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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System und ein Verfahren zum Heben von Wasser. Die vorliegende Erfindung lässt sich insbesondere auch in bestehende Pumpspeicherkraftwerke integrieren.
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In vielen Ländern wird für die Erzeugung von elektrischer Energie vermehrt auf erneuerbare Energiequellen wie Wind oder die Sonneneinstrahlung zurückgegriffen, um so den Anteil von fossilen Brennstoffen und Kernspaltung als Energiequelle zu reduzieren. Hierdurch kommt es vermehrt zu einem Speicherbedarf für diese Energien, da bei regenerativen Energiequellen der Mensch nur beschränkt Einfluss darauf hat, in welchem Maße diese Energien wann zur Verfügung stehen. Zur Speicherung bieten sich Pumpspeicherkraftwerke an. Pumpspeicherkraftwerke werden seit dem 19. Jahrhundert zur Speicherung von Energie eingesetzt. Hierzu wird in Zeiten niedrigen Energieverbrauchs Wasser in ein oberes Reservoir gepumpt, um dann in Zeiten hohen Energiebedarfs aus diesem oberen Reservoir in ein unteres Reservoir abgelassen zu werden, wobei das Wasser durch eine Turbine strömt, die einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie antreibt.
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Um die Lageenergie des Wassers in einem oberen Reservoir nutzen zu können, ist es notwendig, die entsprechende Wassermenge in das obere Reservoir zu heben. Hierzu sind im Stand der Technik aufwendige Pumpen notwendig, oft ist die Turbine des Pumpspeicherkraftwerkes so ausgebildet, dass dies auch einen Pumpbetrieb ermöglicht. Auch in anderen Anwendungsfällen ist es notwendig, Wasser in ein hohes Reservoir zu heben, beispielsweise für die Trinkwasserversorgung. Hierzu sind aufwendige Pumpen notwendig, die fehleranfällig und wartungsintensiv sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die das Heben von Wasser flexibler und effizienter zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Abhängige Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Das erfindungsgemäße System zum Heben von Wasser, umfasst ein erstes Reservoir auf einem ersten Höhenniveau im Vergleich zu einem Unterbecken und ein zweites Reservoir auf einem zweiten Höhenniveau im Vergleich zu dem Unterbecken, welches kleiner als das erste Höhenniveau ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Reservoir über eine erste Leitung kolbenseitig mit einem Zylinder mit einem Kolben zur Bewegung eines Fördervolumens verbunden ist, während das zweite Reservoir über eine zweite Leitung förderseitig so mit dem Zylinder verbunden ist, dass der Kolben in einem Förderbetrieb über die erste Leitung aus dem ersten Reservoir kolbenseitig mit Wasser beaufschlagbar ist, so dass das Fördervolumen in die zweite Leitung gefördert wird.
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Das erfindungsgemäße System zeichnet sich also dadurch aus, dass statt eines aufwendigen Pumpmechanismus ein einfacher Zylinder mit verschiebbarem Kolben in der ersten Leitung ausgebildet ist. Hierdurch kann die Lageenergie des Wassers im ersten Reservoir genutzt werden, Wasser durch die zweite Leitung in das zweite Reservoir zu heben.
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Der Kolben ist dabei in einer Bewegungsrichtung beweglich gelagert im Zylinder gehalten. Entsprechende Dichtmittel, die den Kolben gegen den Zylinder abdichten, sind ausgebildet.
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Bevorzugt sind Ausgestaltungen, bei denen das erste Höhenniveau und/oder das zweite Höhenniveau mindestens einhundert Meter, bevorzugt mindestens fünfhundert Meter und besonders bevorzugt mindestens eintausend Meter über dme Unterbecken liegen. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der die Differenz zwischen erstem Höhenniveau und zweitem Höhenniveau mindestens 100 Meter, bevorzugt mindestens 500 Meter und besonders bevorzugt mindestens 1000 Meter beträgt.
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Bevorzugt sind weiterhin Ausgestaltungen, bei denen die erste Leitung einen größeren Querschnitt aufweist als die zweite Leitung, insbesondere die erste Leitung einen ersten Querschnitt und die zweite Leitung einen zweiten Querschnitt aufweist und der Quotient aus erstem Querschnitt und zweitem Querschnitt mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei beträgt.
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Hierdurch lässt sich effizient eine entsprechende Hubarbeit durch die auf dem Kolben in der ersten Leitung lastende Wassersäule ausführen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das zweite Reservoir ein Volumen von mindestens 1.000 m3 [Kubikmeter] auf.
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Das erfindungsgemäße System kann also bevorzugt in bereits bestehenden Pumpspeicherkraftwerken eingesetzt werden, in dem das zweite Reservoir einen Speichersee oder Obersee zur Speicherung von Wasser darstellt, der über entsprechende Leitungen mit dem Unterbecken verbunden. Das zweite Reservoir kann dabei einen natürlichenr See und/oder einen Stausee darstellen. Das entsprechende System kann in einem solchen Fall insbesondere durch die Ausbildung eines entsprechenden Kolbens in der ersten Leitung realisiert werden. Das erste Reservoir ist regelmäßig deutlich kleiner als das zweite Reservoir, da hier nur eine entsprechende Wassermenge zum Betrieb des Kolbens bereitgehalten werden muss, während das zweite Reservoir üblicherweise eine große Wassermenge bereithalten muss, da dieses regelmäßig zum Betrieb einer Turbine genutzt wird. So ist es möglich, ein bestehendes Pumpspeicherkraftwerk mit zweitem Reservoir und Unterbecken um ein erstes Reservoir zu ergänzen, welches lediglich Wasser bereithält als Betriebsmittel zum Heben des Wassers aus dem Unterbecken in das zweite Reservoir. Das erste Reservoir kann dann deutlich kleiner ausgelegt werden als das zweite Reservoir, insbesondere dann, wenn das erste Höhenniveau deutlich größer ist als das zweite Höhenniveau, da dann die deutlich höhere Lageenergie des Wassers im ersten Reservoir zum Heben des Wassers in das zweite Reservoir genutzt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein erstes Absperrmittel in der ersten Leitung ausgebildet, insbesondere zwischen dem Kolben und dem ersten Reservoir.
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Durch das erste Absperrmittel ist es möglich, die erste Leitung oberhalb/stromaufwärts des Kolbens vom Rest der ersten Leitung abzutrennen und beispielsweise so eine Leerung der ersten Leitung oberhalb des Kolbens und damit ein einfaches Verschieben des Kolbens in der ersten Leitung nach oben ermöglichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Ablaufmittel zum Ableiten von Wasser in der ersten Leitung zwischen dem ersten Absperrmittel und dem Kolben ausgebildet.
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Insbesondere kann das Ablaufmittel mit dem Unterbecken verbunden sein und so die Leerung des Abschnittes der ersten Leitung zwischen Kolben und erstem Absperrmittel in das Unterbecken ermöglichen. Das Absperrmittel ist insbesondere so ausgestaltet, dass es zur ersten Leitung öffen- und schließbar ist, so dass gezielt ein Ableiten des Wassers in der ersten Leitung zwischen dem ersten Absperrmittel und dem Kolben möglich ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen dem zweiten Reservoir und dem Unterbecken in einer Leitung eine Turbine zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgebildet.
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Die Einbeziehung einer Turbine in das System nach der vorliegenden Erfindung erlaubt die Nutzung des gehobenen Wassers zur Erzeugung von elektrischer Energie. Insbesondere kann so das erfindungsgemäße System in ein übliches Pumpspeicherkraftwerk integriert werden. Die Turbine kann dabei mit Wasser aus dem zweiten Reservoir betrieben werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Heben von Wasser, bei dem ein erstes Reservoir auf einem ersten Höhenniveau im Vergleich zu einem Unterbecken und ein zweites Reservoir auf einem zweiten Höhenniveau, welches kleiner als das erste Höhenniveau ist, vorgeschlagen, wobei das erste Reservoir über eine erste Leitung kolbenseitig mit einem Zylinder mit einem Kolben zur Bewegung eines Fördervolumens verbunden ist, während das zweite Reservoir über eine zweite Leitung förderseitig mit dem Zylinder verbunden ist, wobei der Zylinder in einem Förderbetrieb über die erste Leitung aus dem ersten Reservoir kolbenseitig mit Wasser beaufschlagt wird, so dass das Fördervolumen in die zweite Leitung gefördert wird.
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Insbesondere kann das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung mit dem System nach der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Das System nach der vorliegenden Erfindung ist insbesondere geeignet und bestimmt zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in einem Rücksetzbetrieb der Kolben in eine Ausgangsposition bewegt, aus der ein Übergang in den Förderbetrieb erfolgen kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vor dem Bewegen in die Ausgangsposition ein Abschnitt der ersten Leitung stromaufwärts des Kolbens im Förderbetrieb geschlossen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Abschnitt nach dem Schließen geleert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Fördervolumen im Rücksetzbetrieb aus einem Unterbecken gefüllt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen dem zweiten Reservoir und dem Unterbecken in einer Leitung eine Turbine zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgebildet, die zumindest zeitweise von Wasser zur Erzeugung von elektrischer Energie durchströmt wird.
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Hierbei kann eine Verfahrensführung gewählt werden, bei der die Wassermenge, die Durchflussgeschwindigkeit und/oder der Druck des Wassers vor der Turbine so eingestellt wird, dass ein möglichst effizienter und kavitationsfreier Betrieb der Turbine möglich ist.
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Die für das erfindungsgemäße System offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen und anwenden und umgekehrt.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:
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1 ein Beispiel eines Systems nach der vorliegenden Erfindung.
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Die einzige 1 zeigt ein System 1 zum Heben von Wasser, umfassend ein erstes Reservoir 2 auf einem ersten Höhenniveau 3 im Vergleich zu einem Unterbecken 4 und ein zweites Reservoir 5 auf einem zweiten Höhenniveau 6 im Vergleich zu dem Unterbecken 4, welches kleiner als das erste Höhenniveau 3 ist. Das erste Reservoir 2 über eine erste Leitung 7 kolbenseitig mit einem Zylinder 8 mit einem Kolben 9 zur Bewegung eines Fördervolumens 10 verbunden ist. Der Kolben 9 ist dabei in Bewegungsrichtung 11 beweglich. Das zweite Reservoir 5 ist über eine zweite Leitung 12 förderseitig so mit dem Zylinder 8 verbunden, dass der Kolben 9 in einem Förderbetrieb über die erste Leitung 7 aus dem ersten Reservoir 2 kolbenseitig mit Wasser beaufschlagbar ist, so dass das Fördervolumen 10 in die zweite Leitung 12 gefördert wird. Unter dem Begriff kolbenseitig wird dabei die in die erste Leitung 7 hineinragende Seite des Kolbens 9 verstanden, der mit einer Wassersäule zur Bewegung des Kolbens 9 beaufschlag wird. Unter dem Begriff förderseitig wird dabei verstanden, dass die zweite Leitung 12 so an den Zylinder 8 angeschlossen ist, dass Wasser aus dem Zylinder 8 in die zweite Leitung 12 förderbar ist.
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Bevorzugt ist beispielsweise eine Auslegung, bei der das Fördervolumen 10 etwa 1000 Kubikmeter beträgt, die erste Leitung 2 einen runden Querschnitt mit einem Durchmesser von 3 Metern aufweist bei einem ersten Höhenniveau 3 von 2000 Metern, während die zweite Leitung 12 einen runden Querschnitt mit einem Durchmesser von 1 bis 2 Metern aufweist und das zweite Höhenniveau 6 etwa 1000 Meter beträgt.
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In einem Rücksetzbetrieb wird mit Hilfe des Kolbens 9 Wasser über eine Ansaugleitung 14 aus dem Unterbecken 4 in das Fördervolumen 10 gesaugt, in dem der Kolben 9 in die in 1 gezeigte Position verfahren wird. Hierzu ist insbesondere ein zweites Absperrmittel 16 zwischen dem ersten Absperrmittel 13 und dem Kolben 9 ausgebildet, welches beispielsweise als Schieber oder ähnliches ausgebildet ist, welches zum Saugen des Wassers aus dem Unterbecken 4 in das Fördervolumen 10 geschlossen ist. Hierdurch kann der Kolben 9 durch nicht gezeigte mechanische Mittel in Bewegungsrichtung 11 nach oben verschoben werden, ohne dass die Wassersäule in der ersten Leitung 7 auf dem Kolben 9 lastet. Vor dem Bewegen des Kolbens 9 wird dabei über ein Ablaufmittel 14 ein Abschnitt 15 der ersten Leitung 7 geleert, der einerseits durch das erste Absperrmittel 13 und andererseits durch den Kolben 9 begrenzt wird. Das Ablaufmittel 14 ist dabei durch ein zweites Absperrmittel 16 verschließbar, so dass nicht durchgehend eine Verbindung zwischen erster Leitung 7 und Ablaufmittel 14 besteht. Das Fördervolumen 10 ist dabei durch ein viertes Absperrmittel 22 von der zweiten Leitung 12 abtrennbar, so dass lediglich Wasser durch die Ansaugleitung 1 aus dem Unterbecken 4 in das Fördervolumen 10 gesaugt wird. Alternativ kann der Zylinder 8 in direktem Kontakt mit dem Unterbecken 4 oder im Unterbecken 4 ausgebildet sein, so dass eine Ansaugleitung 14 nicht ausgebildet werden muss.
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Nachdem das Fördervolumen 10 gefüllt wurde, wird das zweite Absperrmittel 16 geschlossen und daran anschließend das erste Absperrmittel 13 geöffnet, so dass Wasser in den Abschnitt 15 der ersten Leitung 7 strömt, so dass die Wassersäule in der ersten Leitung 7 auf dem Kolben 9 ansteht und diesen in Bewegungsrichtung 11 bewegt, so dass der Kolben 9 das entsprechende Wasser in dem Zylinder 8 in die zweite Leitung 12 fördert. Dies wird als Förderbetrieb bezeichnet.
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Das System 1 umfasst eine Turbine 18 in einer Leitung 19, die das zweite Reservoir 5 mit dem Unterbecken 4 verbindet. Die Leitung 19 kann dabei über ein drittes Absperrmittel 20 geöffnet und geschlossen werden. Die Turbine 18 ist dabei mit einem Generator 17 zur Erzeugung von elektrischer Energie wirkverbunden.
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Erstes Absperrmittel 13, zweites Absperrmittel 16, drittes Absperrmittel 20 und viertes Absperrmittel 22 sind dabei bevorzugt als Schieber ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System
- 2
- erstes Reservoir
- 3
- erstes Höhenniveau
- 4
- Unterbecken
- 5
- zweites Reservoir
- 6
- zweites Höhenniveau
- 7
- erste Leitung
- 8
- Zylinder
- 9
- Kolben
- 10
- Fördervolumen
- 11
- Bewegungsrichtung
- 12
- zweite Leitung
- 13
- erstes Absperrmittel
- 14
- Ablaufmittel
- 15
- Abschnitt
- 16
- zweites Absperrmittel
- 17
- Generator
- 18
- zweite Turbine
- 19
- Leitung
- 20
- drittes Absperrmittel
- 21
- Ansaugleitung
- 22
- viertes Absperrmittel
