DE102011107835A1

DE102011107835A1 - Pumpspeicherkraftwerk

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Publication number: DE102011107835A1
Application number: DE102011107835A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-16
Filing date: 2011-07-16
Publication date: 2013-01-17

Abstract

Ziel der Erfindung ist ein Pumpspeicherkraftwerk (PSKW), welches nur geringe Eingriffe in die Landschaft erfordert und auch außerhalb von Gebirgsregionen mit großer Speicherkapazität realisiert werden kann. Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, dass in Salzstöcken hergestellte Kavernen als Speicherreservoirs verwendet werden. Der Vorteil solcher PSKW besteht in der Realisierbarkeit großer Pumphöhen in mehrere tausend Meter mächtigen Salzstöcken und damit hoher Speicherenergie bei geringen Speichervolumina. Kavernen, Schächte und Stollen sind in Salzstöcken im Vergleich zu anderen Gesteinsschichten kostengünstiger herzustellen, z. B. durch Aussolung. Das Salzgestein bietet eine natürlichen Abdichtung der Kavernen für Gase und Flüssigkeiten. Die Erfindung betrifft verschiedene Ausgestaltungen der oberen und unteren Reservoirs sowie der Anordnung der Pumpen-Turbinen-Einheit sowohl unterirdisch als auch an der Erdoberfläche. Als Speichermedium werden alternativ Wasser, Meerwasser, Salzsole oder Mineralöl sowie eine Kombination aus Salektrischen Netzen zukünftig nicht nur für eine Abpufferung der Verbrauchsschwankungen erforderlich, sondern darüberhinaus auch für den Ausgleich der Fluktuation bei der Erzeugung von Strom aus Sonne und Wind.

Description

Durch die Umstellung von elektrischen Energieversorgungssystemen auf regenerativ erzeugte Elektrizität wird der Bedarf an Pufferspeichern zum Ausgleich von Angebots- und Bedarfsspitzen im Netz weiter wachsen.
Herkömmliche Pumpspeicherkraftwerke (PSKW) sind dafür bestens geeignet und arbeiten mit hohem Wirkungsgrad. Die erforderlichen Kapazitäten sind in Deutschland jedoch zu gering, der oberirdische Ausbau scheitert am Mangel geeigneter Standorte oder am Widerstand gegen die damit verbundenen massiven Eingriffe in die Landschaft.
Alternativ werden Druckluftspeicher in unterirdischen Kavernen diskutiert, die jedoch nur mit deutlich schlechteren Wirkungsgraden arbeiten.
Studien zu unterirdischen PSKW in stillgelegten Bergwerken werden z. Zt. durchgeführt. Probleme entstehen dabei durch die erforderliche Abdichtung gegenüber grundwasserführenden Schichten und erhebliche Ausbauerfordernisse bezüglich der statischen Sicherheit.
Für die Zwischenspeicherung zukünftig großer Windenergiemengen aus den deutschen Küstengebieten wird der Transport nach Norwegen oder in das Alpengebiet erwogen, wo Pumpspeicherkapazitäten ausreichend ausbaubar wären. Damit verbunden wäre jedoch eine erhebliche Verstärkung der Fernleitungsnetze und der Ferntransport großer Energiemengen mit entsprechenden Verlusten.
Ziel der Erfindung ist es, die Realisierung von PSKW zu ermöglichen, die nur geringe Eingriffe in die Landschaft erfordern und die außerhalb von Gebirgsregionen über eine natürliche Abdichtung der Reservoirs verfügen und zu günstigen Kosten herstellbar sind.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, dass in Salzstöcken hergestellte Kavernen als untere Speicherreservoirs verwendet werden.
Der Vorteil solcher PSKW mit Salzstockkavernen als Reservoirs besteht in der Realisierbarkeit großer Pumphöhen in mehrere tausend Meter mächtigen Salzstöcken und damit hoher Speicherenergie bei geringen Speichervolumina. Kavernen, Schächte und Stollen sind in Salzstöcken im Vergleich zu anderen Gesteinsschichten kostengünstiger herzustellen, z. B. durch Aussolung. Das Salzgestein bietet eine natürlichen Abdichtung der Kavernen für Gase und Flüssigkeiten.
Weiterhin bleibt die oberirdische Landschaft praktisch unbeeinträchtigt.
In einer der bevorzugten Anordnungen besteht das PSKW gemäß 1 aus dem Küstenmeer als oberes Reservoir (1) und einer Salzstockkaverne als unteres Reservoir (2), die über den Bohrungsschacht (3) mit der Atmospäre verbunden ist. im unteren Bereich sind die Reservoirs über Verbindungskanäle (5) und (6) an die Pumpen-Turbinen-Einheit (7) in der Maschinenkaverne (9) angeschlossen, welche sich etwa auf der Höhe der Kavernensohle befindet. Mit der Pumpen-Turbinen-Einheit (7) ist der elektrische Motor-Generator (8) verbunden.
Die Maschinenkaverne (9) ist durch einen Transportschacht (10) mit dem oberirdischen Schachtgebäude (11) verbunden, über das alle Transporte von Energie, Medien, Material und Personal für Erstellung, Betrieb und Wartung der technischen Einrichtungen des PSKW erfolgt.
Über den Inspektionsstollen (4) ist die Kaverne vom Transportschacht aus zugänglich.
Die Funktionsweise entspricht dem eines herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerkes. Die Auslegung insbesondere der Pumpen-Turbinen-Einheit (7) ist an die Druck- und Mengendaten sowie an die Eigenschaften des Meerwassers als Pumpmedium (12) angepasst. 1 zeigt das PSKW bei etwa 50% der speicherbaren Energie. Spezielle Funktionen, wie z. B das Abfangen von Druckstößen im Betrieb durch ein Wasserschloß, werden nicht weiter dargestellt.
Die Verwendung von Meerwasser als Pumpmedium erfordert eine Auskleidung des unteren Reservoirs (2), welche eine weitere Aussolung durch das nicht salzgesättigte Meerwasser verhindert. Diese Auskleidung kann beispielsweise durch eine Oberflächenbehandlung oder Spritzbeschichtung mit silikonbasierten und damit wasserabweisenden oder wasserdichten Kunststoffen erfolgen.
Mit Kavernengrößen von 500000 bis 1000000 m³, wie sie für Öl- und Gasspeicher realisiert sind, und Pumphöhen von 500 bis 1000 m lassen sich Energiemengen der Größenordnung GWh speichern, was viele oberirdische PSKW übertrifft.
Das Speichervolumen lässt sich durch Zusammenschaltung vieler Kavernen, z. B. in kranzförmiger Anordnung um den zentralen Transportschacht vervielfachen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das untere Reservoir (2) als horizontal verlaufendes Stollenfeld ausgebildet, das durch eine einer Tunnelbohrmaschine ähnlichen Spezialmaschine gebohrt wird, welche gleichzeitig die erforderliche Auskleidung herstellt. Mit dieser Ausgestaltung wird eine gute Wartbarkeit und Instandsetzbarkeit erreicht.
4 zeigt beispielhaft verschiedene Geometrien (13) (14) (15) des Stollenfeldes.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines PSKW ist gemäß 2 auch das obere Reservoir (1) als Kaverne in einem Salzstock realisiert. Als Speichermedium kommen solche Flüssigkeiten zum Einsatz, welche die naturgegebene Dichtheit und Stabilität der Kavernen sicherstellen und zu keiner weiteren Aussolung der Kavernen führen. Dies sind vorzugsweise Salzsole oder hydrophobe Flüssigkeiten wie Erdöl oder Mineralöle, die bereits heute zur Bevorratung in Salzstockkavernen gespeichert werden.
Damit kann auf eine Auskleidung der Kavernen verzichtet werden, mit entsprechenden Vorteilen bei Herstellungs- und Wartungskosten.
Das PSKW besteht gemäß 2 aus eine oberen Reservoir (1) und einem unteren Reservoir (2), die als ausgesolte Salzstockkavernen in unterschiedlicher geödätischer Höhe über die Bohrungsschächte (16) und (17) mit der Atmospäre verbunden sind und welche das Pumpmedium (18) aufnehmen. Im unteren Bereich sind die Kavernen über Verbindungskanäle (19) und (20) an die Pumpen-Turbinen-Einheit (7) in der Maschinenkaverne (9) angeschlossen, welche sich etwa auf der Höhe der Sohle der unteren Kaverne befindet. Mit der Pumpen-Turbinen-Enheit (7) ist der elektrische Motor-Generator (8) verbunden.
Die Maschinenkaverne (9) ist durch einen Transportschacht (10) mit dem oberirdischen Schachtgebäude (11) verbunden, über das alle Transporte von Energie, Medien, Material und Personal für Erstellung, Betrieb und Wartung der technischen Einrichtungen des PSKW erfolgt.
Über Inspektionsstollen (21) und (22) sind die Kavernen vom Transportschacht (10) aus zugänglich.
Die Funktionsweise entspricht der eines herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerkes. Die Auslegung insbesondere der Pumpen-Turbinen-Einheit (7) ist an die Druck- und Mengendaten sowie an die Eigenschaften des Pumpmediums angepasst.
2 zeigt das PSKW bei etwa 50% der maximal speicherbaren Energie.
Spezielle Funktionen, wie z. B das Abfangen von Druckstößen im Betrieb durch ein Wasserschloß, werden hier nicht weiter dargestellt, sind aber auch unterirdisch realisierbar.
Im Fall der Verwendung von Salzsole als Pumpmedium erhöht sich die Speicherkapazität durch die höhere spezifische Masse der Sole.
Im Fall der Verwendung von Mineralöl als Pumpmedium ist die Speicherkapazität durch die geringere spezifische Masse verringert. Wirtschaftliche Vorteile können dadurch entstehen, dass hier nicht dargestellte Vorkehrungen getroffen werden, welche die Entnahme der Mineralölmenge im Krisenfall ermöglicht. Somit wäre diese Menge der vorgeschriebenen Krisenbevorratung zuzurechnen.
Die vorgeschlagenen Pumpmedien erfordern keine wasserabweisende oder wasserdichte Auskleidung oder Beschichtung der vorzugsweise ausgesolten Kavernen, die somit kostengünstig herstellbar sind. Eine Abdichtung gegen andere z. B. grundwasserführende Erdschichten ist wegen der Dichtheit des Salzstocks nicht erforderlich.
3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung eines PSKW.
Bei einem herkömmlichen PSKW stehen sowohl oberes als auch unteres Speicherreservoir unter dem Luftdruck der entsprechenden geodätischen Höhe. Um Wasser aus dem unteren Reservoir nach oben zu pumpen, muss die Pumpe jedoch den Druck einer der Höhendifferenz entsprechenden Wassersäule erzeugen können. Dies ist bei Höhen von einigen -zig bis zu einigen hundert m nicht mehr mit Saugpumpen, sondern nur mit Druckpumpen möglich, die etwa auf Höhe des unteren Reservoirs anzuordnen sind. Entsprechendes gilt für den Turbinenteil eines PSKW.
Maschinenräume mit Pumpen, Turbinen und Generator/Motor sind daher bei unterirdischen PSKW etwa auf der geodätischen Höhe des unteren Speichereservoirs anzuordnen, dh. in großen Tiefen von vielen 100 m. Entsprechen aufwendig ist die Herstellung und Wartung und der Betrieb, gleichzeitig sind Unfallrisiken wie in einem Bergwerk zu beachten.
Ziel der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist es, ein unterirdisches PSKW zu realisieren, welches die oberirdische oder oberflächennahe Anordnung der Maschinenräume erlaubt.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch realisiert, dass das zwischen oberem und unterem Speicherreservoir wechselnde Pumpmedium in einem geschlossenen Flüssigkeitskreis geführt wird.
In der bevorzugten Anordnung gemäß 3 besteht das PSKW aus einem oberen Reservoir (1) und einem unteren Reservoir (2), die als Salzstockkavernen ausgebildet und über einen Verbindungskanal (23) miteinander verbunden sind. Beide Kavernen sind über Kanalschächte (24) und (25) mit der oberirdisch angeordneten Pumpen-Turbinen-Einheit (26) verbunden, die mechanisch mit der als Motor oder Generator laufenden elektrischen Maschine (27) gekoppelt ist.
Das gesamte Flüssigkeitsvolumen ist zu etwa gleichen Teilen auf ein schweres Medium (28) und ein leichtes Medium (29) aufgeteilt.
Bei geöffnetem Kreislauf und ohne Betrieb der Pumpen-Turbinen-Einheit (26) befindet sich das schwere Medium im unteren Reservoir (2), das leichte Medium füllt das obere Reservoir (1). Durch eine Hilfspumpe (30) und einen Druckregler (31) wird ein Mindestdruck auf der Ansaugseite der Pumpe erzeugt. Dies ist der Leerzustand des PSKW.
Im Pumpbetrieb wird das leichte Medium (29) in den Kanalschacht (25) gedrückt, der mit dem unteren Reservoir (2) verbindet. Das schwere Medium (28) im unteren Reservoir wird verdrängt und fließt über den Verbindungskanal (23) in das obere Reservoir (1). Die maximale Energie ist gespeichert, wenn das obere Reservoir (1) ganz mit dem schweren Medium (28) gefüllt ist.
3 zeigt den halb gefüllten Zustand des PSKW.
Zum Abfangen von Druckstößen im Betrieb des PSKW ist eine Überdruck-Ventileinheit (32) vorgesehen, die bei Überschreitung eines Grenzwertes einen Bypass zur Pumpen Turbineneinheit (26) öffnet.
Die speicherbare Energiemenge ergibt sich aus Kavernenvolumen, Höhendifferenz der Kavernen und der Differenz der spezifischen Massen von schwerem und leichtem Pumpmedium.
Kavernen werden heute in großem Umfang in Salzstöcken als Speicher für Erdgas, Rohöl und Mineralölprodukte betrieben. Im leeren Zustand sind diese Kavernen mit gesättigter Salzsole gefüllt, die bei der Befüllung über Druckpumpen durch das zu speichernde Medium ausgetrieben und oberirdisch gelagert oder entsorgt wird.
Es bietet sich an, ein PSKW der beschriebenen Art in Salzstöcken anzulegen und als schweres Pumpmedium Salzsole mit der spezifischen Masse von ca. 1,25 to/m³ und als leichtes Pumpmedium Mineralöl mit spezifischen Massen zwischen ca 0,5 (Propan) und 0,8 (Dieselöl) to/m³ einzusetzen.
Die Massendifferenz von bis zu 0,7 to/m³ wäre so für die Energiespeicherung nutzbar.
Weiterhin bietet sich an, Vorkehrungen zu treffen, welche die Entnahme der als leichtes Pumpmedium eingesetzten erheblichen Mineralölmenge im Krisenfall ermöglichen.
Damit wäre diese Menge der vorgeschriebenen Krisenbevorratung zuzurechnen, womit wiederum die Wirtschaftlichkeit des PSKW verbessert würde.
Dafür ist ein Entnahmeventil (33) im oberirdischen Bereich des Kanalschachtes (24) vorgesehen. Weiterhin ist eine Pumpeinheit (34) realisiert, die aus einem nicht dargestellten Reservoir Sole in die Leitung (35) pumpt, welche in den oberen Bereich des Verbindungskanals (23) einmündet.
Für den Fall der Verwendung von Flüssiggas als leichtes Medium (29) ist der durch die Hilfspumpe (30) und Druckregler (31) einzustellende Mindestdruck im Flüssigkeitskreislauf auf mehr als 8 bar einzustellen, um eine Gasbildung zu verhindern.

Claims

Pumpspeicherkraftwerk (PSKW) mit einem oberen Reservoir und einem unteren Reservoir, welche über eine oder mehrere Pumpeneinheiten und eine oder mehrere Turbineneinheiten oder eine oder mehrere Pumpen-Turbineneinheiten für das flüssige Speichermedium miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere untere Reservoirs unterirdisch in einem Salzstock angeordnet sind.
PSKW nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als oberes Reservoir ein natürliches Gewässer, oberflächliches Überflutungsareal oder Behältersystem verwendet wird.
PSKW nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere obere Reservoirs unterirdisch in einem Salzstock angeordnet sind.
PSKW nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reservoirs mit einer wasserabweisenden oder wasserdichten Auskleidung versehen sind.
PSKW nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterirdisches Reservoir als Stollenfeld ausgebildet ist.
PSKW nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Sole oder flüssige Kohlenwasserstoffe als Pumpmedium verwendet werden.
PSKW nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Pumpen-Turbineneinheiten oberirdisch oder oberflächennah in einem geschlossenen Flüssigkeitskreislauf angeordnet sind und mindestens 2 flüssige Stoffe mit unterschiedlichen spezifischen Massen enthalten sind.
PSKW nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die verbundenen Speicherräume gegenüber dem atmosphärischen Druck ein abgeschlossenes System bilden und unter einem vom Außendruck abweichenden Druck stehen können.
PSKW nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass gesättigte Salzsole als schwere Flüssigkeit und eine hydrophobe Flüssigkeit als leichte Flüssigkeit eingesetzt wird.
PSKW nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssiggas als leichte Flüssigkeit eingesetzt wird.