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Die Erfindung betrifft ein System zur Wasserstandregelung und/oder Optimierung der Energieerzeugung entlang eines Fließgewässers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Durch den Ausbau erneuerbarer Energien, insbesondere der Wind- und Solarenergie entsteht ein erheblicher Bedarf, Energie zu speichern. Vor allem bei Solarenergie entsteht dabei auch ein Zyklus über einen Tag hinweg und relativ große Energiemengen müssten gespeichert werden für Nachtzeiten. Eine bekannte Form der Energiespeicherung sind Pumpspeicherkraftwerke. Dabei werden bisher jedoch vor allem relativ große Anlagen gebaut. Es wäre daher wünschenswert, eine Vielzahl von dezentralen Pumpspeicherkraftwerken auch mit kleinerer Kapazität zur Verfügung zu haben.
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Entlang von Fließgewässern wurden Ortschaften zumeist und soweit möglich deutlich oberhalb beispielsweise eines Flusslaufs und dessen Überschwemmungsbereichen gegründet. In diesen Ortschaften oder nahe zu diesen wurden oft Löschteiche oder Wasservorratsteiche angelegt, um Löschwasser und Brauchwasser zur Verfügung zu haben. Mit zunehmenden Trockenheitsperioden aufgrund des Klimawandels ist es auch wünschenswert und wird oftmals versucht, Wasservorratsbecken zur Bewässerung einzurichten.
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Auch kommt es aufgrund des Klimawandels zunehmend zu Starkregenereignissen und ist es daher wünschenswert, einen verbesserten Hochwasserschutz zu erreichen. Dies kann unter anderem durch Expansionsräume für das Wasser erreicht werden.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes System zur Wasserstandregelung und/oder Optimierung der Energieerzeugung zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorteilhaft sind bei einem System zur Wasserstandregelung und/oder Optimierung der Energieerzeugung, insbesondere auch zum Hochwasserschutz, wobei entlang eines Fließgewässers, insbesondere Flusslaufes, mindestens zwei, bevorzugt eine Mehrzahl von Pumpspeicherkraftwerken angeordnet, wobei die Pumpspeicherkraftwerke durch eine Steuerung verbunden sind und auf Basis von Wasserstanddaten und einer Prognose der Höhe und des zeitlichen Verlaufs eines Wasserstandes eine Steuerung der Pumpleistung und/oder Wasserabgabe in das Fließgewässer erfolgen kann.
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In einer günstigen Ausgestaltung berücksichtigt die Steuerung der Pumpleistung und/oder Wasserabgabe die Änderung des Wasserstands bzw. zu erwartenden Pegels aufgrund der Pumpleistung und/oder Wasserabgabe des oder der weiteren Pumpspeicherkraftwerke in einer Modellrechnung.
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Es können eines oder mehrere Oberwasserbecken der Mehrzahl von Pumpspeicherkraftwerken als Bewässerungsvorrat und/oder Löschteich und/oder für schwimmende Solarzellenanlagen dienen.
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Für die Oberwasserbecken ist das Pumpen von Hochwasservolumen in das Oberwasserbecken, und/oder eine Nutzung als Löschteiche und/oder als Bewässerungsbecken für Landwirtschaft/Weinbau denkbar als zusätzliche Nutzung. Weiterhin sind Elemente der Erfindung eine Mindestwasserabgabe, schwimmende Photovoltaik bzw. Solarzellenanlage auf dem Oberwasserbecken. Dies hat den Vorteil, dass die Fläche doppelt genutzt werden kann, als Speicher und als Energieerzeugungsanlage, außerdem reduziert die schwimmende PV-Anlage die Verdunstung im Oberwasserbecken. Das Oberwasserbecken kann je nach örtlicher Gegebenheit größer dimensioniert werden um bei extremer Dürre für einen bestimmten Zeitraum eine minimale Wassermenge an das Gewässer abzugeben. Oder mit dem größer dimensionierten Oberwasserbecken könnte man auch eine Wasserversorgung für Bewässerung im Sommer zur Verfügung stellen.
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Es wird auch eine dezentrale Netzstabilisierung des Stromnetzes möglich bei gleichzeitiger Schwarzstartfähigkeit d.h. wieder Anfahren und Betrieb des regionalen Netzes für ein paar Stunden ohne Stromversorgung oder Netzanbindung von außen. Außerdem kann das obere Speicherbecken für Bewässerung und Mindestwasserabgabe erweitert werden. Damit lassen sich Synergien beim Bau und Unterhalt erzielen. Das Oberwasserbecken steht auch dezentral zur Brandbekämpfung zur Verfügung.
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Alle diese Verwendungen sind natürlich auch für Unterwasserbecken der Pumpspeicherkraftwerke denkbar.
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Vorteilhaft dienen eines oder mehrere der Unterwasserbecken der Pumpspeicherkraftwerke als Expansionsraum für das Wasser des Fließgewässers.
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Das Unterwasserbecken ist in Rückhaltevolumen für den Hochwasserschutz integrierbar und kann bei diesen mitberechnet werden. Damit lassen sich Synergien beim Bau und Unterhalt erzielen. Durch eine entsprechende Steuerung können beispielsweise die Unterwasserbecken möglichst entleert werden, wenn eine Hochwasserwelle erwartet wird. Zusätzlich können die Oberwasserbecken entleert werden, sodass auch diese zusätzlich als Expansionsraum Wassermengen aufnehmen können. In Summe und über eine Vielzahl von Pumpspeicherkraftwerken entlang eines Flusslaufes kann somit eine Hochwasserwelle abgeflacht werden. Das Unterwasserbecken weist dadurch einen Mehrfachnutzen auf, da es in ein Hochwasserkonzept integriert werden kann. Das heißt, es gibt beispielsweise einen Hochwasserschutzdamm, der unabhängig von dem Unterwasserbecken benötigt wird. Mit diesem wird ein Rückhaltevolumen im Hochwasserfall zur Verfügung gestellt, dieses Volumen ist üblicherweise mehrfach größer als das für das Unterwasserbecken benötigte Volumen. Der Hochwasserschutzdamm ist auch höher mit einem höheren Staupegel als das Unterwasserbecken.
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Nur bei großen Abflüssen oder Hochwasser des Gewässers wird das Speicherbecken des Unterwasserbeckens mit Wasser gefüllt. Mit diesem „überschüssigen“ Wasser wird das Unterwasserbecken und somit das Pumpspeicherkraftwerk befüllt und dann betrieben. Anschließend im Hochwasserfall wird das Unterwasserbecken vollständig nach oben gepumpt und steht zusätzlich als Rückhaltevolumen im Hochwasserfall zur Verfügung. Wenn das Hochwasserereignis vorüber ist, wird das Unterwasserbecken entleert und steht für den Betrieb wieder zur Verfügung. Dabei kann insbesondere ein Steuerungsverfahren zur Anwendung kommen, bei dem das Hochpumpen in das Oberwasserbecken gezielt zur Abflachung der Spitze der Hochwasserwelle dient, da dies auch noch bei hohen Wasserständen erfolgen kann.
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Zwischen Fließgewässer und Unterwasserbecken kann ein Damm angeordnet sein.
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Durch den Damm wird das Unterwasserbecken von dem Fließgewässer abgetrennt und kann eine reduzierte Wassertiefe aufweisen. Vorteilhaft entsteht dadurch weniger Aufwand beim Bau des Pumpspeicherkraftwerks da ein geringerer Aushub, beispielsweise nur 1 m Tiefe, und weniger Aufschüttung für den Damm erforderlich ist, etwa beispielsweise 2 m. Über die Fläche ergibt sich dennoch ein gewisses Speichervolumen, dass für den Speicherkraftwerksbetrieb benötigt wird. Dabei wird der Wasserspiegel variable auf- und abgesenkt.
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Das Unterwasserbecken kann durch einen Schütz und/oder eine ventilgesteuerte Verbindungsleitung mit dem Fließgewässer verbunden sein.
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Das Unterwasserbecken kann eine Anbindung zum natürlichen Gewässer bzw. Fließgewässer aufweisen, welche über ein Regelorgan, z.B. Ventil oder Schütz, geöffnet und geschlossen werden kann. Außerdem kann das Unterwasserbecken auch über einen Ablauf zum Entleeren verfügen, welche über ein Regelorgan, z.B. Ventil oder Schütz, geöffnet und geschlossen werden kann. Zulauf und Ablauf können entsprechende Fischschutzeinrichtungen aufweisen, z.B. Gitter, so dass die Fische aus dem Gewässer nicht in das Unterwasserbecken gelangen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist in einem Schachtbauwerk eine Pumpen-/Turbineneinheit unter einem Wasserpegel angeordnet, die mit dem Oberwasser über ein Fallrohr verbunden ist.
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Dadurch kann die Pumpen- /Turbineneinheit in dem Schachtbauwerk so tief unter Wasser eingebaut werden, dass für den Pumpbetrieb ein gewisser Wasserdruck ansteht, beispielsweise 5m. Das Schachtbauwerk wird möglichst einfach, etwa im horizontalen Querschnitt rund, eckig, oval oder in Freiform ans Gelände angepasst und möglichst klein ausgeführt. Vorteilhaft muss die größere Aushubtiefe auch nur für das Schachtbauwerk vorgesehen werden und aufgrund der minimalen Größe kann dieses bautechnisch einfacher hergestellt werden. Auch kann das Schachtbauwerk bei entsprechender baulicher Ausgestaltung beispielsweise Abtrennmöglichkeit durch einen Schütz oder Befüllung oder Entleerung durch eine zweite Pumpen-/Turbineneinheit leicht vollständig entleert werden und die Anlage ist ohne Taucher zugänglich. Der Wasserspiegel im Unterwasserbecken kann auch sehr stark schwanken und bis auf fast Null abfallen.
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Der Einbau der Pumpen- /Turbineneinheit vollständig unter Wasser benötigt auch keine Hochbauten oder einen trockenen Raum für den Generator oder sonstige Krananlagen etc. und ermöglicht eine natürlichere Gestaltung der Landschaft. Auch werden Laufgeräusche der Maschinen durch die Wasserüberdeckung gedämpft. Die gesamte Steuerung und Leistungselektronik kann flexibel und bautechnisch unabhängig von den Pumpen- /Turbineneinheiten inklusive Generatoren in einem Gebäude z.B. in 100m Entfernung installiert werden.
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Die Pumpen- /Turbineneinheit kann mit einer senkrecht stehenden Welle und ohne Wellendichtring, abgedichtet durch Gasüberdruck in einem geschlossenen Gehäuse ausgebildet sein.
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Es kann eine zweite Pumpe oder Pumpen-/ Turbineneinheit vorgesehen sein, über die das Schachtbauwerk mit dem Unterwasserbecken verbunden ist.
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Durch diese zweite Pumpe oder Pumpen-/Turbineneinheit kann der Wasserspiegel konstant gehalten werden und es ergibt sich ein optimaler Wasserdruck für den Pumpbetrieb der Hauptpumpen-/ Turbineneinheit, die über das Fallrohr mit dem Oberwasserbecken verbunden ist. Trotz eines Unterwassers mit eventuell geringer Wassertiefe kann insgesamt ein sicherer Pumpbetrieb sichergestellt werden, ohne dass es zum Ansaugen von Luft kommt. Die zweite Pumpen- /Turbineneinheit. Das Wasser aus dem Unterwasserbecken in das Schachtbauwerk
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Bei entsprechender Ausgestaltung auch als Turbineneinheit kann sie das Wasser in umgekehrter Richtung und bei entsprechender Höhendifferenz als Turbine zur Energieerzeugung ebenfalls nutzen. Diese Einheit muss bei schwankenden Fallhöhen effizient das gesamte anfallende Wasser pumpen bzw. turbinieren können.
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Vorteilhaft ist die zweite Pumpen- /Turbineneinheit mit einer senkrecht stehenden Welle und ohne Wellendichtring, abgedichtet durch Gasüberdruck in einem geschlossenen Gehäuse ausgebildet. Auch diese Pumpen- /Turbineneinheit kann vollständig inklusive Generator eingetaucht und wartungsfrei abgedichtet sein.
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Alle Komponenten der Pumpen- /Turbineneinheit wie auch der zweiten Pumpen-/Turbineneinheit sind so ausgeführt, dass diese dauerhaft vollständig unter Wasser betrieben werden können. Sie in dem abgedichteten, nach unten offenen und durch Gasdruck vor Wassereintritt geschützten Gehäuse angeordnet sein. Durch das Fehlen einer schleifenden Dichtung ergibt sich somit eine zuverlässige und fast wartungsfreie Abdichtung und lange Betriebszeit ohne Wartungsbedarf.
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Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren dargestellt. In diesem zeigt:
- 1 in Aufsicht die Anordnung eines Pumpspeicherkraftwerks an einem Fließgewässer,
- 2 schematisch eine Anordnung aus Unterwasserbecken und Schachtbauwerk sowie
- 3 schematisch im Querschnitt das Unterwasserbecken und das Schachtbauwerk.
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Die 1 zeigt in Aufsicht schematisch die Anordnung eines Pumpspeicherkraftwerks an einem Fließgewässer 1 in einem Landkartenausschnitt. An dem Fließgewässer 1 ist das Unterwasserbecken 2 mit dem Schachtbauwerk 3 angeordnet. Ein Fallrohr 4 verbindet das Schachtbauwerk mit einem Oberwasserbecken 5, das auf einer höheren Ebene oberhalb des Fließgewässers 1 auf gleicher Höhe wie eine Ortschaft 6 angeordnet ist. Für umgebende Felder und Kulturen kann das Oberwasserbecken 5 als Bewässerungsvorrat dienen und für die Ortschaft 6 auch als Löschwasserbecken. Eine ideale Fallhöhe für ein solches Pumpspeicherkraftwerk kann zum Beispiel ab 100 m aufwärts betragen.
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Die3 2 zeigt schematisch eine Anordnung aus Unterwasserbecken 2 und Schachtbauwerk 3 mit einer Pumpen- /Turbineneinheit 7, die in dem Schachtbauwerk 3 unter Wasser angeordnet ist und mit dem Fallrohr 4 verbunden ist. Eine zweite Pumpen-/ Turbineneinheit 8 ist mit dem Unterwasserbecken 2 verbunden, das durch einen Damm 9 von dem Fließgewässer 1 abgetrennt ist. In dem Damm 9 ist ein Zulaufschütz 10 angeordnet, der über einen Kanal 11 mit dem Fließgewässer 1 verbunden ist sowie ein Ablaufschütz 12, der ein Entleeren des Unterwasserbeckens 2 in das Fließgewässer 1 ermöglicht. Flussaufwärts zu dem Schachtbauwerk 3 ist ein Querdamm 13 mit einem Sperrwehr 14 angeordnet.
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Die 3 zeigt schematisch im Querschnitt das Unterwasserbecken 2 und das Schachtbauwerk 3, in dem die mit dem Fallrohr 4 verbundene Pumpen-/Turbineneinheit 7 unter Wasser angeordnet ist. Die Turbine der Pumpen-/Turbineneinheit 7 weist dabei eine Wasserüberdeckung 15 von im Beispielsfall 5 m auf. Dadurch wird sichergestellt, dass stets ein Pumpbetrieb ohne Störungen möglich ist. Die Pumpe- /Turbineneinheit weist noch ein Saugrohr 16 auf. Die zweite Pumpen-/Turbineneinheit 8 verbindet das Schachtbauwerk 3 mit dem Unterwasserbecken 2 und stellt einen gleichmäßigen Wasserpegel in dem Schachtbauwerk 3 mit der Wasserüberdeckung 15 sicher, indem sie im Pumpbetrieb Wasser aus dem Unterwasserbecken 2 in das Schachtbauwerk 3. Oder im Turbinenbetrieb Wasser, das über das Saugrohr 16 aus dem Oberwasserbecken 5 stammt in das Unterwasserbecken 2 ablässt.
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Dadurch kann der Wasserspiegel in dem durch den Damm 9 abgetrennten Unterwasserbecken 2 im vorliegenden Beispiel um eine Schwankungshöhe 17 von im Beispielsfall 3 m um den Normalpegel 18 bis zu einem Maximalpegel 19 von +2 m und einem Minimalpegel 20 von -1 m schwanken, ohne, dass der Betrieb des Pumpspeicherkraftwerks beeinträchtigt wird.
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Es ist auch denkbar, ein solches Pumpspeicherkraftwerk modular aufzubauen, beispielsweise indem mehrere Pumpen- /Turbineneinheiten für die jeweilige Funktion als Haupt und/oder zweite Einheit eingesetzt werden.
