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Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkraftwerk zur Umwandlung regenerativer Energie in potentielle Energie, wobei das Pumpspeicherkraftwerk eine Quelle regenerativer Energie, ein Abstiegsbauwerk und mindestens eine Pumpe umfasst, wobei die Pumpe, angetrieben durch die regenerative Energie, Wasser von der ersten unteren in die zweite obere Stufe pumpt.
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Regenerative Energien sind Energien aus Quellen, die sich entweder kurzfristig von selbst erneuern oder deren Nutzung nicht zur Erschöpfung der Quelle beiträgt. Es sind nachhaltig zur Verfügung stehende Energieressourcen, zu denen insbesondere Wasserkraft, Windenergie, solare Strahlung (Sonnenenergie), Erdwärme (Geothermie) und die durch Gezeiten erzeugte Energie zählen.
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Die Nutzung der Windkraft ist seit Jahrhunderten bekannt. Üblich war früher die Nutzung der mechanischen Energie (Windmühlen), heute steht die Erzeugung elektrischer Energie im Vordergrund. Windkraft bezeichnet die Umwandlung der horizontalen Bewegungsenergie (kinetischen Energie) der Luftmassen der Erde in elektrische Energie. Die ursprüngliche Energiequelle für die Windkraft ist eingestrahlte Lichtenergie der Sonne, die Differenzen im Strahlungshaushalt der Erde bewirkt. Die daraus entstehenden Energiegefälle äußern sich als Luftdruckunterschiede und führen zu Luftmassenbewegungen, um die Energiegefälle auszugleichen.
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Die Rotorblätter einer Windkraftanlage setzen die Bewegungsenergie der Luftteilchen in Rotationsenergie um. Diese Energie, die damit an der sich drehenden Achse verfügbar ist, wird mittels eines Generators in elektrische Leistung umgesetzt.
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Moderne Windkraftanlagen arbeiten weit überwiegend nach dem Auftriebsprinzip, wobei aerodynamisch geformte Rotorblätter, wie sie auch im Flugzeugbau Verwendung finden, eingesetzt werden. Gegenüber diesen Auftriebsrotoren erreichen Widerstandsrotoren maximal einen Leistungsbeiwert von ca. 35%, da die Rotorflächen auf dem Rückweg gegen den Wind geführt werden müssen. Die Rotorblätter einer Windkraftanlage nutzen zur Konversion der Bewegungsenergie in mechanische Energie das Auftriebsprinzip. Dieses Prinzip, welches seine Kraft aufgrund von Druckunterschieden in Luv- und Leeseite beim Umströmen von Körpern entfaltet, wird seit jeher in der Segelschiffahrt und seit langem in der Luftfahrt genutzt. Der Unterschied bei der Windkraftnutzung besteht darin, dass die Rotorblätter als im Zentrum befestigte Hebelarme sich um die eigene Achse drehen und somit ein Drehmoment ausüben, dessen Kraft auf einen Generator übertragen werden kann. Der Auftrieb ist die Resultierende aus zwei Kräften, der Auftriebskraft und der Widerstandskraft. Beide Kräfte hängen maßgeblich vom Winkel des Rotorblattes zur Windrichtung ab. Es lässt sich insofern für jeden Anstellwinkel (Mittetlinie des Profils zur Windrichtung) der Quotient von Auftriebskraft zu Widerstandskraft bilden. Diese sogenannte Gleitzahl ist ein Maß für den erreichbaren Energieertrag.
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Mit diesem Prinzip einhergehend werden die heutigen Windkraftanlagen zumeist mit Horizontalachsenrotoren ausgestattet, die der Windrichtung nachgeführt werden müssen. Sie erfordern die Installation des Generators in der Turmspitze. Vertikalachsenrotoren ermöglichen demgegenüber eine ebenerdige Aufstellung des Generators und benötigen keine Windnachführung. Sie weisen jedoch geringere Wirkungsgrade auf und benötigen teils eine Anlaufhilfe. Bekannt als Vertikalsysteme sind der Savonius-Rotor und der Darrieus-Rotor.
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Am gebräuchlichsten ist die Einteilung von Windkraftanlagen nach ihrer installierten Leistung, wobei bislang in Kleinanlagen (< 70 kW, ca. 25 m hoch), mittlere Anlagen (70–750 kW, ca. 40–65 m hoch) und Großanlagen (> 750 kW, ca. 60–100 m hoch) unterschieden wurde. Es ist nicht auszuschließen, dass diese Einteilung zukünftig überholt wird, bereits heute hat sich unter Neuanlagen die ”Megawatt-Klasse” etabliert, und ein Ende dieser Entwicklung ist insbesondere im Zusammenhang mit Offshore-Anlagen nicht definierbar.
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Für die Leistungsregelung stehen verschiedene Systeme zur Verfügung. Das einfachste Verfahren ist das Herausdrehen aus dem Wind, welches als Grobregelung für hohe Windgeschwindigkeiten eingesetzt werden kann. Die Stall-Regelung stellt ebenfalls eine relativ grobe Regelung nach dem Prinzip des Strömungsabrisses dar, energetisch günstiger ist die Blattwinkelregelung, die durch stufenlose Regelung des Anstellwinkels der Rotorblätter vorgenommen wird. Zur Reduzierung von Momentenstößen beim Durchgang des Windes durch den Turmschatten wird die Horizontalachse des Rotors üblicherweise leicht geneigt, um den Abstand zwischen unteren Rotorblättern und Turm zu vergrößern.
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Eine Windkraftanlage besteht in der Regel aus den folgenden Komponenten:
- • Mast: Die Masten weisen üblicherweise eine Höhe von 10 m bis 100 m auf, wobei mit zunehmender Höhe nicht nur der Energieertrag steigt, sondern auch die Errichtungskosten aufgrund der aufwendigeren Statik. Die Masten werden aus Stahl oder Beton (Holz nur bei sehr kleinen Masten) errichtet und dienen der Aufnahme von Gondel, Rotor, Getriebe und Generator.
- • Gondel: Die Gondel bildet Grundrahmen, Träger und Verkleidung zur Aufnahme und Befestigung von Getriebe und Generator. Sie dient der Aufnahme aller an der Mastspitze auftretender Kräfte und Momente.
- • Rotorblätter: Die Anzahl der Rotorblätter ist für den energetischen Wirkungsgrad unbedeutend. Je weniger Blätter eingesetzt werden, um so höher ist die Drehzahl der Anlage, um in gleicher Zeit die gleiche Fläche nutzen zu können. Zur Mitte hin sind die Rotorblätter meist als Holmverbindung ohne aktive Fläche konstruiert, da das Verhältnis zwischen Nutzen (Hebelarm, Strömungsfläche) und Aufwand nach innen deutlich ungünstiger wird. Die modernen Rotorblätter werden aus Kunststoff (GFK, CFK) gefertigt.
- • Getriebe: Das Getriebe sorgt für die Übersetzung der vergleichsweise geringen Rotordrehzahl auf die installierte Nenndrehzahl des Generators.
- • Rotorwelle: Die Rotorwelle stellt die Verbindung zwischen Rotor und Getriebe dar.
- • Generator: Als Generatoren sind sowohl Synchron- als auch Asynchron-Generatoren einsetzbar.
- • Steuerfahnen: Die Steuerfahne bewirkt die automatische Einstellung des Winkels zwischen Gondel/Rotor und Windrichtung.
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Selbst bei hoher Windgeschwindigkeit ist die Rotordrehzahl zu gering, um einen normalen Generator anzutreiben. Die Kraftübertragung erfolgt von den Rotorblättern über die Nabe zur „langsamen Welle” (Rotorwelle) und von dort zum Getriebe. Es erhöht über Zahnräder die Drehzahl und überträgt diese Energie an die „schnelle Welle” (Generatorantriebswelle), die den Generator treibt. Es gibt aber heute auch getriebelose Generatoren, was den Vorteil eines insgesamt einfacheren Systems bietet. Im Generator sind Metallspulen auf der Längsachse angebracht; dies ist der so genannte Rotor. im Gehäuse des Generators wird ein starkes Magnetfeld erzeugt. Die rotierende Bewegung der Metallspulen in dem festen Magnetfeld bewirkt, dass die Elektronen in einer Richtung durch die Spule fließen. So entsteht elektrischer Strom und damit auch Spannung. Der Generator produziert Elektrizität.
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Da elektrische Energie nur aufwendig und mit Verlusten speicherbar ist, wird sie durch ein Kraftwerksmanagement durch technische und organisatorische Maßnahmen entsprechend dem Bedarf bereitgestellt. In Deutschland wurden die sogenannte Grund- bzw. Mittellast bisher vor allem von Braunkohle- und Kernkraftwerken bzw. vor allem von Steinkohlekraftwerken abgedeckt. Die Spitzenlast lieferten vor allem Gas- und Pumpspeicherkraftwerke. Mit zunehmenden Anteilen an Strom aus erneuerbaren Energien ist ein verändertes Kraftwerksmanagement notwendig. Zwar können Geothermiekraftwerke Grundlast und Wasserkraftwerke, Biomassekraftwerke und Biogasanlagen Grundlast und/oder Spitzenlast abdecken. Die Stromerzeugung aus Sonnenenergie und Wind unterliegt dagegen starken Schwankungen. Teilweise korrelieren diese aber mit dem Tages- bzw. Jahres-Lastgang. So wird Strom aus Sonnenenergie zu den Hauptbedarfszeiten bereitgestellt. Strom aus Windenergie fällt verstärkt im Winter an und kann die zu der Zeit verringerten Ausbeuten von Solaranlagen ausgleichen.
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Bisher werden für die Speicherung von elektrischer Energie Pumpspeicherkraftwerke oder – für geringe Energiemengen bzw. kurzfristige Bedarfschwankungen – Akkumulatoren oder hochkapazitive Kondensatoren eingesetzt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel bereitzustellen, die eine Speicherung von Energie, insbesondere regenerativer Energie ermöglichen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch den unabhängigen Anspruch. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es war völlig überraschend, dass ein Pumpspeicherkraftwerk zur Umwandlung regenerativer Energie in potentielle Energie bereitgestellt werden kann, was die Nutzung und Speicherung regenerativer Energie ermöglicht. Das Pumpspeicherkraftwerk umfasst:
- a. eine Quelle regenerativer Energie, insbesondere eine Windkraftanlage,
- b. ein Abstiegsbauwerk, umfassend eine erste untere und eine zweite obere Stufe,
- c. mindestens eine Pumpe,
wobei die Pumpe, angetrieben durch die regenerative Energie, Wasser von der ersten unteren in die zweite obere Stufe pumpt.
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Das erfindungsgemäße Pumpspeicherkraftwerk (im Sinne der Erfindung auch als Pumpspeicherwerk bezeichnet) ist eine Form eines Speicherkraftwerkes und dient der Speicherung von elektrischer Energie durch Hochpumpen von Wasser, welche auf dem umgekehrten Wege über Turbinen wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Die elektrische Energie wird also durch Umwandlung in potentielle Energie von Wasser gespeichert und durch Umwandlung dieser potentiellen Energie in elektrische Energie wieder ins Netz gespeist.
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Die potentielle Energie (auch Höhen- oder Lageenergie) ist im Sinne der Erfindung insbesondere eine Energieform, welche einem Körper durch seine Position oder Lage in einem konservativen Kraftfeld (etwa einem Gravitationsfeld oder elektrischen Feld) innewohnt. Ein bestimmter, beliebig gewählter Ort in diesem Feld dient dabei als Bezugspunkt, beim Gravitationsfeld der Erde kann dies beispielsweise die Erdoberfläche sein. Der Betrag der Energie ändert sich ausschließlich durch Lageveränderung gegenüber dem Bezugspunkt und kann nur unter Bezugnahme auf diesen angegeben werden.
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Der Fachmann weiß, dass ein Pumpspeicherwerk kein Kraftwerk im herkömmlichen Sinn ist, da es per Saldo keinen Strom erzeugt, sondern immer Strom wegen der mit der Zwischenspeicherung verbundenen Wirkungsverluste verbraucht. Es ist ein zur Netzregelung notwendiger Energiespeicher. Die Fähigkeit der Pumpspeicherkraftwerke, sowohl Energie aufzunehmen als auch abzugeben, kann zur Regelung des Stromnetzes genutzt werden. Es war völlig überraschend, dass es insbesondere zur Speicherung des Stroms dienen kann, der durch regenerative Energien gewonnen wird. Die Leistung des Kraftwerks steht bei Bedarf innerhalb von bevorzugt Minuten zur Verfügung und kann in einem weiten Bereich flexibel geregelt werden. Dies ist ein Vorteil gegenüber konventionellen thermischen Kraftwerken, deren Leistung sich nur über einen Zeitraum von mehreren Stunden anpassen lässt. Auch der Pumpbetrieb kann flexibel auf unterschiedlich hohe Leistungsüberschüsse im Netz angepasst werden, wenn zwei voneinander getrennte Steig- und Fallrohre vorhanden sind. Diese Regelenergie kann sowohl zum Abfangen von Bedarfsspitzen als auch zum Abfangen plötzlicher Verbrauchseinbrüche eingesetzt werden.
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Es ist bevorzugt, dass das Pumpspeicherkraftwerk einen reversiblen Anlagenbetrieb aufweist. Vorteilhafterweise umfasst es eine Turbine, ein Motor-Generator und eine Pumpe, die auf einer Welle montiert sind und bevorzugt eine Einheit bilden.
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Pumpen sind im Sinne der Erfindung Arbeitsmaschinen, die vorzugsweise inkompressible Fluide fördern. Hierzu zählen auch Flüssigkeits-Feststoff-Gemische, Pasten und Flüssigkeiten mit geringem Gasanteil. Die Antriebsenergie wird vorzugsweise durch eine oder mehrere Anlagen zur Gewinnung regenerativer Energien bereitgestellt. Die Antriebsenergie wird dann durch die Pumpe in die Bewegungsenergie des Mediums umgewandelt.
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Das Pumpspeicherkraftwerk weist vorzugsweise mindestens zwei Betriebsarten auf: bei Strombedarf arbeitet der Motor-Generator als Generator und liefert, von der Turbine angetrieben, elektrischen Strom. Das Wasser fließt dabei von der oberen Stufe in die untere Stufe und liefert die Antriebsleistung. Bei der zweiten Betriebsweise wird elektrische Energie, die durch Anlagen zur Gewinnung regenerativer Energien bereitgestellt wird, zum Betrieb des Motorgenerators als Elektromotor verwendet, so dass die Pumpe angetrieben wird Wasser wieder in die zweite Stufe pumpt.
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Es kann bevorzugt sein, dass die Pumpe mit Pumpturbinen ausgerüstet ist. Bei der Pumpturbine handelt es sich im Sinne der Erfindung insbesondere um eine Strömungsmaschine, die in beiden Richtungen durchströmt werden kann und je nach Drehrichtung als Pumpe oder Turbine arbeitet.
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Um eine optimale Regelung der Betriebsweisen sicherzustellen, weist die Turbine bevorzugt Verschlusskappen auf, wobei vor den Endlastungsleitungen Verschlussklappen montiert sind. Die Endlastungsleitung werden vorzugsweise durch Rohre hergestellt. Weiterhin sind mindestens eine Turbine und Rohre in Richtung der ersten Stufe montiert, so dass eine effizientes ablassen des Wassers über die Turbine erreicht werden kann.
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Es ist bevorzugt, dass das Abstiegsbauwerk eine Schleuse oder Hebewerk ist, das vorteilhafterweise an einer Bundeswasserstraße angeordnet ist. Es war völlig überraschend, dass mittels dem erfindungsgemäßen Pumpspeicherkraftwerk Bundeswasserstraßen zur Speicherung von Energie, bevorzugt regenerative Energie, besonders bevorzugt Windenergie verwendet werden können. In Deutschland beläuft sich die Länge der Bundeswasserstraßen auf circa 2000 Km und eine Breite von 20 bis 50 m, wobei es bevorzugt ist, dass lediglich Kanäle verwendet werden. Die Bundeswasserstraßen konzentrieren sich ebenso wie die Windenergie auf Regionen in Nord- und Mitteldeutschland.
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Die Bundeswasserstraßen können vorteilhafterweise als Verbundspeicher für regenerative Energien mit dezentraler Energieeinspeisoption genutzt werden. Überall wo Abstiegsbauwerke (insbesondere Schleusen und/oder Hebewerke) vorliegen, können Pumpspeicherkraftwerk installiert werden, die bevorzugt Windenergie in potentielle Energie umwandeln, d. h. Wasser wird aus der ersten unteren Stufe (oder Kanalhaltung) in die zweite obere Stufe gepumpt. Zur Generierung der Energie sind vorzugsweise vor den Pumpenverschlussklappen der Pumpen, Abzweigungen mit Verschlussklappen angeordnet, wobei Turbinen und Rohre in Richtung unterer Stufe oder Kanalhaltung montiert werden. Vorteilhafterweise kann das Pumpspeicherkraftwerk Mittel zur Steuerung und Energieabgabeleitungen aufweisen. Es hat sich herausgestellt, dass durch die erfindungsgemäße Mittel hohe Baukosten eingespart werden, da der Bau von Speicherbecken und der Abstiegsbauwerke wie Hebewerke und Schleusen wegfällt. Lediglich die Pumpen in den Abstiegsbauwerken sind umzurüsten.
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Das erfindungsgemäße Pumpspeicherkraftwerk kann durch geringe Installationskosten realisiert werden, woraus sich wiederum volkswirtschaftliche und betriebswirtschaftliche Vorteile, wie z. B. die entfallene Notwendigkeit der Abschaltung von Windkraftanlagen, ergeben. Wenn durch Windenergie mehr Strom generiert wird, als aktuell gebraucht wird, kann es bevorzugt sein, dass das Pumpspeicherkraftwerk mittels dem Windstrom Wasser aus einem Kanal (z. B. einer ersten Stufe) entgegen der Fließrichtung einer Staustufe in eine zweite Stufe hochpumpt. In der zweiten Stufe kann das Wasser als Träger potentieller Energie verwendet werden, so dass bei der nächsten Stromspitze das Wasser durch eine Turbine wieder in die untere Stufe oder Kanalbecken gebracht und dabei in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Speicherung von regenerativer Energie als potentielle Energie, wobei eine Pumpe durch Energie, insbesondere elektrische Energie, erzeugt durch Windkraftanlagen, Wasser in einer Bundeswasserstraße von einer ersten unteren Stufe in eine zweite obere Stufe eines Abstiegsbauwerks pumpt, wobei die Pumpe insbesondere vor Pumpenverschlussklappen Abzweigungen, insbesondere Rohre mit Verschlussklappen aufweist und Pumpenverschlussklappen vor der Pumpe angeordnet sind.
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Die Erfindung soll im Folgenden anhand einer Figur beispielhaft erläutert werden, ohne jedoch auf diese beschränkt zu sein. Es zeigt:
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1 Schematischer Aufbau und Funktionsweise eines Pumpspeicherkraftwerk
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1 zeigt einen schematischen Aufbau und die Funktionsweise eines Pumpspeicherkraftwerk. Die Speicherung von Energie wird beim Pumpspeicherkraftwerk einfach gelöst. Es gibt in der Regel ein Speicherbecken für Wasser unten am Pumpspeicher-Kraftwerk selbst und ein Speicherbecken für Wasser oberhalb des Pumpspeicher-Kraftwerk. Das obere Speicherbecken des Wasserkraftwerk liegt dabei oft 2 Meter oder sehr viel höher über dem Pumpspeicher-Kraftwerk und kann gemäß der Erfindung auch als obere Stufe bezeichnet werden, wobei das Speicherbecken unten am Pumpspeicher als untere Stufe bezeichnet werden. Im Pumpspeicherwerk Wasserkraftwerk selbst befinden sich meistens mehrere Turbinen und an der jeweiligen Turbine ein fest angeschlossener Generator zur Strom Erzeugung. Dabei werden die Turbinen im Pumpspeicher Wasserkraftwerk auch in entgegengesetzter Fließrichtung als Pumpen verwendet und daher Pumpturbinen genannt und der Generator wird dann zum Elektromotor für die Pumpturbine im Pumpspeicher Wasserkraftwerk. Die Pumpen werden vorzugsweise mit Energie (Strom) angetrieben, der aus regenerativen Energien, wie beispielsweise Windenergie stammt. Oft über Nacht, wenn das Strom Netz wenig belastet wird und der Strom billiger ist, kann das Wasser aus dem unteren Speicherbecken der Pumpspeicher Wasserkraftwerke über die elektrisch betriebene Pumpturbine und den Wasserröhren in das obere Speicherbecken der Pumpspeicher Wasserkraftwerke gepumpt werden. Dort verbleibt das Wasser. Wird nun zusätzliche Leistung für das Strom Netz beim Pumpspeicher Wasserkraftwerk angefordert, werden die Absperrungen in den Wasserröhren geöffnet und das Wasser schießt in den Röhren mit einer ungeheuren Wasserkraft wieder ins Tal und wird über die Pumpturbinen der Pumpspeicher Wasserkraftwerke geleitet. Die Pumpturbinen sind über feste Wellen mit dem Generator verbunden und drehen den Generator. Über das Prinzip ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo wird innerhalb des Generator im Wasserkraftwerk Strom als Ökostrom erzeugt. Der Strom als Ökostrom wird netzfähig umgewandelt und danach in das Strom Netz eingespeist. Das durch die Turbine des Pumpspeicher Wasserkraftwerk gelangte Wasser wird im unteren Speicherbecken aufgefangen, um bei der nächsten Gelegenheit wieder für das Pumpspeicherkraftwerk nach oben gepumpt zu werden. Der Durchmesser der Pumpturbinen im Pumpspeicher Wasserkraftwerk beträgt je nach Kraftwerksleistung mehrere Meter. Der Steuerungsablauf kann wie folgt gestaltet sein:
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Steuerungsablauf
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Das Pumpen vom Unterwasser in das Oberwasser ist von 2 Parametern abhängig
- a.) a.) Das Oberbecken ist noch nicht bis zur maximalen Höhe gefüllt.
- b.) b.) Das Stromnetz des vorgeschalteten EVU,s hat (Leistungsüberschuß) von der Windenergie. Das heißt das Netz verbraucht negative Regelenergie.
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Das Abfassen des Wassers vom Oberwasser ins Unterwasser über die Turbine ist von 2 Parametern abhängig.
- c.) a.) Das Oberbecken ist noch nicht soweit abgelassen bis zur min Grenze.
- d.) b.) Das Stromnetz des vorgeschalteten EVU,s braucht Leistung (Positive Regelenergie)
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Die jeweiligen unter a.) beschriebenen Kriterien werden nur vom Betreiber des Kanal bestimmt (Wasser und Schiffartsamt)
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Die jeweils unter b.) beschriebenen Kriterien werden nur vom vorgeschalteten EVU Bestimmt.
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Die Energie Ableitung erfolg über das Gleiche Netz von der die Pumpe (Pumpen) versorgt Werden.
