhen 6, die durch die Erstreckung von der Meeresoberfläche 22 bis zur mittleren Wasseroberfläche 24 in der unteren Kammer 3 gegeben ist.
Je höher die spezifische Leistung der Wasserturbinen 10 über die erhöhte Fallhöhen sich darstellen, je geringer wird der Flächenbedarf des Kraftwerks 1 sein. Zum Andern werden die tief angeordneten Speicherkammern 3 bis auf den Verbindungskanal 4 zum Zulauf in Kammer 2 dann kaum eine Störung für den Schiffsverkehr darstellen können.
Zu Berücksichtigen sind für die beschriebene Kaftwerksversion der Fig. 1 jedoch die Beherrschung der enormen Auftriebskräfte bei der Nennspeicher-Energie (Kammer 3 weitgehend ausgepumpt) durch die verdrängten Wassermassen der Außenabmessungen der unteren Kammer 3 zusammen mit dem Turm der Verbindungskanäle 4 und den weiteren Vorrichtungen, die über die Gewichte der Wandungen 19, dem Inventar, wie Pumpen 12, Elektromotoren 13, Turbinen 10 und Generatoren 11 und den ggf. zusätzliche Kräften, die anhand von notwendigen Verankerungen 21 im Meeresboden 30 zu kompensieren sind, um die Position des oberen Zulauf des Wassers in die Kammern 2 bzgl. der Meeresoberfläche in gewissen Grenzen zu gewährleisten.
Es ist auch vorstellbar, dass das Pumpspeicherkraftwerk der Fig. 1 im Abstand gegenüber dem Meeresboden über Vorrichtungen und Verfahren veränderbar gestaltet wird, damit der Wasserkreislauf des Speicherkraftwerks in all den Betriebsphasen des„Füllens" wie„Entleerens" und den sich ändernden Bedingungen des Meeres anpassbar ist. Hierzu sind auch nicht dargestellte regelbare Öffnungen 8 im Verbindungskanal 4 zur Meeresumgebung denkbar, die bei den Höhenänderungen des Kraftwerks für den Turbinenbetrieb aktiviert werden müßten.
Wie schon erwähnt, wird die potenzielle Energie in den Wasserturbinen 10 mit den angekoppelten elektrischen Generatoren 11 unter Berücksichtigung der
Komponentenwirkungsgrade in elektrische Energie umgewandelt. Der erzeugte Strom wird dann über die Leitungen 27 an das Netz für die Verteilung an die Verbraucher abgeführt.
Besteht von den alternativen Kraftwerken oder über das Netz ein Stromüberschuß wird der Strom über die Leitungen 26 den Elektromotoren 13 der Wasserpumpen 12 in der unteren Kammer 3 zum„Füllen" des Energiespeichers durch ein Herauspumpen des Wassers aus der Kammer 3 bewerkstelligt.
Das Pumpspeicher-Kraftwerk wird entsprechend der Bedürfnisse und Randbedingungen -„Energie Speichern",„Strom in vorgegebener Menge liefen" und -weitere Prozessanforderungen - die der Kraftwerksregelung 25 über die Signale 29 mitgeteilt werden, die betreffenden Signale 28 an die Vorrichtungen, bzw. Aktuato- ren der maßgebenden Komponenten , wie z. B. Ventile 7, 9, 14, Pumpen und Elektromotoren 12, 13 oder Wasserturbinen und Generatoren 10, 11 aussenden.
Während die Schwimmbarkeit des Pumpspeicherkraftwerk nach den Merkmalen in der Fig. 1 aufgrund der kleinvolumigen Kammer 2 nur bedingt in wenigen Phasen der Betriebsweise sinnvoll ist und ggf. größere Kräfte über Verankerungen und AbStützungen 21 im Meeresboden aufgebracht werden müssen, sind im Beispiel einer Konzeption, die auf Fig. 2 grob im Prinzip dargelegt ist, die Schwimmfähigkeit der Pumpspeicher- Kraftwerksversion in vielen Phasen der Betriebsweisen aufgrund der größeren Kammern 2 bedeutend und vorteilhaft.
Über die Anpassbarkeit der resultierenden Kraft des Auftriebs durch die verdrängten Wassermassen mit der entgegenwirkenden Kraft des Kraftwerksgewichtes, das sich durch die inneren Wassermengen in den Kammern 2 und 3 verändern lässt, bestehen nun hier für das Kraftwerk 1 die Optionen der Schwimmfähigkeit, der kräftefreie Schwebezustand oder die des Sinkzustandes mit einem definierten resultierenden Kraftbetrag. Diese Möglichkeiten lassen sich mittels der Regelungseinrichtung 25 durch die Regelung der inneren Wassermengen über die Zu- und Abläufe mittels der beeinflussbaren Öffnungen 8 und 14 bewerkstelligen. Es wird bei diesen Regelungsprozessen der Abgleich der mittleren Dichte des Gesamtkraftwerks zur Dichte des umgebenden Gewässers durchgeführt, wie wir ihn vergleichsweise bei den Unterseeboten schon sehr lange kennen.
Das Kraftwerk 1 muss in seinen Bewegungsfreiheitsgraden durch Führungs-, Ab- stützungspfeiler und Dämpfungsvorrichtungen 20, 21 trotz der Regelbarkeit wesentlicher Kräfte aufgrund der oft rauhen Wetterbedingungen in seinem Ortsbereich genau definiert werden.
Die großen Kammern 2 können gegenüber der Meersumgebung als Zwischenspeicher aufgefasst werden, deren Wasseroberflächen 23 von der Meeresoberfläche 22, bezogen auf die absolute Fallhöhe 6, prozential merklich differieren können.
Das große Volumen der Kammern 2 bietet über die Wasser-Füllrate den Vorteil zur breiten Nutzung der erwähnt Optionen hinsichtlich der Schwimm- oder Schwebefähigkeit des Kraftwerks 1 . Desweiteren können dadurch die resultierenden Kräfte aus der Gravitation und dem Auftrieb auf die AbStützungen und Dämpfer 20, 21 einstellbar klein gehalten werden.
Das Kraftwerk 1 lässt sich aus vielen autarken Modulen montierbar zusammenstellen. Ein Speicherkraftwerk 1 mit einer Speicherkapazität von 100 MWh Nesse sich z. B. aus 100 autarken Modulen, von jeweils 1 MWh zusammengestellen, bzw. zusammengeschalten. Hierdurch ließen sich„Speicherparks" im Meer über viele Jahrzehnte von immensen Größen schrittweise entwickeln, die sich an den wachsenden Speicherbedarf der alternativen oder ggf. auch der konventionellen Kraftwerke ohne Platzprobleme anpassen können. Die Fig. 3, Fig. 4 und Fig.5 zeigen eine gegenständlich skizzierte Darstellung eines Pumpspeicher-Kraftwerks 1 , bzw. eines Kraftwerk- Moduls in verschiedenen Betriebsphasen des Speichers mit den Kernaggregaten Wasserpumpen mit Elektromotoren 12, 13 und Wasserturbinen und Generatoren 10,1 1 , die Ventile 7,8, 14 und Schiebern 9, die über die Regelung 25 kontrolliert werden.
Der„Füllvorgang" des Speichers wird aus der Fig. 3 bei geschlossenem Ventil 7 des Verbindungskanals 4 sichtbar. Die Wasserpumpen 12 werden durch den Kraftwerksüberschussstrom, z. B. aus dem benachbarten Windkraftpark, mittels der Leitungen 26 von den Elektromotoren 13 angetrieben und pumpen das Wasser der Kammern 3 über die Auslasskanäle 14 entgegen dem Wasserdruck in das Meer. Somit bewirkt die Energie dieses Überschussstromes, gemindert durch die Komponenten- und Systemwirkungsgrade, eine Potenzialtransformation der Wassermenge in den Kammern 2 über das geschaffene Fallhöhenpotenzial 6 zwischen den Wasseroberflächen 23 und 24 im Speicher. Das Volumen des herausgepumpten Wassers in Kammer 3 wird durch die Umgebungsluft, die durch den Belüftungskanal 5 einströmt, ersetzt. Wie der Abstand des Kraftwerks 1 zu den Stütz- und Führungspfeiler 20 und den Dämpfungsvorrichtungen sichtbar macht, befindet sich das gesamte Kraftwerk 1 im Schwimmzustand, da die Wassermenge in der Kammer 2 noch nicht sein Sollvolumen eingenommen hat. Dazu sind die regelbaren Öffnungen 8 durch die Schieber 9 in Richtung„auf" eingestellt, wodurch das Einströmen des Meereswassers stattfindet.
Im Prinzipbeispiel befindet sich unterhalb der beiden Kammern 2, 3 der Kontrollraum 15 des Kraftwerks 1 , in dem Stromleitungen 16 und 17 der Elektromotoren 13 und Generatoren 1 1 , zusammen mit den Regelungseinrichtungen 18 der Verbindungskanäle 4 für die Regelung 25 gegenständlich auch mit den nichtdarge- stellten Zuführ- und Abführleitungen 26 und 27 verschaltbar sind.
Die Fig. 4 zeigt den Speicher des Kraftwerks 1 , durch das gefüllte Volumen der Kammer 3 kurz vor seinem„Leerzustand". Die Wasserturbine 10 kann wohl noch über eine vorhandene Fallhöhe 6 den Generator 1 1 bei offenem Ventil 7 eine gewisse Zeit mit niederer spezifischer Leistung antreiben. Würde das Wasser der Kammern bis in die Entlüftungsverrohrungen 5 ansteigen können, würde sich die Fallhöhe 6 bis auf den Wert 0 bewegen, was jedoch in der realen Betriebsweise durch Toleranzvorgaben der unteren Fallhöhe 6 nicht stattfinden würde.
Durch die großen Wassermassen in den Kammern 2 und 3 stellt sich eine hohe mittlere Dichte des Gesamtkraftwerks 1 ein, die über der Dichte des Meerwassers liegt. Aufgrund der dadurch verursachten Sinkneigung des Kraftwerks 1 werden die AbStützungen und Führungen 20, 21 über entsprechende Pfeiler, die im Meeresboden verankert sind, als Auflage für das Kraftwerk 1 für die Höhenstabilisierung aktiv.
Ein fast voller Speicherzustand, der aus den weitgehend leeren unteren Kammern 3 erkennbar ist, zeigt die Fig. 5. Die oberen Kammern 2 sind für eine hohe Fallhöhe 6 im gezeigten Beispiel ebenfalls nahezu vollständig gefüllt. Dennoch ist die mittlere Dichte des Gesamtkraftwerks noch unterhalb der Meereswasserdichte. Der Tiefgang des Kraftwerks 1 wurde hier durch die innere Gesamtwassermenge so eingeregelt, dass sich die Lage des Kraftwerks 1 noch mit geringfügigem Abstand zur Auflage der Abstützung- und Dämpfungsvorrichtungen 20, 21 im häufig optimalen Schwimmzustand einstellt. Zur Abgabe von elektrischem Strom werden die Ventile 7 vor den Wasserturbinen geöffnet, wodurch der Antrieb des Generatoren zur Stromproduktion ermöglicht wird.
Im Falle, dass die innere Wassermasse, bzw. das Gesamtgewicht des Pumpspeicher-Kraftwerks 1 auf einen konstanten Wert durch den gleiche Zu-, wie auch gleichen Abfluss des Wassers während der„Füllphase" des Speichers geregelt wird, ergibt sich die ggf. angestrebte feste Zuordnung der mittleren Dichte des Gesamtkraftwerks zur Dichte des Meerwassers. Es lässt sich also über die Regelung 25 der inneren Wassermenge mit den betreffenden notwendigen Komponenten der Schwimm- wie auch der Sinkzustand des Pumpspeicher- Kraftwerks in gewünschter Weise bewirken.
Generell dienen der Volumenwerte der leegepumpten Kammern 3 hauptsächlich für die Dimensionierung der zu speichernden Soll-Energie-Menge und die Volumenwerte der Kammern 2 für den Abgleich der Betriebsweisen des gesamten Pumpspeicher-Kraftwerks 1 auf einem schwimmenden, ggf. schwebenden oder sinkenden Zustand hin mit einem hohen oder niederen Kraftbedarf an die Ab- stützungs- und Dämpfungsvorrichtungen 20, 21 , der von entsprechenden Pfeilern, und deren Meeresboden-Fundamenten aufgenommen werden muss.
Zumindest Teile der Wandungen 19 der Kammern 2, 3 und 15, bzw. der
Pumpspeicher-Kraftwerksmodule 1 werden vorzugsweise aus Stahl und formbarem Beton an Land gefertigt, wobei auch Herstellungsverfahren der herkömmlichen Schiffwerften eine nicht geringe Rolle spielen werden. Bezugszeichen
1 Pumpspeicher-Kraftwerk
2 Obere Kammern (ggf. zur Luftatmosphäre offen, bzw. keine Decke)
3 Untere Kammern
4 Verbindungskanäle
5 Be- und Entlüftungskanäle der unteren Kammern
6 Fallhöhe
7 Regelbare Ventile der Verbindungskanäle
8 Regelbare Öffnungen der oberen Kammern
9 Verschließvorrichtungen, z. B. Schieber
10 Wasserturbinen
1 1 el. Generatoren mit Wasserturbinen verbunden
12 Wasserpumpen
13 Elektromotoren mit Wasserpumpen verbunden
14 verschliessbare Austrittskanäle stromab Wasserpumpen
15 Kontrollraum Kraftwerk
16 Stromleitungen für el. Motoren der Wasserpumpen
17 Stromleitungen von den el. Generatoren
18 Vorrichtungen zur Regelung des Verbindungskanals
19 Kraftwerkswandungen
20 Stütz- und Führungspfeiler
21 Dämpfungsvorrichtungen, Verankerungen
22 Gewässeroberfläche (Meeresoberfläche)
23 Wasseroberfläche obere Kammer 2
24 Wasseroberfläche untere Kammer 3
25 Kraftwerksregelung
26 Stromzuführleitungen, z. B. von Wind- oder Photovoltaik-Kraftwerken
27 Stromabführleitungen des Pumpspeicher-Kraftwerks
28 Regelungssignale der Vorrichtungen
29 Anforderungsignale: Stromlieferung/Energiespeicherung
30 Gewässerboden (Meeresboden)

Claims

Patentansprüche
1. Pumpspeicher-Kraftwerk (1 )
dadurch gekennzeichnet, dass
es innerhalb von Gewässern angeordnet ist und aus mindestens einer oberen Kammer (2) und mindestens aus einer unteren Kammer (3) besteht, die durch Strömungskanäle (4) vorwiegend vertikal verbunden sind.
2. Pumpspeicher-Kraftwerk (1 ) nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
sich in den unteren Kammern (3) elektrisch angetriebene Wasserpumpen (12, 13) und Wasserturbinen mit angekoppelten elektrischen Generatoren (10, 1 1 ) befinden, die mit elektrischen Leitungen (26, 27) mittelbar oder unmittelbar an externen Kraftwerken und Verbrauchern angebunden sind.
3. Pumpspeicher-Kraftwerk (1 ) nach Ansprüchen 1 und 2
dadurch gekennzeichnet, dass
mit der Pumpvorrichtung (12, 13) Wasser aus der unteren Kammer (3) in den verschliessbaren Austrittskanal (14), der von dem Gewässer umgeben ist, förderbar ist und dass über die regelbaren Öffnungen (8) Wasser aus dem Gewässer der Kraftwerksumgebung in die oberen Kammern (2) einströmbar ist.
4. Pumpspeicher-Kraftwerk (1 ) nach Ansprüchen 1 , 2 und 3
dadurch gekennzeichnet, dass
das Wasser aus den oberen Kammern (2) durch die Verbindungskanäle (4) über regelbare Ventilvorrichtungen (7) den Wasserturbinen (10) zuführbar ist.
5. Pumpspeicher-Kraftwerk (1 ) nach den obigen Ansprüchen
dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelungseinrichtung (25) die Stellgrößen, die mit den Komponenten der unteren Kammer (3) in Verbindung stehen, wie die der regelbaren Austrittskanäle (14), die der Wasserpumpen (12) mit deren Antrieben (13) und die der Wasserturbinen (10) mit deren Generatoren (1 1), weiterhin der Ventilvorrichtungen (7) der Verbindungskanäle (4) und der Verschliessvorrich- tungen (9) der oberen Kammern (2), über die Signalleitungen (28) zum Anforderungsbedarf (29) abgleichbar macht.
Pumpspeicher-Kraftwerk (1 ) nach den obigen Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mittlere Dichte des Pumpspeicher-Kraftwerks (1 ) zusammen mit dessen Wasserinhalts in den oberen und unteren Kammern (2, 3) kleiner, gleich oder größer als die Dichte des umgebenden Gewässers durch eine Regeleinrichtung (25) einregelbar ist.
Pumpspeicher-Kraftwerk (1 ) nach den obigen Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Pumpspeicher-Kraftwerk (1 ) aus montierbaren autarken Einheiten (2, 3, 4, 5, 7, 8, 10, 1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) aufbaubar ist, die parallel oder hintereinander schaltbar sind.
Pumpspeicher-Kraftwerk (1 ) nach den obigen Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, dass
von der untere Kammer (3) wasserdichte Be- und Entlüftungskanäle (5) bis über die Wasseroberfläche (22) geführt sind.
Pumpspeicher-Kraftwerk (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die oberen Kammern (2) überwiegend als Zuströmvorrichtungen zu den Verbindungskanälen (4) ausgebildet sind, die die regelbaren Öffnungen (8) und Verschliessvorrichtungen (9) zum umgebenden Gewässer und der Gewässeroberfläche (22) mit beinhalten.
10. Pumpspeicher-Kraftwerk (1 ) nach den obigen Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kraftwerkswandungen (19) überwiegend aus Beton und Stahl gefertigt sind.
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