DE102014000811A1 - High speed pump-storage power plant for storage of electric power, installed at e.g. large lake, has open mining pit that is divided into upper and lower storage regions by vertical concrete dam according to hydraulic flow - Google Patents

Abstract

The high speed pump-storage power plant has an open mining pit that is divided into upper and lower storage regions by a vertical concrete dam (2) according to the hydraulic flow. The concrete dam is provided with maximum hydrostatic pressure in a sole region. The valves (3,8) are connected to a hydraulically controllable high pressure pumping turbine (7) and a hydraulically controllable low pressure pumping turbine (4).

Description

Beschreibung/Hintergründe/Stand der TechnikDescription / Backgrounds / State of the art

Insbesondere in Deutschland kollidieren derzeit zwei prinzipiell gegenläufige Entwicklungen im Bereich der elektrischen Energieversorgung:
Zum einen war am 1.4.2000 das Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (EEG) in Kraft getreten, mit dem die verstärkte Nutzung von Wind- und Solarenergie sowie Biomasse und Geothermie zur Erzeugung elektrischen Stromes gefördert wird, zum anderen wurden infolge der Katastrophe von Fukushima (Kernschmelze mehrerer Reaktoren) am 6.8.2011 mit dem 13. Gesetz zur Änderung des Atomgesetzes einige ältere Nuklearanlagen sofort abgeschaltet und die genehmigten Laufzeiten der restlichen Atomkraftwerke erheblich verkürzt.In Germany in particular, there are currently two contradictory developments in the field of electrical energy supply:
On the one hand, the Renewable Energy Act (EEG) came into force on 1.4.2000, which promotes the increased use of wind and solar energy and biomass and geothermal energy to generate electricity, and on the other hand, was caused by the Fukushima disaster (Meltdown of several reactors) on August 6, 2011 with the 13th Amendment to the Atomic Energy Act, immediately shut down some older nuclear facilities and considerably shortened the approved lifetimes of the remaining nuclear power plants.

Während nun mit dem EEG klimaschutzpolitische Ziele, wie die Verringerung von CO2-Emmissionen, verfolgt werden sollten, führte der Atomausstieg eher zu genau gegenteiliger Wirkung, denn zur Grundlast-Absicherung wird nun verstärkt Kohle, und zwar die besonders emmissionsintensive Braunkohle, herangezogen. Gleichzeitig führte die gesetzliche Förderung und der Netz-Einspeisevorrang von Strom aus Wind- und Solarenergie zu der absurden Situation, daß Deutschland zu wind- und sonnenintensiven Zeiten Strom zu negativen Preisen an Nachbarländer teuer verschenken muß, da Speichermöglichkeiten mit erforderlichem Netzausbau fehlen und aufgrund des dann gegebenen Stromüberangebotes die Handelspreise für elektrische Energie soweit sinken, daß emmissionsfreundlichere Gaskraftwerke zur Spitzenbedarfsabdeckung nicht mehr wirtschaftliche betrieben werden können und sogar die Kohlekraftwerke an die Grenze der Kostendeckung kommen.While the EEG should now pursue climate protection policy goals such as the reduction of CO2 emissions, the nuclear phase-out was more likely to have exactly the opposite effect, since coal is increasingly being used to cover base load, namely the particularly emission-intensive lignite. At the same time, the legal promotion and grid feed-in priority of electricity from wind and solar energy led to the absurd situation that Germany at wind and solar-intensive times must give away electricity at negative prices to neighboring countries, since there are no storage facilities with necessary network expansion and then Given electricity surplus supply, the retail prices for electrical energy are falling so far that emission-friendly gas-fired power plants can no longer be operated economically to cover peak demand and even coal-fired power plants reach the limit of cost recovery.

Die wenigen, in Deutschland vorhandenen Pumpspeicherkraftwerke können den Bedarf an wind- und sonnenreichen Tagen bei weitem nicht decken, Neubauten stoßen u. a. wegen des Landschaftsverbrauches auf massiven Widerstand der Umweltverbände, und zahlreiche technisch mögliche Alternativen wie Gas- und Drucklufterzeugung und -speicherung oder die Nutzung stillgelegter Erz- und Steinkohlebergwerke befinden sich entweder erst in Voruntersuchungen oder können rein mengenmäßig die benötigten Speicherleistungen im zweistelligen Gigawattbereich dauerhaft belastbar nicht erbringen.The few existing in Germany pumped storage power plants can not meet the demand for wind and sunshine days by far, new buildings encounter u. a. because of the landscape consumption on massive resistance of the environmental federations, and numerous technically possible alternatives such as gas and compressed air generation and storage or the use of disused ore and coal mines are either only in preliminary investigations or purely quantitative the required storage services in the double-digit gigawatt range permanently resilient not provide ,

Deshalb wurden in neueren Publikationen, u. a. mit DE 10 2011 115 606 und DE 10 2011 118 206 , Überlegungen angestellt, zu Lande tiefe Binnenseen und off-shore sogar das Meer bis hin zur Tiefsee mittels großer drucksteifer Behälter zu Speicherzwecken für von z. B. durch Windenergiekonverter gewonnene elektrische Energie zu nutzen.Therefore, in recent publications, including with DE 10 2011 115 606 and DE 10 2011 118 206 , Considerations made on land deep inland lakes and off-shore even the sea to the deep sea by means of large pressure-resistant container for storage purposes for z. B. by wind energy converter to use electrical energy.

Da man weder den Bodensee, noch das Wasser in Nord- und Ostsee einfach ablassen kann, dürften die Baukosten derartiger, technisch durchaus möglicher Konstruktionen sehr hoch ausfallen, wenngleich auch hier Speichervolumina von einigen zehntausend cbm nur Speicherleistungen im allenfalls mittleren Megawattbereich erbringen.Since neither the Lake Constance, nor the water in the North and Baltic Sea can simply drain, the construction costs of such, technically quite possible constructions are likely to be very high, although even here storage volumes of tens of thousands cbm only provide storage services in the possibly middle megawatt range.

Aus alledem ergeben sich daher Notwendigkeit und Aufgabenstellung, nach Speichermöglichkeiten für die Größenordnung von Stromleistungen zu suchen, die von den drei vorläufig relevanten erneuerbaren Energien Wind, Sonne und Biomasse gemäß vorliegenden Planzahlen erbracht werden sollen.For all this, therefore, there is a need and a task to look for storage possibilities for the magnitude of power deliveries, which are to be provided by the three provisionally relevant renewable energies wind, sun and biomass according to available budget figures.

Gemäß diesseitiger Erfindung lässt sich die Aufgabenstellung dadurch relativ einfach und kurzfristig lösen, daß vorhandene tiefe Tagebaugruben, wie sie derzeit noch am Niederrhein zum Braunkohleabbau genutzt werden, zu Hochleistungs-Pumpspeicherkraftwerken umgewidmet werden, denn bis zu knapp 25 Prozent von deren, zur späteren Flutung vorgesehenen Volumina können als pendelnde Speichervolumina in Größenordnung von einer Mrd. cbm mit Speicherleistungen im zweistelligen GW-Bereich genutzt werden.According to this page invention, the task can be solved relatively easily and quickly, that existing deep pits, as they are currently still used on the Lower Rhine for lignite mining, are rededicated to high-performance pumped storage power plants, because up to nearly 25 percent of their, provided for later flooding Volumes can be used as oscillating storage volumes in the order of one billion cbm with storage services in the double-digit GW range.

Am Beispiel der untersuchten offenen Tagebaugrube Hambach, inmitten des Städtedreiecks Aachen-Düsseldorf-Köln gelegen, wird daher die Erfindung im folgenden anhand 1 dargestellt.Using the example of the Hambach open-pit mine investigated, located in the middle of the Aachen-Düsseldorf-Cologne city triangle, the invention will be described below 1 shown.

Die in ihrer Sohle 400 m tiefe Grube ähnelt topologisch einer konventionellen länglichen Badewanne mit Hauptachse etwa in Nord-Südrichtung. 1 zeigt eine nicht maßstäbliche Querschnittsansicht der Grube (1) etwa in Ost-West-Richtung, wobei der linke Bereich A den südlichen und der rechte Bereich B den nördlichen Teil der Grube abbilden soll. Aus Gründen des besseren Verständnisses sind die Böschungswinkel (ß) stark überhöht gezeigt.The pit, which is 400 m deep in depth, is topologically similar to a conventional elongated bathtub with a major axis approximately north-south. 1 shows a not to scale cross-sectional view of the pit ( 1 ) in the east-west direction, with the left area A to the south and the right area B to represent the northern part of the pit. For better understanding, the slope angles (β) are shown greatly exaggerated.

Nach geplantem Abbauende und nachfolgender Flutung hat die Grube ein Fassungsvermögen von 3,6 Mrd. cbm Süßwasser mit einer Seeoberfläche von 4.200 ha, wobei zur erstmaligen Füllung eine zeitweilige Pipeline aus dem Rhein in Erwägung gezogen wird, während die spätere Nachspeisung aus der Ruhr erfolgen soll.After planned demolition and subsequent flooding, the pit has a capacity of 3.6 billion cbm fresh water with a lake surface of 4,200 ha, with a temporary pipeline from the Rhine is considered for the first time filling, while the subsequent feeding is to be made from the Ruhr ,

Die für den Kohleabbau vorhandene Logistik und Infrastruktur nutzend wird die Grube nun vor Flutung durch eine so unter open-air-Bedingungen herstellbare, große Staumauer (2) in voller Tiefe etwa gleichvolumig geteilt, wobei der Damm entweder als selbst gewichtsstabilisierendes geradliniges Bauwerk oder als Bogendamm mit Krafteinleitung in die Böschungen (16) ausgeführt werden kann. Letzteres ist dann möglich, wenn darauf verzichtet wird, die Bereiche A und B des Pumpspeicherkraftwerks im späteren Betrieb wechselseitig umschaltbar betreiben zu können.Using the logistics and infrastructure available for coal mining, the pit will now be flooded by a large dam (see above) that can be produced under open-air conditions ( 2 ) divided in full depth about equal volume, the dam either as self-weight stabilizing rectilinear structure or as arch dam with force into the slopes ( 16 ) can be performed. The latter is possible, if omitted, the areas A and B of the pumped storage power plant in later operation can be operated mutually switchable.

Die Staumauer (2) ist innen horizontal und vertikal durchgängig und enthält in Bodennähe mindestens eine, über Ventile (8) hydraulisch ansteuerbare Hochdruck-Pumpturbine (7) in einem Verbindungskanal (6) und in größerer Höhe unterhalb von Hmin1 mindestens eine, gleichfalls über Ventile (3) hydraulisch ansteuerbare Niederdruck-Pumpturbine (4), ebenfalls in einem Verbindungskanal (5) zwischen den Kammern A und B angeordnet. Mit (10) sind siebähnliche Vorrichtungen zum Schutz der Turbinen (4, 7) und der Ventile (3, 8) vor Fremdkörpern, Verunreinigungen, aber auch solche zum Schutz von Fischen angedeutet.The dam ( 2 ) is continuous inside horizontally and vertically and contains at least one near the bottom, via valves ( 8th ) hydraulically controllable high-pressure pump turbine ( 7 ) in a connection channel ( 6 ) and at a greater height below Hmin1 at least one, likewise via valves ( 3 ) hydraulically controllable low-pressure pump turbine ( 4 ), also in a connection channel ( 5 ) between the chambers A and B arranged. With ( 10 ) are sieve-like devices for protecting the turbines ( 4 . 7 ) and the valves ( 3 . 8th ) against foreign bodies, impurities, but also those for the protection of fish indicated.

(9) bezeichnet elektrische Verbindungen, die oberirdisch oder unterirdisch aus der Staumauer herausgeführt werden und der Stromzuführung für den Pumpenbetrieb bzw der Stromabführung während des Turbinenbetriebes dienen.( 9 ) designates electrical connections which are led out of the dam above or below ground and serve the power supply for the pump operation or the current discharge during the turbine operation.

Mit einem Gesamtwirkungsgrad von 80–85% arbeitet das Pumpspeicherkraftwerk nun in folgender Weise:With an overall efficiency of 80-85%, the pumped storage power plant now operates in the following way:

1. Turbinenbetrieb (Stromabgabe)1. turbine operation (current delivery)

Das Becken A ist bis zur Höhe Hmax gefüllt. Das Becken B ist nahezu leer. Das Ventil (8) wird geöffnet, so daß das Wasser aus Becken A, beginnend mit einem hydrostatischen Druck von 40 bar (entsprechend 400 m Wassersäule) durch die Turbine in das Becken B läuft, solange, bis im theoretischen Maximalfall in beiden Becken A und B Pegelgleichstand bei Hmin1 bzw Hmin2 erreicht wird. Gleichzeitig mit Beginn des Turbinenbetriebes oder auch später mit an der Stelle (5) niedrigeren anstehendem hydrostatischen Druck kann auch die Niederdruck-Pumpturbine (4) zugeschaltet werden, je nachdem, welche Stromleistung dem Speicherwerk abgefordert wird.The basin A is filled to the height Hmax. The basin B is almost empty. The valve ( 8th ) is opened, so that the water from tank A, starting with a hydrostatic pressure of 40 bar (corresponding to 400 m water column) through the turbine runs in the basin B, until, in the theoretical maximum case in both basins A and B level equilibrium at Hmin1 or Hmin2 is reached. Simultaneously with the start of turbine operation or later with at the point ( 5 ) lower pending hydrostatic pressure and the low-pressure pump turbine ( 4 ), depending on which power is required from the storage facility.

Das maximal zur Verfügung stehende Speichervolumen in Becken A, Vsp1 läuft damit in das Becken B unter Stromabgabe über und umfasst alsdann als Vsp2 dasselbe Volumen wie das Restvolumen Vo in Becken A. Damit wird deutlich, daß bei geometrisch und volumetrisch mittiger Anordnung der Staumauer in der Grube maximal knapp(wegen des Bauvolumens der Staumauer) 25% des gesamten Wasservolumens zu Speicherzwecken genutzt werden können, immerhin in diesem Fall knapp 0,9 Mrd. cbm.The maximum available storage volume in tank A, Vsp1 thus passes into the tank B under power delivery and then includes as Vsp2 the same volume as the remaining volume Vo in tank A. This makes it clear that in geometrically and volumetrisch centered arrangement of the dam in the Pit maximum scarce (due to the volume of construction of the dam) 25% of the total volume of water can be used for storage purposes, after all, in this case, almost 0.9 billion cbm.

Abhängig vom mittleren Böschungswinkel (ß) der Gruben-Seitenwände erreicht der minimal mögliche untere Pegelstand Hmin einen Wert deutlich unterhalb des oberen Pegelstandes Hmax, jedoch auch deutlich oberhalb der Hälfte des Wertes von Hmax.Depending on the mean slope angle (ß) of the pit side walls, the minimum possible lower water level Hmin reaches a value well below the upper water level Hmax, but also well above half the value of Hmax.

Je nach betragmäßig oder zeitlich abgeforderter Leistung kann das effektiv pendelnde Speichervolumen Vsp auch Werte kleiner den maximal möglichen annehmen, so daß jeder beliebige Pegelstand Hx in Becken A bzw Hy in Becken B denkbar ist.Depending on the amount or time demanded power, the effectively oscillating storage volume Vsp can also assume values smaller than the maximum possible, so that any desired level Hx in basin A or Hy in basin B is conceivable.

2. Pumpspeicherbetrieb2. Pump storage operation

Hier sind beide Becken A und B entweder gleich hoch bis Hmin1 bzw Hmin2 gefüllt oder Teilfüllungen der Becken mit Pegelhöhen Hx bzw Hy sind gegeben. Nach Ventilöffnung arbeiten dann die Pumpturbinen als reine Pumpen unter externer Stromzuführung einzeln oder im Mehrfachbetrieb und füllen das Becken A als oberes Speicherbecken mit der gewünschten Stromspeicherleistung bzw -arbeit wieder aufHere, both basins A and B are either equally high to Hmin1 or Hmin2 filled or partial fillings of pools with level heights Hx or Hy are given. After valve opening then the pump turbines work as a pure pump under external power supply individually or in multiple operation and fill the pool A as the upper reservoir with the desired power storage capacity or work again

Mit angenommenen Werten eines maximalen Speichervolumens von 0,9 Mrd. cbm und einer mittleren Fallhöhe von 300 m errechnet sich so für das Beispiel der Grube Hambach eine erreichbare Speicherkapazität von ca 550 GWh, was in der Praxis die Möglichkeit eröffnet, z. B. die Vollast-Leistung von eintausend Windenergiekonvertern der 5 MW-Klasse über eine Zeitdauer von mehr als einhundert Stunden zu speichern und nach Bedarf später wieder abzurufen.With assumed values of a maximum storage volume of 0.9 billion cbm and a mean drop height of 300 m, the example for the Hambach pit is an achievable storage capacity of approx. 550 GWh, which in practice opens up the possibility, for example. For example, to store and retrieve the full load power of one thousand 5 MW class wind energy converters over a period of more than one hundred hours.

Nun kann es je nach Grubengeologie und Grundwasserproblematik angrenzender Regionen sinnvoll sein, abwechselnd beide Becken A und B als jeweils „oberes” bzw „unteres” Speicherbecken zu nutzen, damit u. a. die Bodengrund- und seitenbelastung an beiden Becken im Mittel dauerhaft gleichmäßig, also symmetrisch, erfolgt.Depending on the pit geology and groundwater problematic of adjoining regions, it may be useful to use both basins A and B alternately as "upper" and "lower" storage basins, respectively. a. the bottom and side loading on both basins in the middle permanently uniform, ie symmetrical, takes place.

Ist dies nicht erforderlich, kann auch eine andere als eine hälftige Aufteilung der Becken A und B erfolgen bis hin zu relativ kleinen Volumenverhältnissen B/A, wobei dann die Pegelvariationen im oberen Becken A entsprechend kleiner würden.If this is not necessary, it may also be a different than a half division of the basins A and B done up to relatively small volume ratios B / A, then the level variations in the upper basin A would be correspondingly smaller.

Entscheidend scheint jedenfalls die erfindungsgemäß aufgezeigte Möglichkeit, die drei noch aktiven Tagebautiefgruben Hambach, Inden und Garzweiler mit Beendigung des Braunkohleabbaus unter Nutzung dann noch vorhandener Logistik und Infrastruktur und unter Berücksichtigung ohnehin vorhandener industrienaher verbrauchsstarker Anbindungen in Hochleistungs-Pumpspeicherkraftwerke mit Stromspeicherkapazitäten im hohen GWh-Bereich umzuwidmen, die es ansonsten und absehbar in Deutschland nicht gibt.In any case, the possibility according to the invention of converting the three still active open-pit mines Hambach, Inden and Garzweiler with the termination of lignite mining using still existing logistics and infrastructure and taking into account already existing high-consumption industrial connections in high-performance pumped storage power plants with power storage capacities in the high GWh range, seems decisive , which does not exist otherwise and foreseeable in Germany.

Im anderen Ländern und Regionen mit großen tiefen Binnenseen mit Steilufern oder Meeresküsten mit Steilufern und der Notwendigkeit zur Energiespeicherung bietet sich die Nutzung einer Variante der erfindungsgemäßen Vorschläge an. Hier könnte beispielhaft der Bereich A gemäß 1 der offene Binnensee oder das offene Meer sein und der Bereich B ein mittels Bogenstaumauer abgegrenzter „Trog”. Das „obere” Speichervolumen Vsp1 wäre dann praktisch unendlich groß und die Pegelvariation H dort gleich null. Die erzielbaren Speicherleistungen und -Kapazitäten hingen dann lediglich vom „Trogvolumen” analog B und der gewählten hydrostatischen Höhe Hmax ab und könnten durchaus Größenordnungen wie im aufgezeigten Beispiel Hambach erreichen oder sogar übertreffen.In other countries and regions with large deep lakes with steep banks or seashores with steep banks and the need for energy storage, the use of a variant of the proposals according to the invention offers. Here could exemplarily the area A according to 1 the open lake or the open sea and the area B a "trough" demarcated by arch dam. The "upper" storage volume Vsp1 would then be practically infinite and the level variation H there would be zero. The achievable storage capacities and capacities then depended only on the "trough volume" analogous to B and the selected hydrostatic altitude Hmax and could well reach or exceed orders of magnitude as in the example shown Hambach.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 102011115606 [0004] DE 102011115606 [0004]
• DE 102011118206 [0004] DE 102011118206 [0004]

Claims (4)

Hochleistungs-Pumpspeicherkraftwerk zur Speicherung elektrischer Energie, gebildet durch Umwidmung stillgelegter oder stillzulegender offener Tagebaue des Kohle-, Erz- oder Mineralabbaus, dadurch gekennzeichnet, daß durch mindestens eine vertikale Staumauer die Tagebaugrube in mindestens zwei Bereiche geteilt wird, von denen der eine Bereich als oberes und der andere Bereich als unteres Speicherbecken nach hydraulischer Flutung genutzt werden kann.High-performance pumped storage power plant for storing electrical energy formed by reclassification of disused open-cast mines or open mines for coal, ore or minerals, characterized in that at least one vertical dam divides the opencast mine into at least two areas, one of which is upper and the other area can be used as a lower reservoir after hydraulic flooding. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Staumauer im solenahen Bereich maximalen hydrostatischen Druckes mindestens eine horizontale Durchdringung zu beiden Bereichen mit mindestens einer durch Ventile absperrbaren Hochdruck-Pumpturbine und in darüberliegender Höhe mit niedrigeren anstehenden hydrostatischen Drücken mindestens eine horizontale Durchdringung zu beiden Bereichen mit mindestens einer durch Ventile absperrbaren Niederdruck-Pumpturbine enthält.Power plant according to claim 1, characterized in that the dam in the near-sol range of maximum hydrostatic pressure at least one horizontal penetration to both areas with at least one shut-off valves high-pressure pump turbine and in overlying height with lower pending hydrostatic pressures at least one horizontal penetration to both areas contains at least one closable by valves low-pressure pump turbine. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Staumauer das hydraulisch nutzbare Volumen der Grube exact in zwei gleichvolumige Hälften teilt, so, daß als pendelndes Speichervolumen maximal ein Viertel des Gesamtvolumens genutzt werden kann.Power plant according to claim 1, characterized in that the dam divides the hydraulically usable volume of the pit exactly into two equal-volume halves, so that a maximum of one fourth of the total volume can be used as oscillating storage volume. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine (obere) Bereich auch ein großer Binnensee oder das offene Meer, jeweils mit Steilküste, sein können und die Staumauer dann in bogenförmiger Ausführung mit seitlicher Abstützung den zweiten (unteren) Bereich trogförmig umgibt.Power plant according to claim 1, characterized in that the one (upper) area can also be a large lake or the open sea, each with cliff, and the dam then in an arcuate design with lateral support the second (lower) area trough-shaped surrounds.

Images