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Die Erfindung betrifft ein Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-System bzw. ein Verfahren für ein Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-System, bestehend aus Niederdruckspeicher, Ladepumpe, Hochdruckspeicher, Verdichter und Hochdruck-Energiekonverter, wobei die Ladepumpe saugseitig mit dem Niederdruckspeicher und druckseitig mit einem Hochdruckspeicher, der eine Wasserphase und eine Gasphase enthält, verbunden ist, wobei der Hochdruckspeicher aus mindestens einem Druckbehälter gebildet wird und die gleiche Funktion hat, wie das üblicherweise auf einem Berg liegende Oberbecken eines Pumpspeicherkraftwerks. Die Stromerzeugung erfolgt über einen Hochdruck-Energiekonverter, der aus einem druckfesten Energiekonverter-Gehäuse, einer Hochdruck Freistrahl-Wasserturbine mit Wasserturbinen-Generator, einer Druckwasserzuleitung, mindestens einer Absperr- und Regelarmatur, einer Gasphasen-Leitung sowie einer Ablaufleitung besteht.
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Es ist vorgesehen, den Erfindungsgegenstand als Regelkraftwerk zum Ausgleich des stark schwankenden Leistungsangebotes aus Erneuerbaren Energien wie Windparks und Photovoltaikanlagen einzusetzen, und um die Grundlast-Versorgungslücke, die sich aus dem Abschalten von Atom- und Kohlekraftwerken ergibt, zu kompensieren. Bei der Speicherbeladung fördert die in der Regel aus Überschuss-Strom gespeiste Ladepumpe Wasser unter zunehmendem Druck in den Hochdruckspeicher, in dem sich ein durch Verdichter vorkomprimiertes Gas befindet. Dieses wird durch den Pumpvorgang weiter komprimiert, wobei der Energieinhalt des Hochdruckspeichers zunimmt. Bei der Speicherentladung wandeln Hochdruck-Energiekonverter, bestehend aus druckfesten Energiekonverter-Gehäusen und Hochdruck-Freistrahl-Wasserturbinen (zweckmäßigerweise Peltonturbinen), und damit verbundene Wasserturbinen-Generatoren, die in den Hochdruckspeichern gespeicherte Energie in Strom um.
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Durch Verwendung von Hochdruckspeichern anstelle von hochgelegenen Oberbecken wie bei herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerken, kann der Erfindungsgegenstand ortsunabhängig errichtet werden. Im Gegensatz zu einem konventionellen Pumpspeicherkraftwerk kann der Erfindungsgegenstand ohne Landschaftsverbrauch im Bereich von Stromtrassen sowie in Windparks und in Photovoltaikanlagen (PV) integriert werden, um erzeugten Überschuss-Strom direkt vor Ort ohne Durchleitungsverluste aufzunehmen und bei Bedarf wieder abzugeben, der anderweitig nur mit technischen und wirtschaftlichen Verlusten abgesetzt werden kann. Ebenso entfällt die Zahlung von Durchleitungsentgelten, da kein fremdes Leitungsnetz genutzt werden muss. Darüber hinaus bestehen im Hochdruck-Energiekonverter Schnittstellen zu anderen Prozessen, wie zu regenerativen Wärmekraftwerken oder industriellen Prozessen, wie der Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff. Zum Aufbau sehr großer Energiespeicherkapazitäten, auch über längere Zeiträume als bei heutigen Pumpspeicherkraftwerken üblich, ist vorgesehen, den Erfindungsgegenstand in stillzulegende Braunkohlereviere einzubauen, bei denen gegebenenfalls vorhandene großvolumige Vertiefungen sich von selbst mit Regenwasser füllen und einen Niederdruckspeicher bilden.
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Pumpspeicherkraftwerke sind seit Jahrzehnten hinlänglich aus der Praxis - insbesondere zur Speicherung von Nachtstrom aus Kernkraftwerken - bekannt. Aufgrund des starken Anstiegs der installierten Leistung aus Windkraftanlagen und PV-Anlagen sind die vorhandenen Pumpspeicherkraftwerke bereits heute bei weitem nicht mehr ausreichend, um den Speicherbedarf für eine gesicherte Stromerzeugung insbesondere nach dem geplanten Abschalten von Atom- und Kohlekraftwerken zu decken. Darüber hinaus befinden sich Pumpspeicherkraftwerke vorwiegend in Bergregionen, während PV-Anlagen und Windparks vorwiegend im Flachland oder letztere mit steigender Tendenz als Offshore Windparks vor den Küsten errichtet werden. Der Stromtransport zu den Pumpspeicherkraftwerken hat hohe Leitungsverluste und hohe gesetzlich festgelegte Durchleitungsentgelte zur Folge, die die Wirtschaftlichkeit von einzelnen Pumpspeicherkraftwerken trotz ihrer zunehmenden Bedeutung gefährden.
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Druckluftkraftwerke wie in Huntorf in Niedersachsen sind in Fachkreisen ebenfalls bekannt. Die Anlage nutzt überschüssigen Strom, um in großvolumige, unterirdische Salzkavernen Luft zu pressen. Zur Stromerzeugung leitet man die komprimierte Luft durch Gasturbinen, wobei ein schlechter Zykluswirkungsgrad in Kauf genommen werden muss.
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Weder die installierte Leistung noch die Größe der Speicher von Pumpspeicherkraftwerken und von Druckluftkraftwerken lassen einen Ausgleich der Stromversorgungslücken aus Erneuerbaren Energien (EE) von mehr als ca. 10% des maximalen Leistungsbedarfs für maximal 8 Stunden in Deutschland zu.
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Vor diesem Hintergrund wird die Suche nach neuen, geeigneten Energiespeichertechnologien vorangetrieben. Bei der Diskussion hierüber nimmt die Entwicklung von Batterien einen breiten Raum ein. Batteriesysteme weisen jedoch sehr hohe spezifische Kosten auf und werden aufgrund deren schnellen Reduzierung der Speicherkapazität und geringer Lebensdauer weder technisch noch wirtschaftlich in der Lage sein, diese Aufgabe zu übernehmen und zu nicht vertretbaren Stromerzeugungskosten führen. Die hohe Belastung aus der Subventionierung Erneuerbarer Energien wird sich nochmals deutlich erhöhen. Hinzu kommt, dass für die Herstellung von Batterien ein großer Energieaufwand von 150-200 kWh pro kWh Speicherkapazität erforderlich ist, der zu einer hohen Emission klimaschädlicher Gase, insbesondere CO2 führt. Dies trifft sowohl für stationäre Batterien, wie auch für Fahrzeugbatterien zu. Hinzu kommen zunehmende Bedenken aufgrund hoher Umweltbelastungen bei der Förderung der für Lithium-Ionen-Akkus benötigten Rohstoffe und bei der Entsorgung verbrauchter Batterien sowie wegen Kinderarbeit, die allesamt ethisch zweifelhaft erscheinen.
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Die bekannte und seit 40 Jahren für Großanwendungen beschriebene Wasserstofftechnolgie (Bockris/ Justi: „Wasserstoff die Energie für alle Zeiten“ Udo Pfriemer Verlag 1980) stellt einen wichtigen Baustein für mobile Anwendungen dar und wird deshalb auch seit Juli 2020 von der Bundesregierung gefördert. Für stationäre Anwendungen, insbesondere bei der Herstellung von Wasserstoff aus Überschuss-Strom aus Erneuerbaren Energien und Rückverstromung mittels Gas- und Dampfkraftwerken (GuD) oder Brennstoffzellen, auch Power-to-Gas genannt, innerhalb eines Landes mit guter Netzinfrastruktur ist der geringe Zykluswirkungsgrad von ca. 30-44% (BTGA-AImanach 2014, S. 78 ff.) nicht zielführend gegenüber einem heute üblichen Zykluswirkungsgrad von 75-85% bei Pumpspeicherkraftwerken mit großen Fallhöhen.
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Dunkelflauten, also Zeiten ohne nennenswerte Stromerzeugung aus PV-Anlagen und Windparks erstrecken sich über große Zeiträume hinweg - oftmals im Bereich von 20 Stunden und mehr und gelegentlich auch an mehreren aufeinanderfolgenden Tagen. Hierbei kann die in ganz Deutschland abrufbare Leistung aus On- und Offshore Windparks bei weniger als 1% der installierten Windleistung liegen. Dies gilt auch für Zeiten des Spitzenlastbedarfs z.B. im Winter vor Sonnenaufgang oder für den abendlichen Spitzenlastbedarf nach Sonnenuntergang, wenn auch aus PV keine Leistung zur Verfügung steht. Die Grundlast aus Wind und PV zusammengenommen liegt bei weniger als 0,3% der installierten Wind- und PV-Leistung (http://www.agora-energiewende.de/service/aktuelle-stromdaten/stromerzeugung-und-verbrauch; beispielsweise die Daten vom 16.-17.02.2013 bzw. vom 03.-10.04.2019). Mit Stand Ende 2019 stehen somit von ca. 100.000 MW installierter Gesamtleistung aus Windturbinen und PV-Anlagen oftmals weniger als 300 MW - stundenweise sogar weniger als 150 MW - zur Verfügung. Selbst bei einer Erhöhung der Ausbaukapazitäten von Windenergiekonvertern und PV-Anlagen auf das zehnfache der heute installierten Leistung, wäre die quasi gesicherte Leistung aus beiden Quellen zusammen höchstens 1.500 MW, also die Leistung eines Atomkraftwerkblockes. Daher lässt sich die Energiewende ohne Verlängerung der Entladezeit und einer Vervielfachung der heute installierten Energiespeicherkapazität, die bisher vorwiegend aus Pumpspeicherkraftwerken gedeckt wird, nicht bewerkstelligen, da zwischen Sonnenunter- und Sonnenaufgang auch weiterhin keine Leistung aus PV zur Verfügung steht.
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Durch das Abschalten der Atomkraftwerke in Deutschland entsteht bis 2022 eine jährliche Deckungslücke von über 100 TWh bei einer erwarteten gleichzeitigen Steigerung des Gesamtstrombedarfs in Deutschland - insbesondere zur meist nächtlichen Beladung der Batterien von Elektrofahrzeugen - um ca. 100 TWh auf ca. 700 TWh, was mittels planbarer grundlastfähiger Stromerzeugung ausgeglichen werden muss. Die gesicherte Stromversorgung in Deutschland ist nach dem Kohleausstiegsbeschluss in Bundestag und Bundesrat vom 03.Juli 2020 ernsthaft gefährdet, da kein Beschluss zum Ersatz dieser gesicherten Kraftwerkskapazitäten erfolgte. Zwar wird vereinzelt bekannt, dass Gaskraftwerke bzw. Dampf- und Gaskraftwerke die Aufgaben übernehmen sollen. Wie jedoch im Jahr 2019 festgestellt wurde, führen -global betrachtet - auf Erdgas basierte Gaskraftwerke sowie Gas- und Dampfkraftwerke - insbesondere durch Leckagen bei dessen Förderung - zu einer um ca. 40% höheren Klimaschädigung als durch Braunkohlekraftwerke (ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE TAGESFRA-GEN 69. Jg. (2019) Heft 4, S. 21 ff.; „Erdgas: Heute Zukunftsoption - morgen Ausstiegsenergie?“), weshalb mit der gleichen Argumentation wie bei Kohlekraftwerken auch Gaskraftwerke bald abgeschaltet werden müssten.
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Eigene Berechnungen sowie verschiedene Untersuchungen gehen beim Ausstieg aus konventioneller Stromerzeugung davon aus, dass im Engpassfall täglich verfügbare Speicherkapazitäten von deutlich über 1.000 GWh aufgebaut werden müssen, um häufige überregionale Stromausfälle zu vermeiden. Alle deutschen Pumpspeicherkraftwerke zusammengenommen weisen bei einer Gesamtleistung von ca. 6.500 MW jedoch nur eine Speicherkapazität von 38 GWh auf, wobei das größte Pumpspeicherkraftwerk eine Speicherkapazität von 8,5 GWh aufweist (Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Liste von Pumpspeicherkraftwerken). Einerseits wird ein Vielfaches der bestehenden Speicherkapazität und Leistung der derzeit bestehenden Pumpspeicherkraftwerken benötigt, andererseits, gibt es kaum noch Standorte, da diese für einen wirtschaftlichen Betrieb einen großen Höhenunterschied zwischen Unter- und Oberbecken benötigen. Aufgrund dessen und wegen starken Widerstands aus der Bevölkerung ist der Ausbau von Pumpspeicherkraftwerken trotz dringenden Bedarfs quasi zum Erliegen gekommen.
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Aus der
DE 19513817 B4 ist ein Pumpspeicherwerk bekannt, in dem das untere und das obere Speicherbecken in einer bestehenden oder ausgeräumten Braunkohlelagerstätte angeordnet sind. Hierbei lassen sich üblicherweise nur relativ kleine Fallhöhen zwischen 20 und 150 m realisieren, was bei gegebener Speicherkapazität große Volumina und Grundflächen der Speicherbecken erfordert und zu hohen erforderlichen Schluckvolumina der Wasserturbinen führt.
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Dies gilt auch für die
DE 102009005360 A1 , die als Ringwallspeicher bekannt geworden ist.
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In der
WO2013000813A1 bzw.
DE102011106040A1 wird ein Pumpspeicherkraftwerk offengelegt, das einen mechanisch angetriebenen Erzeuger (104, 204, 214, 304, 404) für elektrische Energie aufweist, der bei der Speicherbeladung mit einem druckdicht verschlossenen Hohlraum als Druckerzeuger fungiert, womit es sich hierbei um den Sonderfall einer Pumpturbine handelt. Diese sind jedoch nur für Leistungen zwischen 50 und 500 MW und Fallhöhen bis ca. 700 m geeignet und weisen schlechtere Wirkungsgrade und längere Umschaltzeiten zwischen Pumpen- und Turbinenbetrieb als getrennte Pumpen und Wasserturbinen auf (34. Dresdner Wasserbaukolloquium 2011; Oliver Jansen, Tobias Schöner: Pumpspeicherkraftwerke - Vergleich unterschiedlicher Konzepte; den Regelbedarf der Zukunft zu sichern).
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In der
DE102011013329A1 bzw.
EP2776705A1 wird ein Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerk beschrieben, in dem das übliche Unterbecken durch einen druckfesten Behälter z. B. in Kugelform gebildet wird, der in möglichst großer Tiefe am Meeresboden verankert ist, während das Oberbecken durch das Meer oder einen tiefen See gebildet wird. Bei Überschuss-Strom wird das Wasser aus dem druckfesten Behälter gepumpt, während bei Strombedarf Wasser in diesen einströmt und dabei eine Wasserturbine antreibt. Nachteilig ist, dass diese Ausführung Standorte mit großen Wassertiefen erfordert, die sich in der Regel nur weit entfernt von Verbrauchszentren und von wichtigen Stromtrassen befinden. Da rückwärts laufende Kreiselpumpen als Pumpen-Turbinen vorgesehen sind, ist hierdurch konstruktionsbedingt auch hier die nutzbare Fallhöhe auf ca. 700 m begrenzt. Die Zielgrößen für die Speicherkapazität pro Behälter liegen bei 20 MWh und für die Entladezeiten zwischen 4 und 8 Stunden.(https://forschung-energiespeicher.info/Proiektschaugesamtlisteiproiekt-einzelansicht/95/Kugelpumpspeicher unter Wasser).
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Ein Druckbehälter für ein Mikro-Pumpspeicherkraftwerk wird in
DE 10 2018 000 481 A1 für Drücke bis 15 bar beschrieben. Dies ist insbesondere für Ein- oder Zweifamilienhäuser gedacht.
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In der
DE 10 2012 015 732 B4 ist ein Verfahren zur Kompression eines Speicherfluids beschrieben, um damit z.B. den Kompressor einer fossil befeuerten Gasturbine zu ersetzen.
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Neben der Erzeugung von Wasserstoff an Land wird auch die Erzeugung von Wasserstoff auf dem Meer untersucht. Ein Strom erzeugendes Flettner-Segelschiff mit umgedreht als Turbinen arbeitenden Schiffsschrauben zwecks Erzeugung eines speicherbaren Energieträgers ist aus einer Veröffentlichung bekannt (https://www.forumenergiewende-vorpommern.de/aktuelles/548-schiff-schraubt-strom.html). Obwohl seit ca. 1930 Flettner-Rotoren bekannt sind, haben sie sich nicht durchgesetzt, da sie stets einen Antrieb benötigen und bei Starkwind nicht reffbar sind. Reffbare Segel sind aus der
DE 3702 559 A1 bekannt und für Großschiffe in der
DE 3011 642 C2 ,
3 dargestellt. Damals hat der Erfinder jedoch noch keine Wasserturbinen zur Stromerzeugung bzw. zur Wasserstoffherstellung aufgegriffen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den eingangs genannten Erfindungsgegenstand derart auszubilden, dass sowohl eine Aufstellung im Flachland, unabhängig von besonderen geologischen und meteorologischen Gegebenheiten, wie auch in oder auf Gewässern möglich ist, wobei das Vorhandensein von Gewässern insbesondere die Realisierung großer Leistungen und Speicherkapazitäten vereinfacht. Gleichzeitig sollen unabhängig von den geografischen Gegebenheiten Drücke möglich sein, die den größten heute möglichen Fallhöhen von Wasserturbinen mit ca. 2.000 m bzw. bei 2 Stufen sogar 4.000 m und bei 3 Stufen 6.000 m entsprechen. Der in den Hochdruckspeichern erforderliche maximale Druck liegt entsprechend bei 200 bar, 400 bar bzw. 600 bar. Darüber hinaus sollen die oben beschriebenen Deckungslücken aus PV- und Windstrom ausgeglichen werden und der Energieinhalt des Erfindungsgegenstands einen längeren zusammenhängenden Vollastbetrieb erlauben als bei herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerken. Gleichzeitig soll der Erfindungsgegenstand in Freiland PV-Anlagen und Windparks ohne zusätzlichen Flächenverbrauch integriert werden können. Es soll ebenfalls möglich sein, die Erfindung so zu gestalten, dass diese an das Binnenwassernetz mit einer Gesamtlänge von über 7.000 km allein in Deutschland angeschlossen werden kann, wobei die Nutzung der Infrastruktur bereits vorhandener Standorte thermischer Kraftwerke möglich sein soll. Die Stromerzeugungskosten sollen gemessen an alternativen Verfahren wirtschaftlich sein und im unteren einstelligen €cent/kWh Bereich liegen. Ebenso soll der unterirdische Einbau des Erfindungsgegenstandes entlang vorhandener oder neu zu bauender Hoch- und Höchstspannungsleitungen sowie in Mittel- und Niederspannungsnetze ohne nennenswerten Landschaftsverbrauch möglich sein. Für die Herstellung einer Speicherkapazität von 2 GWh, was der Kapazität eines der größten Pumpspeicherkraftwerke Deutschlands, Schluchseewerk Kavernenkraftwerk Bad Säckingen oder Pumpspeicherwerk Hohenwarte II entspricht, genügt bei Nutzung einer Trassenbreite von 30 m eine Trassenlänge von ca. 23 km. Bei 20 Standorten ergibt sich insgesamt eine Kapazität von 40 GWh, also der Summe aller in Deutschland vorhandenen Pumpspeicherkraftwerke. Die gesamte erforderliche Trassenlänge liegt bei 460 km, was einem Bruchteil der für die Energiewende erforderlichen 3.800 km Trassenlänge entspricht.
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Es ist vorgesehen, dass der Erfindungsgegenstand vom Lastverteiler wie ein Pumpspeicherkraftwerk, jedoch mit deutlich längerer zusammenhängender Betriebsdauer eingesetzt und im Unterschied zu herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerken genau dort errichtet werden kann, wo Überschuss-Strom entsteht, eine gesicherte Stromversorgung eines wichtigen Stromverbrauchers notwendig ist oder anderweitige Netzerfordernisse bestehen, so dass auf eine Netzverstärkung oder auf den Zubau konventioneller Kraftwerkskapazität verzichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung sind Mittel vorgesehen, die eine Speicherbeladung des Hochdruckspeichers unter zunehmendem Druck und eine Speicherentladung bei abnehmendem Druck ermöglichen.
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Ein Merkmal der Erfindung ist, dass diese aus Niederdruckspeicher, Ladepumpe, Hochdruckspeicher, Verdichter und Hochdruck-Energiekonverter besteht, wobei die Ladepumpe saugseitig mit dem Niederdruckspeicher und druckseitig mit dem geschlossenen Hochdruckspeicher verbunden ist, zur Beladung Wasser in diesen unter Zunahme des Behälterdruckes fördert, und der Hochdruckspeicher aus Druckbehältern und verbindenden Rohrleitungen, Armaturen und sicherheitstechnischen und messtechnischen Einrichtungen gebildet wird. Der Hochdruckspeicher enthält eine Wasserphase und eine Gasphase, die beim Beladen komprimiert wird. Es ist ein Verdichter vorgesehen, der ein unteres Druckniveau im Hochdruckspeicher erzeugt und dieses im Verlauf der Zyklen aufrechterhält, um das sich im Wasser lösende Gas zu ersetzen. Zur Stromerzeugung ist mindestens ein Hochdruck-Energiekonverter vorgesehen, der aus einem druckfesten Hochdruck-Energiekonverter-Gehäuse, einer vorzugsweise vertikalachsigen Hochdruck Freistrahl-Wasserturbine mit Wasserturbinen-Generator, einer Druckwasserzuleitung, mindestens einer Absperr- und Regelarmatur, einer Ablaufleitung sowie einer Gasphasen-Leitung besteht.
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Zur Stromerzeugung strömt Wasser aus dem Hochruckspeicher über die Druckwasserzuleitung in den Energiekonverter und treibt die Hochdruck Freistrahl-Wasserturbine mit dem angeschlossenen Wasserturbinen-Generator an. Die Regelung der Leistung erfolgt über die Wasserturbinen Absperr- und Regelarmaturen, die unterschiedliche Drücke aus dem Hochdruckspeicher ausgleichen.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass dieses System bei Energiespeicherung auf sehr hohem Druckniveau mehrstufig ausgeführt ist und dem Hochdruck-Energiekonverter wasserseitig mindestens ein Mitteldruck-Energiekonverter nachgeschaltet ist, wobei dessen Druckwasserzuleitung mit der Ablaufleitung des Hochdruck-Energiekonverters verbunden ist.
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In den Hochdruckspeichern kann je nach Prozessgestaltung sowohl kaltes wie auch heißes Wasser gespeichert sein. Durch die Aufheizung des unter hohem Druck stehenden Wassers wird die spezifische Energiespeicherkapazität deutlich erhöht.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Kopplung mit einer Dampfturbinenanlage vorgesehen, wobei mindestens ein Elektroerhitzer für die Erhitzung des Inhalts des Hochdruckspeichers vorgesehen ist, und der Hochdruck-Energiekonverter zur Abführung des im Hochdruck Energiekonverter-Gehäuses bei der Entspannung des heißen Wassers entstehenden Dampfes eine am Hochdruck Energiekonverter-Gehäuse anschließende Gasphasen-Leitung mit Gasphasen-Absperrarmatur umfasst, und dampfseitig dem Hochdruck-Energiekonverter und dem Mitteldruck-Energiekonverter ein Dampfüberhitzer mit einem Hochtemperatur-Wärmespeicher und mindestens einem Hochtemperatur-Elektro-Erhitzer nachgeschaltet sind, wobei der Hochdruck-Energiekonverter mit der Hochdruck Dampfturbine und der Mitteldruck-Energiekonverter mit der Niederdruck Dampfturbine der Dampfturbinenanlage verbunden sind und wasserseitig den Energiekonvertern ein Wärmeauskopplungssystem zur Fernwärmeversorgung nachgeschaltet ist.
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Befindet sich heißes Wasser in den Hochdruckspeichern, wird das in die Freistrahl-Wasserturbine eintretende Wasser entspannt und teilweise in Dampf umgewandelt, mit dem eine Dampfturbinenanlage angetrieben wird. Im Rahmen des Ausstiegs aus der Kohleverstromung ist es sinnvoll, dass Dampfzustände von vorhandenen Braunkohle- oder Steinkohlekraftwerken erreicht werden, um diese ohne Verbrennung von Kohle weiterhin als Wärmespeicherkraftwerke mit bestehenden Dampfturbinenanlagen betreiben zu können.
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Durch den hohen Wirkungsgrad von Freistrahl-Wasserturbinen von über 90% lassen sich mit dem Erfindungsgegenstand Zykluswirkungsgrade von 75-85% und im Falle der Kombination mit Wärmspeicherkraftwerken Zykluswirkungsgrade zwischen 60% und 80% erzielen. Dies liegt deutlich über den Zykluswirkungsgraden von bekannten auf grünem Wasserstoff basierenden Prozessen von ca. 30% bis 40%, von Kohlekraftwerken mit 38% bis 46 % oder von Atomkraftwerken von ca. 30%-40%. Zur Erzielung möglichst hoher Jahreswirkungsgrade und um Kohlekraftwerke ohne Verbrennung von Kohle und Atomkraftwerke ohne den Einsatz radioaktiver Brennelemente umweltfreundlich als Wärmespeicherkraftwerke mit den bestehenden Dampfturbinenanlagen weiterhin betreiben zu können, ist es vorteilhaft, bei Vorhandensein von Überschuss-Strom die Beladepumpe zur Beladung des Hochdruckspeichers mit Priorität A, den Elektroerhitzer mit Priorität B und den Hochtemperatur-Elektro-Erhitzer mit Priorität C elektrisch zuzuschalten. Hieraus ergibt sich, dass die Freistrahl-Wasserturbine mit dem höchsten Wirkungsgrad mit einer höheren Jahresbetriebszeit als die Dampfturbinenanlage betrieben wird.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dieses System zur Aufnahme von Überschuss-Strom und zur Erzeugung von regelbarem Strom vorzugsweise in ein stillzulegendes Braunkohlerevier, in ein vorhandenes thermisches Kraftwerk, einen Windpark bzw. in eine Photovoltaikanlage integriert ist und an jedem beliebigen Punkt des Stromnetzes an dieses angeschlossen bzw. bei einem Stromkunden aufgestellt werden kann, um eine gesicherte Stromversorgung über Stunden bzw. Tage sicherzustellen und dass der Hochdruckspeicher unterirdisch, oberirdisch oder in bzw. auf einem Gewässer angeordnet sein kann, und der Niederdruckspeicher aus einem stehenden oder fließenden natürlichem oder Gewässer oder künstlichem Becken oder einem geschlossenen Kanal oder Behälter gebildet wird, wobei bei größeren Durchflussmengen mindestens einer Ladepumpe vorzugsweise in mindestens einer Wasserkammer eine Grobrechenstufe und eine Feinrechenstufe vorgeschaltet sind und bei kleineren Durchflussmengen jeder Ladepumpe mindestens eine Filtereinrichtung vorgeschaltet ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind bei Integration in Photovoltaikanlagen zum Anschluss an die Gleichstromausgänge der PV-Module Ladepumpen Gleichstrom-Motoren zum Antrieb der Ladepumpen vorgesehen.
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Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, dass dieses System eine oder mehrere Ladestationen für Elektrofahrzeuge aufweist und im Fall, dass Wasserstoff die Wasserstoff-Gasphase bildet und zum Teil in der Wasserphase gelöst ist, eine oder mehrere Wasserstoff-Zapfsäulen für Land-, Luft- und Wasserfahrzeuge aufweisen kann.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Wasserstofftankschiff als transportabler Energiespeicher mit Hochdruckspeicher, Großsegeln und Fahrströmungs-Wasserturbinen ausgestattet ist, wobei der Wasserstoff teilweise gasförmig in der Wasserstoff-Gasphase enthalten ist, von dem während der Druckzunahme beim Beladevorgang ein zunehmender Anteil in der Wasserphase gelöst wird, und die Fahrströmungs-Wasserturbinen während der Fahrt unter Segeln Strom zum Betrieb von Ladepumpen und von Elektrolyseanlagen erzeugen, um den Ladezustand des Hochdruckspeichers zu erhöhen, wobei die Großsegel reffbar sind und auch im teilgerefften Zustand ein hohes Verhältnis von Vortriebskraft und Querkraft aufweisen und an Deck Wasserstoff-Zapfsäulen und eine Landebahn für Wasserstoff-Flugzeuge vorgesehen sind und mindestens eine Ladepumpe für die Speicherbeladung des Wasserstofftankschiffs mittels eines Energie-Beladeterminals an einem Ort mit hohem Stromangebot, insbesondere bei Solarkraftwerken und Windparks mit nachgeschalteten Elektrolyseeinrichtungen errichtet ist und in einem Land mit Energieimportbedarf Energie-Entladeterminal mit mindestens einem Hochdruckspeicher, mindestens einem Hochdruck-Energiekonverter und einer Wasserstoffentnahmevorrichtung, vorzugsweise an einer Offshore-Konstruktion, wie z.B. einem Offshore-Windpark installiert ist. Hiermit wird eine transkontinentale Wasserstoffwirtschaft unterstützt, mit dem Vorteil, dass durch das bei hohem Druck gespeicherte Wasser in Kombination mit gasförmigem und im Wasser gelöstem Wasserstoff gegenüber reinem Wasserstoff ein erheblich höherer Zykluswirkungsgrad erreicht wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Hochdruckspeicher als Transportleitungen ausgebildet sind, die vorzugsweise eine Wasserstoff-Gasphase aufweisen, und mit lokalen erfindungsgemäßen Vorrichtungen bei Energie-Terminals, Kraftwerken, großen PV-Anlagen, Windparks, Hochspannungsstromtrassen und Stromkunden verbunden sind und nach dem Prinzip kommunizierender Röhren Energieangebot und Energiebedarf ausgleichen und die Speicherkapazität lokaler Hochdruckspeicher vergrößern und die Stromnetze dadurch entlasten.
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In einem Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass insbesondere bei Vorhandensein von Überschuss-Strom während des Beladevorgangs mittels einer Ladepumpe Wasser aus einem Niederdruckspeicher in einen geschlossenen Hochdruckspeicher mit einer Wasserphase und einer Gasphase unter zunehmendem Druck und Komprimieren der Gasphase gefördert wird und während des Entladungsvorgangs unter abnehmendem Druck ein Hochdruck-Energiekonverter mittels einer Hochdruck-Freistrahl-Wasserturbine und daran angekoppeltem Wasserturbinen-Generator Strom erzeugt, wobei der im Hochdruckspeicher abnehmende Druck durch gestaffelte Öffnung mehrerer Wasserturbinen Absperr- und Regelarmaturen und der Regelung des Wasserturbinen-Generators ausgeglichen wird, so dass der Leistungsbereich der Hochdruck-Freistrahl-Wasserturbine während der gesamten Entladedauer weitestgehend genutzt werden kann. Es ist vorgesehen, dass über einen Hochdruck-Energiekonverter ein hydraulisches Speicherverfahren mit einer Dampfturbinenanlage gekoppelt wird und der Inhalt des Hochdruckspeichers vorzugsweise durch Elektroerhitzer erhitzt wird und der bei der Entspannung des in den Hochdruck-Energiekonverter und in den Niederdruck-Energiekonverter eintretenden heißen Wassers entstehende Dampf mittels dampfseitig dem Hochdruck-Energiekonverter nachgeschalteten, mit Hochtemperatur-Elektro-Erhitzern und Hochtemperatur-Wärmespeichern verbundenen Dampfüberhitzer Dampfzustände von vorhandenen Braunkohle- oder Steinkohlekraftwerken erreicht werden, um diese ohne Verbrennung von Kohle umweltfreundlich als hybride Pump- und Wärmespeicherkraftwerke mit den bestehenden Dampfturbinenanlagen weiterhin betreiben zu können und zur Erzielung hoher Jahreswirkungsgrade bei Vorhandensein von Überschuss-Strom die Beladepumpe zur Beladung des Hochdruckspeichers mit Priorität A, der Elektroerhitzer mit Priorität B und der Hochtemperatur Elektro-Erhitzer mit Priorität C elektrisch zugeschaltet werden.
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Weiterhin ist in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass dieses System insbesondere bei Verwendung von Wasserstoff als Gasphase mit einer Gas- und Dampfturbinenanlage, einem Brennstoffzellensystem bzw. mit einem stationären oder mobilen Transportsystem für Wasserstoff gekoppelt wird.
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Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass insbesondere für ein transkontinentales Wasserstoffsystem die Beladung des Hochdruckspeichers in einem Energie-Beladeterminal und dessen Entladung in einem Energie-Entladeterminal räumlich voneinander getrennt sind und im Wesentlichen ein mobiler Hochdruckspeicher gemäß der Erfindung diese verbindet und mit einer Wasserphase und einer Gasphase aus Wasserstoff zum Transport von Energie mit Wasserstofftankschiffen ausgestattet ist, wobei vorzugsweise Hochdruck-Energiekonverter und Mitteldruck-Energiekonverter die unter hohem Druck gespeicherte Wasserphase zu regelbarem Strom umwandeln und der Wasserstoff vorzugsweise über Transportleitungen zu Verbrauchern wie Flughäfen, Chemieunternehmen und Stahlindustrie transportiert wird.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Es zeigen:
- 1 das Fließbild einer erfindungsgemäßen Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-Systems bzw. des Verfahrens eines Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-Systems mit den wesentlichen Komponenten wie einem Niederdruckspeicher, einer Beladepumpe, einem Hochdruckspeicher, einem Verdichter, einem Hochdruck Energiekonverter
- 2 das Fließbild einer erfindungsgemäßen Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-Systems bzw. des Verfahrens eines Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-Systems mit einem geschlossenen Niederdruckspeicher, mit einem Elektroerhitzer zur thermischen Aufladung eines Hochdruckspeichers, einem Hochdruck-Energiekonverter, einem Mitteldruck-Energiekonverter, einem Dampfüberhitzer, einem Hochtemperatur-Wärmespeicher mit einem Hochtemperatur Elektro-Erhitzer, einer Dampfturbinenanlage und einem Wärmeauskopplungssystem
- 3 den Schnitt eines erfindungsgemäßen Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-Systems bzw. das Verfahren eines Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-Systems mit einem Niederdruckspeicher, einer Beladepumpe, einem Hochdruckspeicher, einem Hochdruck Energiekonverter und einer Photovoltaikanlage
- 4 den Schnitt eines erfindungsgemäßen Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-Systems bzw. das Verfahren eines Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-Systems zum Speichern von großen Energiemengen mit einem Niederdruckspeicher, einer Grobrechenstufe, einer Feinrechenstufe, einer Beladepumpe, einem unterirdisch und einem innerhalb des Niederdruckspeichers angeordneten Hochdruckspeicher und einem Hochdruck Energiekonverter
- 5 das Fließbild eines erfindungsgemäßen Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-Systems bzw. des Verfahrens eines Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-Systems mit einem geschlossenen System zur Erzeugung, Speicherung sowie Be- und Entladung von Wasserstoff und Strom
6 den Schnitt eines erfindungsgemäßen Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-Systems bzw. des Verfahrens eines Hochdruck-Pumpspeicherkraftwerk-Systems mit einem Niederdruckspeicher, einer Batterie von Druckrohren sowie Wasserstoff- und Elektroladesäulen
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Wie aus 1 zu entnehmen ist, sieht die Erfindung vor, dass die Ladepumpe (2) mittels Überschuss-Strom Wasser aus dem Niederdruckspeicher (1) unter zunehmendem Druck in die Druckrohre (4a) des Hochdruckspeichers (4) fördert, wobei die Wasserphase (4b) hierbei einen zunehmenden Volumenanteil einnimmt und die Gasphase (4c) komprimiert wird. Mit dem Verdichter (5) wird zunächst bei Inbetriebnahme des Erfindungsgegenstands der vorgesehene Mindestdruck aufgebaut und während folgender Be- und Entladezyklen aufrechterhalten. Beim Entladevorgang strömt das Wasser aus dem Hochdruckspeicher (4) in den Hochdruck-Energiekonverter (6) und treibt die Hochdruck Freistrahl-Wasserturbine (6b) mit vertikaler Achse und den angekoppelten Wasserturbinen-Generator (6c) zur Stromerzeugung an. Die Wasserzuführung zum Hochdruck-Energiekonverter (6) erfolgt über eine mit dem druckfesten Energiekonverter-Gehäuse (6a) verbundene Druckwasserzuleitung (6d), wobei mindestens eine Absperr- und Regelarmatur (6e) den Durchfluss und damit die Leistung des Hochdruck-Energiekonverters (6) regelt. Zum Druckausgleich der bei der Entspannung freiwerdender Gase ist eine Gasphasen-Leitung (6g) mit einer Gasphasen-Absperrarmatur (6h) im oberen Bereich des Energiekonverter-Gehäuses (6a) vorgesehen. Zur Rückführung des aus dem Energiekonverter-Gehäuse (6a) austretenden Wassers in den Niederdruckspeicher (1) ist eine Ablaufleitung (6f) im unteren Bereich des Energiekonverter-Gehäuses (6a) angebracht.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, sieht die Erfindung vor, dass der Niederdruckspeicher (1) eine geschlossene Form aufweist und die Ladepumpe (2) Wasser unter zunehmendem Druck in den Hochdruckspeicher (4) fördert, und der Elektroerhitzer (3) für die Erhitzung des Inhalts des Hochdruckspeichers (4) vorgesehen ist. Das je nach Betriebszustand kalte oder erhitzte Wasser treibt nach Durchströmen der Absperr- und Regelarmatur (6e) die Hochdruck-Freistrahl-Wasserturbine (6b) und den damit verbundenen Wasserturbinen-Generator (6c) zur Stromerzeugung an. Dort wird im Fall von erhitztem Wasser durch Entspannungsverdampfung ein Teil des Wassers in Dampf umgewandelt, der über die Gasphasen-Leitung (6g) mit Gasphasen-Absperrarmatur (6h) den Dampfüberhitzer (11) durchströmt, und als überhitzter Dampf zunächst die Hochdruck Dampfturbine (8a) and nach weiterer Zwischenüberhitzung die Mitteldruck Dampfturbine (8b) der Dampfturbinenanlage (8) mit Dampfturbinen-Generator (8d) antreibt, wonach er die Niederdruck Dampfturbine (8c) durchströmt und im Kondensator (9) kondensiert. Das aus dem Hochdruck-Energiekonverter (6) austretende teilentspannte Wasser tritt über die Ablaufleitung (6f) in den Mitteldruck-Energiekonverter (7) ein, treibt dort die Mitteldruck-Freistrahl-Wasserturbine (7b) zur Stromerzeugung an und wird anschließend durch die Rückführpumpe (14) durch das Wärmeauskopplungssystem (10) gefördert, wo es seine Restwärme für Fernwärmezwecke abführt, bevor es in den Niederdruckspeicher (1) zurückgeführt wird. Im Mitteldruck-Energiekonverter (7) entsteht ebenfalls Dampf, der nach Durchströmen des Dampfüberhitzers (11) der Niederdruck-Dampfturbine (8c) der Dampfturbinenanlage (8) zugeführt wird. Es ist vorgesehen, dass während eines Ladezyklus der Überschuss-Strom mit Priorität A zunächst zur Erhöhung des Druckes mittels der Ladepumpe (2) im Hochdruckspeicher (4) verwendet wird, wobei zumindest die Absperr- und Regelarmatur (6e) geschlossen ist. Bei Vorhandensein von extrem viel Überschuss-Strom werden der Elektroerhitzer mit Priorität B und der Hochtemperatur Elektro-Erhitzer mit Priorität C elektrisch zugeschaltet.
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3 zeigt den Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Energie mit einer Photovoltaikanlage, wobei der Niederdruckspeicher (1) in Form eines Kanals bzw. eines Rohres platzsparend unterirdisch angeordnet ist. Die Ladepumpe (2) ist saugseitig mit der Filtereinrichtung (1d) sowie mit dem Niederdruckspeicher (1) und druckseitig über die Beladeleitung (2a) mit dem Hochdruckspeicher (4) verbunden, welcher platzsparend unterhalb der Photovoltaik-Module (15a) der Photovoltaikanlage (15) teils unterirdisch und teils oberirdisch angeordnet ist. Erkennbar ist der an die Gleichstromausgänge der PV-Module ohne zwischengeschalteten Wechselrichter angeschlossenen Gleichstrom-Motor (2b) zum Antrieb der Ladepumpe (2). Dadurch entfällt die mit Wirkungsgradverlusten behaftete Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom. Der Hochdruckspeicher (4) ist durch die Druckwasserzuleitung (6d) mit dem Hochdruck-Energiekonverter (6) verbunden. In diesem Beispiel ist erkennbar, dass die Wasserturbinen Absperr- und Regelarmatur (6e) nur beim Entladevorgang geöffnet bzw. teilgeöffnet ist und die Beladeleitung-Absperrarmatur (2c) nur beim Beladevorgang geöffnet ist. Zur Vereinfachung ist nur eine Wasserturbinen Absperr- und Regelarmatur (6e) dargestellt.
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In 4 ist der Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Energie erkennbar, wobei der Niederdruckspeicher (1) durch ein stehendes oder fließendes Gewässer gebildet wird. Zur Reinigung des Rohwassers sind eine Grobrechenstufe (1b) sowie eine Feinrechenstufe (1c) vorgesehen, die in einer Wasserkammer (1a) eingebaut sind. Nach Durchlaufen des Beladevorgangs mit Hilfe der Ladepumpe (2) und des Hochdruckspeichers (4) erfolgt die Entladung mittels des Hochdruck-Energiekonverters (6). Über die Ablaufleitung (6f) wird das Wasser wieder in den Niederdruckspeicher (1) zurückgeführt. Insbesondere für Leistungen von mehreren hundert bis zu mehreren tausend MW - insbesondere an Standorten von bestehenden oder stillzulegenden Kohlekraftwerken oder Atomkraftwerken - ist diese Ausführungsform vorteilhaft, da zum großen Teil die Infrastruktur vorhanden ist.
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Wie aus 5 ersichtlich ist, sieht die Erfindung in einer Ausführung zur Speicherung von Wasserstoff und Strom vor, dass der Niederdruckspeicher (1) eine geschlossene Form aufweist und die Ladepumpe (2) Wasser unter zunehmendem Druck in den Hochdruckspeicher (4) fördert. Die Wasserstoff-Gasphase (4ca) wird in einer Wasserstoff-Elektrolyseanlage (16) erzeugt und mittels Verdichter (5) komprimiert und dem Hochdruckspeicher (4) zugeführt. Hieraus erfolgt die Versorgung der Wasserstoff-Zapfsäule (18) zum Betanken von WasserstoffFahrzeugen aller Art bzw. von mobilen Wasserstoffspeichern. Die Ladestation für Elektrofahrzeuge (19) wird insbesondere in Zeiten hoher Nachfrage von im Hochdruck-Energiekonverter (6) erzeugtem Strom versorgt.
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6 zeigt den Schnitt einer Ausführungsform zum Speichern von Energie und Beladen von Wasserstoff- und Elektrofahrzeugen, die in eine Tankstelle oder einen Carport integriert ist, wobei der Hochdruckspeicher (4) aus mehreren Batterien von Druckrohren (4a) gebildet wird, die platzsparend in die Tankstelle bzw. den Carport integriert sind. Ebenfalls erkennbar sind die WasserstoffZapfsäulen (18) und die Ladestationen für Elektrofahrzeuge (19) sowie eine Photovoltaikanlage (15).
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Bezugszeichenliste
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- (1)
- Niederdruckspeicher
- (1a)
- Wasserkammer
- (1b)
- Grobrechenstufe
- (1c)
- Feinrechenstufe
- (1d)
- Filtereinrichtung
- (2)
- Ladepumpe
- (2a)
- Beladeleitung
- (2b)
- Ladepumpen Gleichstrom-Motor
- (2c)
- Beladeleitung-Absperrarmatur
- (2d)
- Pumpenkammer
- (3)
- Elektroerhitzer
- (4)
- Hochdruckspeicher
- (4a)
- Druckbehälter
- (4b)
- Wasserphase
- (4c)
- Gasphase
- (4ca)
- Wasserstoff-Gasphase
- (5)
- Verdichter
- (6)
- Hochdruck-Energiekonverter
- (6a)
- Hochdruck-Energiekonverter-Gehäuse
- (6b)
- Hochdruck-Freistrahl-Wasserturbine
- (6c)
- Wasserturbinen-Generator
- (6d)
- Druckwasserzuleitung
- (6e)
- Wasserturbinen Absperr- und Regelarmatur
- (6f)
- Ablaufleitung
- (6g)
- Gasphasen-Leitung
- (6h)
- Gasphasen-Absperrarmatur
- (6i)
- Gasphasen-Druckregler
- (7)
- Mitteldruck-Energiekonverter
- (7a)
- Mitteldruck-Energiekonverter-Gehäuse
- (7b)
- Mitteldruck-Freistrahl-Wasserturbine
- (7c)
- Wasserturbinen-Generator
- (7d)
- Druckwasserzuleitung
- (8)
- Dampfturbinenanlage
- (8a)
- Hochdruck-Dampfturbine
- (8b)
- Mitteldruck-Dampfturbine
- (8c)
- Niederdruck-Dampfturbine
- (8d)
- Dampfturbinen-Generator
- (9)
- Kondensator
- (10)
- Wärmeauskopplungssystem
- (11)
- Dampfüberhitzer
- (12)
- Hochtemperatur-Wärmespeicher
- (13)
- Hochtemperatur-Elektro-Erhitzer
- (14)
- Rückführpumpe
- (15)
- Photovoltaikanlage
- (15a)
- Photovoltaik-Modul
- (16)
- Wasserstoff-Elektrolyseanlage
- (17)
- Wasserstoffpendelleitung
- (18)
- Wasserstoff-Zapfsäule
- (19)
- Ladestation für Elektrofahrzeuge
- (20)
- Wasserstofftankschiff
- (21)
- Großsegel
- (22)
- Fahrströmungs-Wasserturbinen
- (23a)
- Energie-Beladeterminal
- (23b)
- Energie-Entladeterminal
- (24)
- Wasserstoffentnahmevorrichtung
- (25)
- Transportleitungen