DE102021004099A1

DE102021004099A1 - Pumpspeicherkraftwerk mit einem von einer Ringstaumauer umschlossenen Speicherbecken

Info

Publication number: DE102021004099A1
Application number: DE102021004099.6A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Luther; Horst Schmidt-Böcking
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2021-11-11

Abstract

Eine Stromversorgung hauptsächlich aus Wind und Photovoltaik erfordert u.a. große Kurzzeitspeicher. Neben Batterien kommen hierfür auch fortschrittliche große Pumpspeicherkraftwerke mit einem hohen Pegelhub in einem der Speicherbecken, z.B. einem durch eine geschlossen Ringstaumauer 3 abgegrenzten hohen Unterbecken 33 innerhalb eines Tagebau-Restsee 0, in Frage.Die Erfindung schlägt als Bodenloch-Speicherraum 37 eine Ausweitung des Speichervolumens in den Boden des Sees vor und ermöglicht eine fast vollständige Ausnutzung des energetischen Potentials des hohen Gesamtbecken 333 durch eine variable und je nach anstehender Druckhöhe gesteuerten Verschaltung mehrerer standardisierter Pumpturbinen, die dann jederzeit alle in verschieden kombinierten Aggregaten zum Einsatz kommen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkraftwerk (PSKW), welches über ein Speicherbecken verfügt, dessen Speicherenergie weniger von seiner Höhenlage, sondern wesentlich von seiner Bauhöhe bestimmt wird.
Eine wichtige Anwendungsmöglichkeit eines derartigen hohen Speicherbeckens ergibt sich als ein von einer Ringstaumauer eingeschlossenes Unterbecken innerhalb eines aufgegebenen Tagebauloches, dessen Restsee als Oberbecken des PSKW dient.
1. Derzeitiger Stand der Technik:
PSKW werden so errichtet, dass ein Wasserkörper über Pumpturbinen zwischen zwei Becken, deren Pegel sich auf unterschiedlichem Höhenniveau befinden, ausgetauscht werden kann. Normalerweise wird die Höhendifferenz der Pegel in Ober- und Unterbecken vor allem durch die Höhenlage des Oberbeckens und weniger aus dem im Betrieb sich ergebenden Pegelhub innerhalb eines Beckens bewirkt. Die Höhenlage des Oberbeckens ergibt sich dabei aus dem Höhenprofil der Landschaft.
So verfügt z.B. das PSKW Goldisthal (/Goldisthal/) als Unterbecken über einen Stausee, der von dem Flüsschen Salza gebildet wird, und das Oberbecken wurde durch einen Wall auf einem Berg, dessen Spitze abgetragen wurde, errichtet. Das mit 1.06 GW leistungsstärkste deutsche PSKW verfügt über eine Nenn - Pegeldifferenz von 302 [m] und eine Pegelschwankung von bis zu 20 [m] im Unterbecken und von etwa bis zu 24 [m] im Oberbecken. Die maximale Höhentoleranz, an die sich die Pumpturbinen anzupassen haben, liegt also bei 44 m , das sind bezogen auf die Nenn-Pegeldifferenz nur +/- 7.3% .
Es gibt jedoch auch Überlegungen, PSKW in einer natürlichen Landschaft zu errichten, die von sich aus keinen hinreichend großen Höhen- Unterschied aufweist. Dazu wird beispielsweise in dem „Projekt Ringwallspeicher“ (/Popp 2009/) , das von Mathias Popp über viele Jahre ausgearbeitet (/Popp 2021/) wurde, ein innen liegendes hohes Oberbecken als Ringwall aufgeschüttet, wobei das Material aus dem Aushub des Unterbeckens, welches den Ringwall konzentrisch umgibt und durch seine Abgrabungstiefe a gekennzeichnet ist, gewonnen wird (Bild 1). Ringwallspeicher könnten sowohl an Land als auch in Gewässern und auch in Überganszonen zwischen Land und Gewässern errichtet werden.
Das Konzept des Ringwallspeichers (Bild 1) besitzt jedoch zwei Eigenschaften, deren Abänderung aus unserer Sicht vorteilhaft wäre:

(1) Die Aufschüttung eines Staudammes, der durch sein hohes Gewicht die starke Verschiebekraft des Wasserdruckes neutralisieren muss, führt bei großen Stauhöhen zu gewaltigen Ausmaßen für die Dammbreite. Dies mag bei sehr großen Durchmessern des Ringwalles - in seinem visionären „Projekt Ringwallspeicher“ (/Popp 2021/) rechnet Popp mit einem Durchmesser von ca. 6 km und einer maximalen Höhe von H_max = 235 m - durchaus gerechtfertigt sein; aber bei Ringbecken mit deutlich kleinerem Durchmesser (z.B. nur 1 bis 2 km) wird ein aufgeschütteter Staudamm zu aufwendig. Dies gilt umso mehr, wenn gleichzeitig auch noch eine deutlich größere Höhe verlangt wird.
(2) Der durch den Ringwall eingeschlossenen Wasserkörper, der z.B. als Oberbecken eines PSKW genutzt wird, reicht zwar bis zum Niveau des Unterbeckens herunter, aber seine große Höhe wird zu einem erheblichen Teil nur dafür genutzt, eine für den Pumpturbinensatz geeignete Mindesthöhe für die Pegeldifferenz sicherzustellen. Der Pegelhub dh0 im Oberbecken wird also von vorneherein auf einen kleinen Bereich begrenzt und beschränkt dadurch auch denjenigen Wasserkörper WK0 im Oberbecken, der tatsächlich zur Speicherarbeit herangezogen wird. Die Höhe des unteren Wasserkörpers WKu, der am Austausch der Speicherenergie nicht aktiv teilnimmt, beträgt in (/Popp 2021/) ca. 150 m, während das aktive Austauschvolumen des Wasserkörpers WK0 um die mittlere Pegeldifferenz von 200 m um +/- 35 m (also um 17,5 %) schwankt.

Ziel der Erfindung:

Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, die konzeptionelle Voraussetzungen für ein PSKW zu schaffen, das als Oberbecken einen Tagebau-Restsee nutzt, und dafür ein technisch und wirtschaftlich geeignetes Unterbecken zu konzipieren.

Mit dieser allgemeinen Zielsetzung und/oder mit spezieller Beachtung der Möglichkeiten, die sich aus dem Auslaufen des Braunkohletagebaus und hier insbesondere im größten deutschen Tagebau Hambach (Rheinisches Braunkohlerevier) ergeben, haben im Anschluss an die grundlegende Feststellung von DE19513817 B4 (/Siol 1995/), dass ein aufgelassener Tagebau ein geeigneter Ort für die Errichtung eines PSKW sei, mehrere Autoren Erfindungen und Überlegungen vorgelegt. Der Stand der Technik bis zum Jahre 2019 ist in der Beschreibung zu DE 10 2019 118 725 (/LuSchmB 2019_SeeEi1/) in den Abschnitten „Braunkohletagebau als Standort für PSKW“ und „Unterirdische und Untersee - PSKW“ ausführlich dargestellt worden. Der durch unsere eigenen Patentanmeldungen DE 10 2019 118 725.7 (/Lu-SchmB 2019_SeeEi1/) und DE 10 2019 118 726.5 (/LuSchmB 2019_SeeEi1v/) erweiterte Stand der Technik, der insbesondere die Errichtung von Unterwasser-PSKW (U.PSKW) betrifft, ist in zusammengefasster Form im Kapitel „Stand der Technik“ der Beschreibung zu unserer Patentanmeldung DE 10 2020 002 609 A1 (/LuSchmB 2020_SeeEi2/)) dargelegt worden.
Die Patentanmeldung DE 10 2020 002 609 A1 (/LuSchmB 2020_SeeEi2/) wird wegen Uneinheitlichkeit in zwei Teile aufgespalten. Der unter der ursprünglichen Anmeldenummer weitergeführte Hauptteil umfasst wesentliche Verbesserung zur Konstruktion und zur Statik von Unterwasser-PSKW, in deren Unterbecken Speicherräume sowohl auf der Basis von Hohlkugeln als auch von Hohlprismen zu einem Gesamtköper zusammengefügt werden.
In DE10 2020 111 844 (/LuSchmB 2020_SeeEi3/) wird der Gedanke des modularen Aufbaues des Unterwasser Reservoir weiter ausgeführt und insbesondere auch unter dem Gesichtspunkt eines effektiven und kostengünstigen Herstellungsverfahrens optimiert. Im Hinblick auf die aktuelle Erfindung ist von Bedeutung, dass insbesondere die hexagonalen , aufrechtstehenden Druckbehälter zu einer modularen Anordnung zusammengefügt werden und sowohl die Behälter untereinander als auch die Module über großflächige Kontaktwände aneinander stehen, so dass sich eine günstige Druckleitstruktur zur Übertragung außen anliegender Druckkräfte ergibt.
Der ausgegliederte Teil von DE 10 2020 002 609 A1 (/LuSchmB 2020_SeeEi2/) beschreibt die Idee eines PSKW mit ringförmig geschlossener Staumauer und wird in der aktuellen Patentanmeldung nun in wesentlich erweiterter Form als eigenständige Patentanmeldung vorgelegt.
Man kann vom Stand der Technik ausgehend auf drei verschiedenen Wegen zu dieser erfindungsgemäßen Grundidee gelangen:
(1.) Vom hohen und breiten Unterwasserbecken zur Ringstaumauer
Wir haben uns in DE 10 2020 002 609 A1 (/LuSchmB 2020_SeeEi2/) zunächst eingehend mit hohen Unterwasserbecken beschäftigt. In der Physik ist es eine beliebte Denkmethode, Dinge gedanklich weiter zu skalieren und zu schauen, ob neuartige Erscheinungen und Gebilde bei bestimmten Haltepunkten entstehen. Was passiert, wenn man hohe stockwerkslose Speicherrohre immer höher und in ihrem Durchmesser immer weiter mache?
Beim Dicker- Werden wird es zunächst immer aufwendiger, den riesigen Speicherröhren einen passenden und druckfesten „Deckel“ aufzusetzen. Bei einer weiteren Vergrößerung der Höhe wird es dagegen wiederum einfacher, den Deckel druckfest zu machen, da bei schwindender Überdeckungshöhe mit Seewasser und/oder Abraum der Auflastdruck abnimmt. Der interessante Punkt wird erreicht, wenn die Speicherröhren die Oberfläche des Sees überragen und alle zusammen in einem einzigen großen kreisförmigen Speicher zusammengefasst werden. Was nun entstanden ist kann man auch anders bezeichnen: Eine ringförmig geschlossene Staumauer innerhalb des Restsee, deren Innenraum das Unterbecken und dessen Außenraum das Oberbecken eines Pumpspeicherkraftwerkes darstellt. Wir bezeichnen diese Vollkreis-Staumauer als „Ring-Staumauer“ 3, die das Unterbecken 33 eines PSKW umschließt.
Man kann sich fragen: Warum ist der Vollkreis-Staumauer nicht schon längst Stand der Technik? Die Antwort ist einfach: diese verblüffend einfache Idee taugt nur für tiefe, rundum geschlossen Löcher und nicht zum Aufstauen eines tiefen Tales. Das Loch muss also schon da sein und nicht erst durch den Staudamm aus einem langen Tal geschaffen werden. Genau dies ist aber bei den Tagebaulöchern der Fall.
(2) Vom Tiefschacht zur Ringstaumauer
Auch in DE 10 2011 105 307 /LuSchmB 2011 -Bergei1/ wird eine konzeptionell ähnliche Speicherlösung angesprochen. Hierbei geht es jedoch um bergwerklich erstellte tiefe Schächte mit einem gesonderten Oberbecken, z.B. in einem Fließgewässer (siehe auch DE 10 2014 007 184 A1 ; /LuSchmB 2014 -LangeSaar/), und nicht um Ring-Staumauern in einem See. Die Wände der Speicherschächte nach unserem „Bergei -Patent“ DE 10 2013 019776 B3 (/Lu-SchmB 2013 -Bergei2/) sind nicht von Wasser, sondern von Erdreich umgeben.
(3.) Vom Ringwall zur Ringstaumauer
Das Konzept des Ringwallspeichers nach M. Popp (/Popp 2009/) wurde schon weiter oben dargelegt. Der Weg von diesem Konzept zu dem erfindungsgemäßen Ringmauerspeicher ist aber weit: Der geniale Trick von M. Popp, in einer ebenen Landschaft durch das Ausbaggern eines äußeren Ringbeckens ein Unterbecken und mit dem unmittelbar anschließenden Aufschichten des Aushubs einen Wall zur Umschließung eines Oberbeckens zu schaffen, ist für eine aufgegebene Tagebaugrube nicht vorteilhaft, ja vermutlich gar nicht durchführbar.
Die Idee des Ringwallspeichers zielt zudem auf wesentlich größere PSKW -Speicherkapazitäten ab, wie sie für eine vieltägige Speicherung zur Abdeckung von Dunkelflauten und mehrtägigen Knappheitsperioden notwendig wäre. Wir vertreten hingegen das Zweispeicher-Konzept, nach dem eine vollständige Backup Sicherung der Stromversorgung über Gaskraftwerke erfolgt und die durch PSKW oder große Batteriespeicher vorzuhaltende Kurzzeitspeicherkapazität nur die Aufgabe übernimmt, die Menge des notwendigen Gaseinsatzes, der bei vollendeter Energiewende ja aufwendig und mit starken Verlusten behaftet aus RE erzeugt werden müsste, zu vermindern -z.B. zu halbieren.
Im Kapitel „3.1 Vergleich Ringmauer-Speicher vs. Ringwallspeicher“ zeigen wir, dass sich Ringwallspeicher und Ringmauerspeicher aus physikalisch- technischen Gründen in ihrem Anwendungsgebiet ergänzen.
2. Lösungsansatz
Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, die konzeptionellen Voraussetzungen für ein PSKW zu schaffen, das als Oberbecken einen Tagebau-Restsee nutzt, und dafür ein technisch und wirtschaftlich geeignetes Unterbecken zu entwerfen.
Die erfindungsgemäße Lösung setzt auf ein PSKW, dessen Unterbecken 33 von einer ringförmig geschlossenen Staumauer innerhalb des späteren Restsee gebildet wird und dessen Oberbecken der Restsee selbst darstellt. Wir bezeichnen diese Vollkreis-Staumauer als „Ring-Staumauer“ 3. Bild 2 zeigt einen Querschnitt des Hambacher Lochs (oder eines ähnlichen großen Tagebauloch), in dessen tiefer Abbaurinne, also auf dem gewachsenen Boden, eine ringförmige Staumauer errichtet wurde. Der Durchmesser kann so groß sein, wie die Abbaurinne einschließlich ihrer gleichhohen Umgebung breit ist, also beispielsweise 1 km oder -falls man am Rand noch etwas abgräbt - beispielsweise 1.5 km.
Das Triebwasser wird beispielsweise über ausreichend groß dimensionierte seitliche Zugangsschächte 44 vom Obersee 0 in die am Fuße der Ring-Staumauer befindlichen Turbinen geleitet; das Pumpwasser nimmt den gleichen Weg in der entgegengesetzten Richtung. Die Zugangsschächte 44 müssen nur die seitlich angehäuften oder einzukalkulierenden Abraummassen 12 überragen und den Zugang zu den Pumpturbinen sicher und langfristig freihalten. Sie können also ggfls. auch ziemlich kurz sein; allerdings sollten sie in der Breite großzügig bemessen sein, damit die Strömungsgeschwindigkeit des Speicherwassers klein bleibt und - im Unterschied zu den Verhältnissen in vielen Druckrohren-, der Reibungswiderstand vernachlässigbar gering bleibt.
Bild 3 zeigt die Draufsicht auf den Restsee eines Tagebauloches 300 mit - in diesem Beispiel vier- durch jeweils eine kreisförmige Ring-Staumauer gebildeten Unterbecken 33. Die Spur der Unterbecken markiert den angenommenen Verlauf der tiefen Rinne. Die Staumauern meiden den Bereich des aufgeschütteten bzw. umgelagerten Boden.
Viele Staumauern, insbesondere in engen hohen Tälern, werden als Kreissegmente ausgebildet, deren Ausbuchtungen nach außen in den Stausee hineinragen. Bei diesem schlanken Staumauertyp, z.B. der sogenannten „Bogen- Staumauer“, wird die seitwärtige Druckkraft des Wassers nicht wie bei einer „Gewichts- Staumauer“ durch das große Gewicht der dicken Mauer aufgenommen, sondern elegant durch die gekrümmte Mauer auf die seitliche Verankerung im Berg umgelenkt (genauere Beschreibungen und anschauliche Bilder findet man bei Wikipedia (/Wikipedia ##Bogenstaumauer /). Eine besondere Bauform von Staumauern wird als Bogengewichtsstaumauer (/Wikipedia ##Bogengewichtsstaumauer/) bezeichnet; sie ist eine Mischung aus einer Gewichtsstaumauer und einer Bogenstaumauer. Wir umfassen mit dem allgemeinen Begriff „Staumauer“ alle derartigen Typen. Durch die ringförmige Schließung der Staumauer werden allerdings einige für die Konstruktion von Absperrbauwerken wichtige Gesichtspunkte wie z.B. die Belastung der Talflanke obsolet.
Bei der von uns als Grenzfall aufgezeigten symmetrischen, (mehr oder weniger) kreisförmig geschlossenen Ring-Staumauer hebt sich der seitliche Schiebedruck des Wassers aus Symmetriegründen auf; denn der Wasserpegel im Rundumsee ist ja überall und zu jeder Zeit gleich. Die Staumauer muss nur dicht sein und den Druckunterschied zwischen innen und außen aushalten. Der Boden des inneren Beckens muss, - und das ist nicht anders als an der Talseite der üblichen Staumauern-, dem hohen Wasserdruck des „Grundwassers“ standhalten, das bestrebt ist, sich an Schwachstellen einen „artesischen Brunnen“ zu bahnen. Wichtig ist, dass das Unterbecken als ganzes keinen Auftrieb besitzt und daher auch nicht aufschwimmen kann, denn es ist ja von unten nicht von frei zugänglichem und stark strömungsfähigem Druckwasser umgeben. Bei einem „worst case“ -Dammbruch mag sich das Unterbecken zu einem gigantischen Tosbecken entwickeln, aufschwimmen kann es nicht.
Durch die Ringstaumauer in dem tiefen Hambacher Loch (oder in einem anderen TagebauLoch) entsteht ein sehr hohes Speicherbecken und es kommt darauf an, dass kostengünstig unter Verwendung bisherigere Standard-Pumpturbinen ein großer Pegelhub innerhalb des Unterbeckens 33 genutzt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass je nach anstehendem Druckhöhenbereich die vorhandenen Pumpturbinen zu geeigneten Aggregaten zusammengeschaltet werden, so dass sich die Anforderungen an jede einzelne Pumpturbine zu jeder Zeit in deren Toleranzbereich befindet. Es zeigt sich dass mit Aggregaten, die sich aus der Parallelschaltung von Strängen aus hintereinander geschalteten Pumpturbinen, deren Anzahl sich aus der anstehenden Druckstufe ergibt, diese Aufgabe gelöst werden kann. Dabei kommt man in der Regel mit nur zwei Klassen von Pumpturbinen aus, einer „Standard - Pumpturbine“ mit einer Druckhöhe von H_P und einer „Bruchteil -Pumpturbine“ mit einer Druckhöhe von (H_P* b) und der b - fachen Leistung, wobei das Produkt aus b und der Anzahl M_b der „Bruchteil-Pumpturbinen“ ganzzahlig bleiben muss.
Dieses Verfahren der Variablen Serien-Parallelschaltung von Pumpturbinen ermöglicht sogar eine weitere Steigerung der Bauhöhe des Unterbeckens, die je nach geologischen Verhältnissen erfindungsgemäß durch eine sachgerechte Vertiefung des Bodens des Unterbekkens erreicht werden kann.
3. Grundlegende Eigenschaften
Im Folgenden wollen wir einige grundlegende Eigenschaften der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Ansätze zur Errichtung eines PSKW mit einem durch eine Ringstaumauer gebildeten Speicherbecken betrachten. Weitergehende Ergänzungen und wichtige Detailfragen werden dann noch im Kapitel 5 behandelt.
3.1 Vergleich RM-Speicher vs. U.PSKW und RW-Speicher
Im Folgenden sollen wichtige Eigenschaften der folgenden drei Typen unkonventioneller Speicherbecken
Ringwall-Speicher (RW.Sp)
Ringmauer-Speicher (RM.Sp)
Unterwasser-PSKW (U.PSKW)
aufgrund einfacher physikalischer Zusammenhänge und Maßstäbe herausgearbeitet werden und ihre Einsatzbereiche gegeneinander abgewogen werden.
Zum Ringwall-Speicher (RW.Sp):
Wälle trotzen durch ihr pures Gewicht gegen antreibende Kräfte, die sie wegschieben oder zerreißen möchten. Diese Kräfte sind bei einem Stauwall proportional zur Tiefe H des anstehenden Stauwassers. Daher gilt für die Dicke s des Stauwalles ; $s \sim H$
oder mit einem geeigneten Proportionalitätsfaktor c_W: $s = c_W * H$
Andererseits müssen Böschungen stabil gegen Rutschungen sein. Dies gewährleistet u.a. ein richtig gewählter Böschungswinkel, den man meistens durch den Quotienten aus Höhe h und Breite, also als Steigung m, $m = h / (s / 2)$
angibt. Hierbei ist s/2 die Breite der Böschung. Ein Wall besteht aus zwei Böschungen, an jeder Seite eine, und s ist daher die gesamte Breite des Walles in der Stautiefe H. Hierbei haben wir die Dammkrone als relativ klein angesehen und daher weggelassen.
In seinen Rechnungen benutzte Popp (/Popp 2009/,/Popp 2021/) als Ringwallsteigung den Wert: $m . RW = 1/1,6 = 62,5%;$
was einem Böschungswinkel von 32° entspricht.
Zum Ringmauer-Speicher (RM.Sp) und Vergleich:

Grundsätzlich anders verläuft die Stauhöhenabhängigkeit für die Dicke s einer Staumauer. Die Staumauer hält durch die Festigkeit des Betons zusammen. Die angreifenden Kräfte werden tangential über die seitliche Verankerung an die Auffanglager im Felsgestein weitergegeben. Bei der Ring-Staumauer gibt es keine Schiebekräfte mehr: der Ring ruht frei von Verschiebekräften im See, da die Verschiebungskräfte sich über den geschlossenen Ring gegenseitig aufheben.

Die Festigkeit eines kesselförmigen Gebildes wird durch die Kesselformel beschrieben, die für zylinderförmige Gebilde mit dem Durchmesser D die Tangentialspannung σ_t im Beton angibt: $D / s = 2 * σ_{t} * 1 / p = = 2 * σ_{t} / (H * g * rho_Wasser)$
.wobei g =9.81 [m/s²] die Erdbeschleunigung und rho_Wasser =1000 kg/m³ die Dichte des Wassers bezeichnen.
Zulässig sind diese mechanischen Spannungen σ_t nur, wenn sie von der Festigkeit des Betons, σ_Beton, noch ausgehalten werden, also wenn für die auf den Durchmesser D des zylinderförmigen Hohlkörpers bezogene Wanddicke s gilt: $s/D = \frac{1}{2} * H * (g * rho_Wasser) / σ_{B e t o n}$
Auf der rechten Seite von GI(4) stehen bis auf die Druckhöhe H nur allgemeine und stoffliche Konstanten, die man als c_B zusammenfassen kann: $s/D = c_B*H$
Die Konstante c_B $c_B = \frac{1}{2} * (g * rho_Wasser) /$
lässt sich nur noch über die Betonfestigkeit σ_Beton in einem gewissen Bereich beeinflussen.
Zunächst hat sich die Kesselformel GI(3) für Kessel und auch für große Druckbehälter der Bautechnik bewährt. Für größere Durchmesser wird sie wohl noch eine Weile in gute Näherung gültig bleiben, für gerade Mauern ist sie aber völlig ungeeignet:
Schreiben wir GI(5) in Analogie zu GI(1): $s = (D * H) * c_B$
dann versteht man etwas Fundamentales:

• Die Mauerdicke s hängt also vom Produkt (D*H) ab, und nicht mehr wie beim Ringwall allein von der Höhe H.

Aufwand pro Speichereinheit:

Betrachten wir nämlich in einer festgelegten Höhe H für eine kleine Scheibe der Höhe dh das Verhältnis Nutzen zu Aufwand als Quotient X von gespeicherter Energie zu dem beanspruchten Speichervolumen, , so ergibt sich für den Ringwall zunächst $X_{W a l l} = [Pi() * D * (H * c_w) * dh] / [Pi() * D^{2} * dh]$
und nach dem Kürzen erhält man den volumenspezifischen Aufwand einer niedrigen Ringwallscheibe zu: $X_{W a l l} = [H * c_w] / D$

_RM

X_{R M} = Pi() * D * (D * H * c_B) * dh / Pi() * D^{2} * dH

X_{R M} = H * c_B

Zwei Folgerungen sind wesentlich:

• Bei gleichem Nutzvolumen kann man mit Ringmauern zu gleichen Kosten sowohl viele im Durchmesser kleine als auch wenige große Becken errichten, denn die Kennziffer X_RM enthält ja den Durchmesser D gar nicht mehr
• Bei großen Durchmessern D werden die spezifischen Baukosten für Ringwälle (X_wall) immer günstiger und bei genügend Vorstellungskraft für die Ausmaße irgendwann automatisch zur preiswerteren Alternative.

Aus diesem Grund kommt für eine immer gigantischere Lösung schlussendlich dann nur noch der Ringwall-Speicher infrage, aber darunter verbleibt der Ringmauer-Speicher als die oft preisgünstigere Lösung. Wo diese Grenze liegt, kann nur eine projektbezogenen Kostenschätzung offenbaren, und dabei spielen dann natürlich auch noch viele weitere Faktoren eine Rolle.
Im eng besiedelten Deutschland geben wir dem Ringmauer-Speicher vor allem wegen seiner Möglichkeit, sich kostengünstig in kleinere Einheiten aufspalten zu lassen, gute Chancen. Speziell im „riesigen“ Hambacher Loch ergibt sich für den Ringmauer-Speicher im Vergleich zum Ringwall ein großer Vorteil, weil der aus der Tagebaugeschichte stammende Aushub in loser Schüttung vorliegt und wenig geeignet erscheint, unbehandelt als preiswertes Baumaterial für die Aufschüttung eines sehr hohen Walles einsetzbar zu sein.
Aber dem nun seit 12 Jahren bekannten, visionären Ringwallspeicher verbleibt im Hinblick auf weniger dicht besiedelte geographische Räume vielleicht doch noch eine große Zukunft, und zwar nicht zuletzt auch dank der sprunghaften Verbesserung seiner Wirtschaftlichkeit durch die Technik der „variablen Parallel-Serienschaltung von Pumpturbinen zur Ausschöpfung eines hohen Speicherbeckens“, die in Abschnitt 5 angesprochen wird und in der von uns uns als selbständige Patentanmeldung gleichzeitig eingereichten /LuSchmB 2021_SeeEi5/ detaillierter dargelegt wird.
Veranschaulichung: „Böschungssteigung“ einer Staumauer
Auch für die Ringwallmauer kann man formal so etwas wie eine „Böschungssteigung“ , m.RM , ausrechnen: $m .RM = H / s$
wobei wir die „Böschung“ vollständig auf nur eine Seite der Ringmauer gelegt haben.
Mit GI(5) erhalten wir: $m .RM = H / s = 1 / (D * c_B)$
Für die Materialkonstante c_B wählen wir einen runden Wert für einen einigermaßen hochfesten Beton:
dann ergibt sich nach GI(6) $σ_{Beton} = 50 MPa = 5 * 10^{7} [{N/m}^{2}]$
$c_B = \frac{1}{2} * (g * rho_Wasser) / σ_{Beton} = \frac{1}{2} * 9,81 * 1000 / (5 * 10^{7}) = ca . 10^{- 4} [1 / m]$
und wir erhalten die Steigung der Staumauer zu $m .RM = 10^{4} / D$
, was beispielweise bei D= 1000 m eine Steigung der Mauer von 10 : 1 ergibt.
Die Dicke einer derartigen Staumauer in H=400 m Höhe beträgt also $s = H / m .RM = 400 [m] / 10 = 40 m$
Bei einem extrem hochwertigen Beton von z.B. σ_Beton = 100 MPa entspräche dies sogar nur noch einer Dicke s von 20 m.
Diesen Wert darf man aber nicht mit den Sockelbreiten von ausgeführten Staumauern dieser Höhe vergleichen, da für deren auf dem Boden aufliegenden Fuß auch die Druckfestigkeit des Bodens berücksichtigt werden muss und dabei meist ein breiter „Schuh“ für die Standfläche ausgeführt wird.
Zum Unterwasser PSKW (U.PSKW):

Von den vorgenannten Typen (RW.Sp und RM.Sp), die beide Becken beschreiben, die nach oben offen sind, unterscheidet sich das Unterwasser-PSKW, abgekürzt „U.PSKW“, ( siehe DE 10 2019 118 725 A1 (/LuSchmB 2019_SeeEi1/), DE 10 2020 002 609 A1 (/LuSchmB 2020_SeeEi2/) und DE 10 2020 111 844 A1 (/LuSchmB 2020_SeeEi3/) ) dadurch, dass das Unterbecken ein nach allen Seiten hin abgeschlossener Hohlkörper ist. Das kann unter gewissen Blickrichtungen einen Vorteil bedeuten, allerding kann man aus anderer Sichtweise darin auch große Nachteile erkennen, nämlich:
- Man sieht das U.PSKW von außen nicht, das Unterbecken bleibt „unsichtbar“ in der Tiefe des Obersees verborgen.

Das U.PSKW kann mit einer frei wählbaren Höhe gebaut werden, die sich beispielweise an dem bestehenden relativ engen Toleranzbereich der in herkömmlichen PSKW eingesetzten Pumpturbinen ausrichtet.
Allerdings hat dies jedoch den Nachteil dass der darüberliegende Wasserkörper für die Speicherung ungenutzt bleibt. Dies wiegt deshalb besonders schwer, da nun durch „Variable Parallel-Serienschaltung von Pumpturbinen“ (siehe Abschnitt 5 und /LuSchmB 2021_SeeEi5/ ) eine einfache und effektive Methode zur Ausschöpfung eines hohen Speicherbeckens mit einem einzigen Typ von Pumpturbinen Stand der Technik wird.
Bei einem U.PSKW mit kleiner Bauhöhe wird ein Tiefenbereich ausgenutzt, der pro gespeicherter Energiemenge einen Wasserkörper mit geringerem Arbeitsvolumen erfordert als in darüber liegenden Wasserkörpern. Daraus ergibt sich dann im Oberbecken eine etwas geringere Pegelschwankung .
Allerdings: Da die Gesamtfläche etwa des Hambacher Loches sehr groß ist, ist die Pegelschwankung im Oberbecken nicht von zentraler Bedeutung. Auch der Badebetrieb an den Meeresstränden wird durch Ebbe und Flut nicht wirklich behindert. Außerdem nimmt man auch bei den häufig sehr viel kleineren Becken von herkömmlichen PSKW eine spürbare Pegelschwankung hin; im PSKW Goldisthal beträgt beispielsweise der Pegelhub innerhalb der Bekken immerhin noch bis zu 24 bzw. 20 [m].
Umgekehrt wird ein gravierender Nachteil des U.PSKW durch den Ringmauerspeicher (RM.Sp) vermieden:

Bei U.PSKW muss man dem Problem des Auftriebes nicht nur aus technischen, sondern vor allem auch beim Sicherheitsnachweis und in der öffentlichen Diskussion des Genehmigungsverfahrens eine besondere Aufmerksamkeit widmen; vermutlich wird man um die Annahme eines worst case und daher um eine intrinsische materielle Kompensation des Auftriebes durch langfristig sicheren Einbau von Ballastmaterial nicht umhinkommen. Dadurch werden die Vorteile einer leichteren Bauweise, die sich in den oberen Bereichen aufgrund des geringeren Wasserdruckes oder bei Benutzung von Betonarten mit hoher Festigkeit ergeben, durch einen erhöhten Aufwand für sicher angebrachten Ballast teilweise wieder kompensiert.

Einige für viele Belange vielleicht ausschlaggebende Vorteile des RM.Sp werden im Kapitel „6. Vorteile“ zusammengefasst.
Figurenliste
Der Stand der Technik, die erfindungsgemäße Vorgehensweise und Beispiele zur Implementierung der Erfindung werden durch Bilder veranschaulicht, die hier mit einer titelartigen Kurzbeschreibung vorgestellt werden. Im Kapitel „Bildunterschriften“ werden die Bilder ausführlicher beschrieben und erläutert.

Bild 1: Stand der Technik: Ringwallspeicher auf dem flachen Land mit erhöhtem Innenbekken als Oberbecken (Prinzipdarstellung in Anlehnung an (Popp 2021_A/;
Bild 2: PSKW mit einem durch eine Ringstaumauer 3 vom Obersee 0 abgetrennten Unterbecken 33.
Bild 3: Pumpspeicherkraftwerk bestehend aus dem Restsee 300 eines ehemaligen Tagebauloches als Obersee und einem (oder mehreren, im Bild sind es vier) Unterbecken 33.
Bild 4: Ringmauerspeicher mit sehr tiefem Innenbecken als Unterbecken eines PSKW (Prinzipdarstellung).
Bild 5: Variable Serien-Parallelschaltung von 12 Pumpturbinen für 4 Druckstufen
Bild 6: Ringmauerspeicher mit tiefem Innenbecken als Unterbecken eines PSKW mit Zusatz-Wasserkörper WK2a für den Einsatz von „Halb-Pumpturbinen“ 71. (Prinzipdarstellung).
Bild 7: Variable Serien-Parallelschaltung von 8 Standard- Pumpturbinen und 8 Halb-Pumpturbinen für 5 Druckstufen.
Bild 8 Erweitertes Unterbecken 333 mit einem zusätzlichen Bodenloch-Speicherraum 37, hier dargestellt als ein nach Methoden des Tagebaues hergestelltes terrassiertes Loch.
Bild 9: Bodenloch-Speicherraum 37 mit Stabilisierung einer besonders steilen Böschung durch eine Druckleitstruktur 376.
Bild 10: Rechenmodell des erweiterten Unterbecken 333 als Kombination aus zylindrischem Ringmauer -Becken 33 und einem Kegelstumpf als Bodenloch-Speicherraum 37.
Bild 11: Potentielle Speicherenergie des Bodenloch-Speicherraumes 37 unter den Annahmen des Rechenmodelles nach Bild 10.
Bild 12: Anbindung eines als Unterwasser-Bunker ausgeführten, zentralen Maschinenhauses 777 zu den einzelnen Unterbecken 33 und auch zu einer Anschlussstelle am Ufer.
Bild 13: Querschnitt durch Ringmauer-Unterbecken 33 mit inwendig angebrachtem spiralförmigem Fahrweg 53 von der Krone des Beckens bis zum Boden.
Bild 14: Interims-Betrieb: Ringmauerspeicher mit hohem Innenbecken als Oberbecken eines PSKW während der Auffüllungsphase des Restsee.
Bild 15: Ringmauer -Unterbecken 33 mit einer Zwischendecke und einem Kurzschlussrohr zwischen einem obersten und einem untersten Wasserkörper.

5. Ausgestaltungen der Erfindung
5.1 Variable Parallel-Serienschaltung von Pumpturbinen zur Ausschöpfung eines hohen Speicherbeckens.
Derzeitige PSKW verfügen meist über eine hohe Pegeldifferenz zwischen den Becken; innerhalb der Becken (bzw. Gewässer) gibt es hingegen nur einen dazu relativ kleinen Pegelhub. Hierfür ist dann auch nur eine bescheidene Toleranz in der Druckhöhe von Pumpturbinen erforderlich und die gegenwärtigen Pumpturbinen sind auch gar nicht in der Lage ohne hohes Verschleißrisiko und Einbuße an Wirkungsgrad in einem größeren Toleranzbereich als ca. 15 bis 20% eingesetzt zu werden.
Es erhebt sich die Frage, ob und wie man einen großen Pegelhub innerhalb eines hohen Speicherbeckens ohne bauliche Etagenbildung und dennoch mit dem Einsatz aller verfügbaren Pumpturbinen betreiben kann und dabei eine zeitlich serielle Abarbeitung über eine Mehrfachbereitstellung der Pumpturbinenkapazität, die jeweils nur auf eine einzige der zu durchlaufende Druckhöhen-Stufen ausgelegt ist, vermeiden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems setzt an der Zusammenschaltung von vornehmlich gleichartigen Pumpturbinen an.

• Die vorgegebene maximale Druckhöhe (=Pegeldifferenz Hmax) wird durch Serienschaltung einer geeigneten Anzahl N0 von Pumpturbinen zu einem Strang erreicht, wobei je nach der Gesamtzahl N_gesmt der verfügbaren Pumpturbinen auch mehrere derartige Stränge parallelgeschaltet werden können.
• Fällt die Druckhöhe im Laufe der Entleerung des Speicherbeckens ab, so wird bei geeigneten Druckstufen die Anzahl der Pumpturbinen innerhalb eines Stranges verringert und die auf diese Weise zunächst freigesetzte Pumpturbinen zu einem oder mehreren weiteren Strängen, die nun alle die neu festgesetzte Anzahl N1 (und bei weitern Druckstufen: N2, N3 usw.) von Pumpturbinen enthalten, zusammengeschaltet; danach werden alle „N1-Stränge“ wieder parallelgeschaltet. Eine gute Ausnutzung der Drucktoleranzen der Pumpturbinen wird zunächst dann erreicht, wenn bei jeder Umschaltung die Anzahl der Pumpturbinen in den Strängen um 1 verringert wird (also: N1 = N0-1; N2= N1-1 usw.). - Es gibt jedoch noch weitere Optimierungswerkzeuge, die aber meist auf dem Einsatz verschiedener Pumpturbinen-Typen beruhen.
• Bei der Umschaltung zur niedrigsten Druckstufe, N_e, wird dann die kleinste Anzahl der Pumpturbinen in einem Strang erreicht und dies wird meist N_e=1 sein ( aber auch andere Werte, insbesondere N_e=2 sind durchaus möglich). Im Falle Ne=1 sind dann alle Pumpturbinen parallelgeschaltet.

Dieses Verfahren bezeichnen wir als „variable Serien-Parallelschaltung von hydraulischen Maschinen“ und es kann auf unterschiedliche Typen von fortschrittlichen Pumpspeicherkraftwerken angewendet werden; wir beschreiben es umfassender und auch detaillierter in einer gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung „PSKW mit variabler Parallel-Serienschaltung von Pumpturbinen zur Ausschöpfung eines hohen Speicherbeckens“ (/LuSchmB 2021_SeeEi5/). Die variable Serien-Parallelschaltung von Pumpturbinen könnte jedoch für die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Pumpspeicherkraftwerks mit einem von einer Ringstaumauer umschlossenen hohen Speicherbecken wesentlich sein; deshalb ist es auch Teil der aktuellen Patentanmeldung.
Bild 4 bezieht sich auf ein PSKW, dessen Oberbecken ein großes Gewässer 0 ist, z.B. der Rekultivierungssee, der nach Beendigung des Tagebaues im Hambacher Loch, Rheinisches Braunkohlerevier, entstehen wird, und dessen Unterbecken durch ein Ringmauer-Speicherbecken 33 gebildet wird, dessen Staumauern sich vom Seeboden 1 bis knapp über die maximal denkbare See-Oberfläche erstrecken.
Die Aufteilung der Wasserkörper WKi entspricht einzelnen Aggregaten, zu denen die vorhandenen Pumpturbinen jeweils zusammengeschaltet werden, um den Druckbereich eines jeden Wasserköpers abzudecken. Der Wasserkörper WK0 besitzt das größte Speicherpotential und liegt ganz unten; dann ist die Pegeldifferenz zum Pegel des Oberbeckens am größten. Analoges gilt für die sich anschließenden Wasserkörper WK1, WK2 und WK3: sie schließen sich im hohen Unterbecken nun nach oben hin an WK0 und aneinander an. Als Abstandshalter für die minimale -Pegeldifferenz H_min dient der freie Luftraum oberhalb des obersten Wasserkörpers WK3.
In Bild 5 ist die jeweilige Zusammenschaltung der Pumpturbinen zu den einzelnen Aggregaten zur Abdeckung von 4 Druckstufen dargestellt. Wir setzen voraus, dass uns N_gesamt=12 gleiche Pumpturbinen 7 zur Verfügung stehen.
Zur Veranschaulichung nehmen wir eine maximale, bei vollständig leerem Unterbecken erreichte Druckhöhe von H_max=480 m und verwenden Pumpturbinen von einer Auslegungs-Druckhöhe von 90 m mit einer Toleranz von x = +/- 1/3, also +- 33,3 %, um ihren Nennwert. Die einzelnen Wasserkörper sind dann wie folgt abgegrenzt:

Für den untersten Wasserkörper WK0 werden die N_gesamt gleichartigen Pumpturbinen in 3 parallelen Strängen zu je 4 Stück eingesetzt (Bild 5a). Innerhalb seines Toleranzbereiches überstreicht dann das Aggregat den Druckhöhenbereich um H0 = 360 m von 480 bis 240 [m].
Für den direkt darüberliegenden Wasserkörper WK1 werden die N_gesamt gleichartigen Pumpturbinen in 4 parallelen Strängen zu je 3 Stück eingesetzt (Bild 5b). Innerhalb seines Toleranzbereiches überstreicht dann das Aggregat den Druckhöhenbereich um H1 = 270 [m] von 360 bis 180 [m] . Nach einer von uns gewählten Abgrenzungsregel belassen wir jeweils den Überlappungsbereich zwischen zwei Druckstufen bei dem unterhalb liegenden Wasserkörper (also demjenigen mit der höheren Druckhöhe) und legen daher den WK1 auf den Druckhöhenbereich 240 bis 180 [m].
Für WK2 werden die 12 Pumpturbinen in 6 parallelen Strängen zu je 2 Stück eingesetzt (Bild 5c). Innerhalb seines Toleranzbereiches überstreicht dann das Aggregat den Druckhöhenbereich um H2 =180 [m] von 240 bis 120 [m] . Regelgerecht legen wir den Wasserkörper WK2 auf den Druckhöhenbereich 180 bis 120 m.
Für WK3 schließlich werden alle 12 Pumpturbinen parallelgeschaltet (Bild 5d). Innerhalb seines Toleranzbereiches überstreicht dann das Aggregat den Druckhöhenbereich um H3 = 90 [m] von 120 bis 60 [m] und wir legen den Wasserkörper WK3 auf den Druckhöhenbereich 120 bis 60 m fest. Man beachte, dass wir den Toleranzwert x=1/3 für die Druckhöhe so gewählt haben, dass zwischen WK2 und WK3 gerade kein Überlappungsbereich mehr existiert.

Wie man durch Probieren nachvollziehen kann, klafft für kleinere Druckhöhentoleranzen als x = +- 1/3 zwischen den beiden oberen Wasserkörpern WK2 und WK3 eine Lücke des Druckhöhenbereiches auf, der nicht mehr abgedeckt wird.
Für Druckhöhentoleranzen, die kleiner als 1/5 (also +/- 0,20) sind entsteht eine weitere Lücke des Druckhöhenbereiches zwischen den eine Stufe darunterliegenden Wasserkörpern WK1 und WK2, und ab Druckhöhentoleranz von weniger als +- 1/7 = 0,1428565 sind dann alle Druckhöhenbereiche voneinander durch eine Lücke getrennt.
Die vorgenannte Schwellwerte der Druckhöhentoleranz für das Auftreten der Lücken sind unabhängig von der verfügbaren maximalen Druckhöhe H_max Die mathematischen Gesetzmäßigkeiten hierzu werden in /LuSchmB 2021_SeeEi5/ dargestellt und abgeleitet.
Was macht man, wenn Lücken zwischen den Drucktoleranzbändern entstehen?
Pumpturbinen lassen sich kurzzeitig vermutlich auch geringfügig außerhalb ihres offiziellen Toleranzbereiches einsetzen, allerdings bei erhöhter Verschleißanfälligkeit und geringerem Wirkungsgrad. Wenn dies nicht mehr verantwortbar ist, verbleibt im Turbinenbetrieb die Möglichkeit die Absenkung des Pegels in den kritischen Höhenbereichen einfach ohne Energiegewinn an den Turbinen vorbei verpuffen zu lassen.
Es gibt aber auch eine „saubere“ Lösung, allerdings müssen wir dann von der bisher unterstellten Regel der Gleichartigkeit aller Pumpturbinen Abstand nehmen:

Wir ergänzen nun unsere Standard Pumpturbinen 7 mit der Druckhöhe H_P durch eine zweite Sorte mit der halben Druckhöhe H_P/2 und auch mit der halben elektrischen Leistung, so dass der Wasserdurchfluss gegenüber der Hauptsorte unverändert bleibt und man nach wie vor alle Druckturbinen in Serie schalten kann. Diese „halbierten Pumpturbinen“ bezeichnen wir als „Halb-Pumpturbinen“ 71. Wir setzen sie in allen bisherigen Pumpturbinen-Aggregaten auch als Doppelpack 72, also in der Serienschaltung von 2 Halb-Pumpturbinen 71, ein. Das Doppelpack 72 ist ein funktionsmäßiges Äquivalent zu einer Standard-Pumpturbine 7.
Durch diesen weiteren Pumpturbinentyp 71 ergibt sich eine Möglichkeit, einen zusätzlichen Wasserkörper WK2a oberhalb des Wasserkörpers WK2 mit seinen 6 Strängen zu je 2 Pumpturbinen, zu schaffen. In Bild 6 ist die Lage der Wasserkörper angegeben. Bei einer geringeren Toleranz der Druckhöhe der Pumpturbinen ergibt sich zunächst eine sich immer mehr ausweitende Lücke zwischen den beiden oberen Wasserkörpern WK2 und WK3, die aber unter Verwendung von „Halb-Pumpturbinen“ 71 durch WK2a geschlossen werden kann. In Bild 7 ist die zugehörige Schaltung der Pumpturbinen -Aggregate angegeben.
Jetzt kann man sich ausrechnen (siehe /LuSchmB 2021_SeeEi5/ Abschnitt „3.3 Halb-Pumpturbinen ermöglichen zusätzlichen Wasserkörper in der Lücke“) oder durch Probieren verifizieren, dass mit einer Toleranz der Druckhöhe aller Pumpturbinen von x = 1/5 die Lücke zwischen den Wasserkörpern WK2a und WK3 geschlossen wird. Wie in Bild 7 (Teilbild 7cb) angegeben, entsteht das dem Wasserköper WK2a zugeordnete neue Aggregat [77_28] durch 8 parallel geschaltete Stränge, die jeweils aus einer Kette aus einer Standardturbine 7 und einer Halb Pumpturbine 71 bestehen. Der Index „28“ bezieht sich auf Anzahl der Pumpturbinen in einem Strang, hier also , und die Anzahl der parallelgeschalteten Stränge (hier: 8). Die vorangesetzte Bezeichnung 77, verwenden wir generell für eine (ansonsten noch nicht weiter spezifiziertes ) Pumpturbinen-Aggregat. Wie das Bild 7 zeigt, kann man den Index auch als Zeilen-Spaltenindex auffassen.
Alle sonstigen Aggregate bleiben gegenüber dem vorangehende Schaltungsbild Bild 5(!) funktional unverändert, wir haben lediglich in den übrigen Wasserkörpern jeweils 4 Standardturbinen 7 durch 4 Doppelpack 72 , die jeweils aus zwei verketteten Halb -Pumpturbinen bestehen, ersetzt.

Zur Veranschaulichung legen wir wieder eine maximale, bei vollständig leerem Unterbecken erreichte Druckhöhe von H_max=480 m und verwenden nun aber einer Auslegungs-Druckhöhe von 100 m für die Standard-Pumpturbinen und von 50 m für die Halb-Pumpturbinen. Alle Pumpturbinen besitzen die gleiche Toleranz von x = +/-1/5 , also +- 20 % um ihren Nennwert.
Die Druckhöhe der Stränge für die einzelnen Wasserkörper sind dann wie folgt abgegrenzt (Bild 7):

Für den untersten Wasserkörper WK0 werden die N_gesamt = 8 + 8/2 =12 funktional gleichartigen Pumpturbinen in 3 parallelen Strängen zu je 4 Stück eingesetzt (Bild 7a). Man beachte, dass im Vergleich zu Bild 5 vier Standard-Pumpturbinen 7 durch vier funktional gleichartige Doppelpack 72 aus je zwei Hab-Pumpturbinen 71 ersetzt sind. Innerhalb seines Toleranzbereiches von +/- 20% überstreicht dann das Aggregat den Druckhöhenbereich um H0 = 400 m von 4*120 bis 4* 80 m , also 480 bis 320 [m].
Für den direkt darüberliegenden Wasserkörper WK1 werden die N_gesamt funktional gleichartigen Pumpturbinen in 4 parallelen Strängen zu je 3 Stück eingesetzt (Bild 7b). Innerhalb seines Toleranzbereiches überstreicht dann das Aggregat den Druckhöhenbereich um H1 = 300 [m] von 360 bis 240 [m] . Nach einer von uns gewählten Abgrenzungsregel belassen wir jeweils den Überlappungsbereich zwischen zwei Druckstufen bei dem unterhalb liegenden Wasserkörper (also demjenigen mit der höheren Druckhöhe) und legen daher den Wasserkörper WK1 auf den Druckhöhenbereich 320 bis 240 [m].
Für WK2 werden die 12 Pumpturbinen in 6 parallelen Strängen zu je 2 Stück eingesetzt (Bild 7c). Innerhalb seines Toleranzbereiches überstreicht dann das Aggregat den Druckhöhenbereich um H2 = 200 [m] von 240 bis 160 [m] . Regelgerecht legen wir den Wasserkörper WK2 auf den Druckhöhenbereich 240 bis 160 m.

Für den neu eingefügten Wasserkörper WK2a, der die sich abzeichnende Lücke zwischen WK2 und WK3 schließen soll, werden die 8 Halb-Pumpturbinen nun jeweils als Einzelstück mit einer der 8 Standard-Pumpturbinen zu einem Strang vereint. Es entstehen also 8 parallele Strängen mit je zwei, aber nun ungleichen Pumpturbinen (Bild 7c1). Ein derartiger Strang besitzt eine Auslegungs-Druckhöhe von 100 + 50 =150 [m] und innerhalb des Toleranzbereiches x = +/- 1/5 überstreicht dann das Aggregat den Druckhöhenbereich um H2a = 150 [m] von 180 bis 120 [m]. Regelgerecht legen wir den Wasserkörper WK2a auf den Druckhöhenbereich 160 bis 120 [m].
Für WK3 schließlich werden alle 12 Pumpturbinen parallelen geschaltet (Bild 7d). Innerhalb seines Toleranzbereiches überstreicht dann das Aggregat den Druckhöhenbereich um H3 = 100 [m] von 120 bis 80 [m] und wir legen den Wasserkörper WK3 auf den Druckhöhenbereich 120 bis 60 m fest. Man beachte, dass wir den Toleranzwert x für die Druckhöhe so gewählt haben, dass zwischen WK2a und WK3 gerade kein Überlappungsbereich mehr existiert.
Allgemeines Schema:

Es ist naheliegend, das Verfahren der variablen Serien-Parallelschaltung von Standard-Pumpturbinen 7 und Halb- Pumpturbinen 71 zu verallgemeinern.
Dieses Schema lässt sich nämlich leicht auf beliebige „Bruchteil -Pumpturbinen“ übertragen. Sei b der Bruchteil und M_b die Anzahl der benötigten „Bruchteil -Pumpturbinen“, also eine Sorte von Pumpturbinen mit der Druckhöhe (Hp* b) und der b - fachen Leistung, so dass der Wasserdurchfluss gegenüber der Hauptsorte unverändert bleibt und man nach wie vor alle Druckturbinen in Serie schalten kann. Dann müssen wir nur darauf achten, dass das Produkt $M_{b} * b ganzzahlig$
bleibt.

In unserem obigen Beispiel (siehe Bild 6 und Bild 7) gilt b=1/2 und M_b= 8,
sodass b*Mb = 4 , also ganzzahlig.
Auch der Standardfall (siehe Bild 4 und Bild 5) reiht sich als Grenzfall in die Forderung Gl(13) ein, wenn man b = 1/1 und M_b =12 einsetzt.
5.2 Zum Durchmesser des Ringmauer-Speichers
Große Staubecken, deren Staumauer als Ringmauer ausgeführt wurden, sind den Erfindern bisher nicht bekannt geworden. Aber es gibt sehr viele Stauseen, die durch eine Bogen-Staumauer, also einen Ausschnitt aus einer Ring-Staumauer, abgeschlossen sind.
Leider wird in den gut zugänglichen Veröffentlichungen der technischen Daten, z.B. auch in Wikipedia, neben der Höhe der Staumauer nur die Kronenlänge angegeben. Dazu gibt es dann eine Photographie, aus der man den Winkel des Kreisbogens zwar schätzen aber nicht exakt bestimmen kann.
Bei einer besonders großen und berühmten Anlage, nämlich der Staumauer am Sajano-Schuschensker Stausee /Jenissei/ am Jenissei in Mittelsibirien, wird allerding zusätzlich auch der Radius des Kreisbogens, der der Bogen zugrunde liegt, mitgeteilt: 600 m. Mit der angegebenen Kronenlänge von 1074 m errechnet sich ein Winkel von 103°. Das heißt, die Vollendung einer derartigen Bogen-Staumauer zu einer erfindungsgemäßen Ringstaumauer mit gleichem Durchmesser erfordert nur noch eine Ausweitung um den Faktor 3 .
Daher gehen wir davon aus, dass auch eine Ringmauer mit dem gleichen Durchmesser von 1200 m technisch beherrschbar wäre, und legen diese Größe auch unserer Beispielrechnung im Abschnitt 5 zugrunde.
Eine Bodenfläche von 1200 m Durchmesser bietet ausreichend Platz, um durch Abgrabungen ein größeres Speichervolumen zu erschließen, siehe Abschnitt 5.
5.3 Erschließung des Beckenbodens für Speicherzwecke
Der Ringmauerspeicher als Unterbecken wird auf gewachsenem, standfestem Boden errichtet. Wenn der innere Durchmesser groß genug ist, lohnt es sich den zunächst ebenen Bekkenboden weiter zu vertiefen, zumal in einem Tagebauloch gegen Ende der Abbauzeit ja noch geeignete Großmaschinen vor Ort zur Verfügung stehen; hierauf wurde bereits in DE 10 2019 118 725 A1 (/LuSchmB 2019_SeeEi1/) und DE 10 2019 118 726 B4 (/LuSchmB 2019 SeeEi1v/) hingewiesen.
Natürlich müssen alle derartigen Baumaßnahmen die Standfestigkeit der Ringmauer in jedem aktuellen Bauabschnitt aber auch nach Fertigstellen sicher berücksichtigen.
Es gibt folgende Ansätze und Möglichkeiten zur Erstellung eines derartigen Bodenloch-Speicherraumes 37:

1. der innere Boden kann nach unten als Böschung abgetragen und die Standsicherheit durch den Böschungswinkel und eventuell auch durch Verbauungsmaßnahmen gewährleistet werden. Dadurch entsteht sozusagen ein inneres Ringböschungs-Becken. Die Böschung ist dann, sozusagen, der innere Teil eines Ringwalles und der fehlende äußere wird durch den anstehenden jungfräulichen Boden ersetzt.
2. Die im Tagebau eingesetzten Verfahren des Terrassenförmigen Abtragens von Gesteinsschichten können wegen des großen Durchmessers des Beckenbodens zum Einsatz kommen, wobei man sich jedoch immer die spätere Belastung der äußeren Randzonen vor Augen halten muss. Einen an die Ringmauer innen anschließenden Randstreifen von vermutlich einigen 10m muss man als Arbeitsfläche für das Hochziehen der Mauer freihalten.
3. Das „Bodenloch“ 37 kann in Teilbereichen durch druckfeste Formkörper ausgefüllt werden und dadurch eine innere Versteifung und perfekten Böschungsschutz auch bei steilem Böschungswinkel erhalten. Hierzu können auch die in DE 10 2020 111 844 A1 (/LuSchmB 2020_SeeEi3/) vorgestellten wabenförmigen Wandkonstruktionen eingesetzt werden. Allerdings herrschen jetzt völlig andere Auslegungskriterien, da es nicht mehr darum geht, Speicherhohlräume gegen hydrostatischen Außendruck abzuschließen, sondern vielmehr darum, dass die Wabenwände als Druckleitstruktur den an den steilen Böschungen anliegenden Seitendruck aufnehmen und abfangen.
4. In genügend großem Abstand vom Sockel und außerhalb des Einwirkungsbereiches des Gewichtes der Ringmauer könnte man auch einen (oder auch mehrere) großen offenen Schacht graben mit senkrechten oder nur leicht sich verjüngenden Rändern. Im Gegensatz zu den im Bergbau eingesetzten Schächten und Stollen, muss man dabei beachten, dass man hier keine Zuwegung, sondern Speicherraum erstellt. Ähnliche Überlegungen wurden bereits in DE 10 2011 105 307 (/LuSchmB 2011_Bergei1/) und DE 10 2013 019776 B3 (/Lu-SchmB 2013_Bergei2/)) angestellt; aber im Vergleich zu den dortigen „Blindschächten“ liegen nun viel günstigere Bedingungen vor: man kann ja nun mit dem großen Bagger im Tagebau und mit breitem Durchmesser graben.
5. Der Aushub vom Bodenloch kann in der Bauphase kurz hinter der aufstrebenden Ringmauer wieder abgekippt werden. Das vermeidet lange Wege, kann vielleicht sogar in einem Arbeitsgang erledigt werden. Zudem kann dadurch ein vorteilhafter Endzustand entstehen, da die Ringmauer eine außenliegende Abstützung und Absicherung erhält und ein weitgehend ebener und stabiler Seeboden entsteht. Außerdem wird ein übrigbleibender Wasserdurchtritt zur Ringmauer vermindert oder vermieden.
6. die Baumaßnahmen im Bodenloch und an der Ringmauer können gleichzeitig oder abschnittsweise versetzt durchgeführt werden Dann wird der physikalische Arbeitsaufwand für das Abschütten des Aushubs minimiert, da die Schwellhöhe zum Abkippen nicht höher sein muss als durch die Höhe der außenseitigen Schutthalde vorgegeben wird.

In Bild 8 ist der Bodenloch-Speicherraum 37 dargestellt als ein nach Methoden des Tagebaues hergestelltes terrassiertes Loch. Zusammen mit dem direkt durch die Ringstaumauer 3 geschaffenem Ringmauer -Becken 33 bildet er das Erweiterte Unterbecken 333.
Am tiefsten Punkt befindet sich der Maschinenbunker 77 mit den Pumpturbinen und einem Zugang 44 zum Oberbecken, dem freien Seewasser 0. Der Zugang 44 kann natürlich auch gut zugänglich innerhalb des Bodenloch-Speicherraum 37 verlaufen, was für Wartungs- und Reparaturzwecke sicherlich einfacher - aber graphisch etwas umständlicher wäre.
Wenn mehrere räumlich getrennte Unterbecken vorhanden sind, so kann es sinnvoll sein, den Maschinenbunker 77 für alle Unterbecken zentral nur in einem einzigen Unterbecken oder auch in einem abgesonderten Bunker anzuordnen. Dann werden die Zu- und Abflüsse in jedem Unterbecken über die Aufnahmestation 771 aufgenommen und über die Verbindungsstollen 67 zu der nun zentralen Pumpturbinenstation 77 geführt. (siehe Bild 9)
In Bild 9 wird ansonsten eine Variante des Bodenloch-Speicherraumes 37 gezeigt, bei der das besondere Augenmerk auf die Stabilisierung einer beispielsweise besonders steilen Böschung durch eine Druckleitstruktur 376 gelegt wird. Innerhalb des Randbereiches des Bodenloches werden z.B. flächig aneinander gebaute druckfeste Speicherkörper nach DE 10 2020 111 844 A1 (/LuSchmB 2020_SeeEi3/) errichtet, die einen seitlichen Druck aufnehmen und - auch nach unten -ableiten. Die Speicherkörper in dieser Struktur verbleiben offen und im hydraulischen Ausgleich untereinander und mit dem gesamten Becken, so dass die Wände keinen direkt anstehenden hydraulischen Druckunterschied ausgesetzt sind; sie sind daher nach den Bedürfnissen einer Böschungsabstützung und Kraftableitung auszulegen. In gewisser Weise entspricht die Druckleitstruktur 376 einem Ausbau von großen Hohlräumen im Untertage Bergbau.
Eine Druckleitstruktur kann auch auf andere Art aufgebaut werden: die Möglichkeiten reichen von einer Schüttung mit einheitlichem Gestein oder ausgewählten massiven Druckkörpern , wobei dann die Zwischenräume als Speicher-Hohlräume verbleiben, bis hin zur Auffüllung mit Hohlkörpern.
Die seitliche Abstützung der Böschung besitzt eine nachunten gerichtete Komponente, daher kann die Höhe der Ausfüllung sich zum Innern hin vermindern -wie in Bild 9 dargestellt.
Beispielrechnung
Wir zeigen nun an einem einfachen Beispiel, welche Energiemengen man im Erweiterten Unterbecken 333, und insbesondere auch in seinen Teilvolumina Ringmauer-Speicher 33 und Bodenloch-Speicherraum 37 speichern kann. Hierzu gehen wir von den in Bild 10 eingezeichneten und in der ausführlichen Bildunterschrift angegebenen Parametern aus.
Zunächst legen wir die Geometrie des Ringmauerspeicher 33 fest und wählen die Zahlenangaben weitgehend entsprechend den früheren Beispielen, siehe insbesondere Bild 7. Als Durchmesser D3 wählen wir in Anlehnung an die im Abschnitt „5.2 Zum Durchmesser des Ringmauer-Speichers“ vorgestellte Staumauer des Sajano-Schuschensker Stausee am Jenissei in Mittelsibirien den Wert D3 = 1200 m. Als Höhe H3 übernehmen wir die in früheren Beispielen benutzten Wert von H3 = 480 m, der sich vor allem dadurch auszeichnete, dass sich bei den Überlegungen zur „Variable Parallel-Serienschaltung von Pumpturbinen“ runde Werte herauskamen. Als Mindestwert der Pegeldifferenz nehmen wir 60 m an.

Ferner nehmen wir der Einfachheit halber an, dass sich der Pegel des Oberbeckens während des Speichervorganges nicht ändert.
Unter diesen Annahmen erhalten wir als verfügbaren Speicherinhalt eines einzigen Ringmauerspeicher 33 den Wert: $E_RM = 350 [GWh]$
Für den Bodenloch-Speicherraum 37 sehen wir einen 100 m breiten baufreien Streifen am inneren Rand der Staumauer vor, so dass sich der Durchmesser der Kegelstumpf-Grundfläche zu 1000 [m] ergibt. Über die wesentlichste Einflussgröße, die Steigung der Böschung können wir leider keine begründeten Vorgaben annehmen, da die Zulässigkeit der erwünschten möglichst steilen Böschungswinkel entscheidend von den geologischen Eigenschaften des Bodens und der anwendbaren Befestigungstechnik für die Böschung abhängen. Daher führen wir die Rechnung für eine Reihe von Vorgabewerten der Steigung durch. Als Nebenbedingungen legen wir noch fest, dass einerseits die Höhe H7 des Kegelstumpfes nicht größer als 500 m sein soll und somit die Gesamttiefe des Unterbeckens immer unterhalb der 1000 m -Marke verbleibt, und andererseits der Durchmesser D7u der Deckfläche nicht kleiner als 100 m wird, um ausreichend Platz für technische Anlagen zu gewährleisten.
In der Tabelle Bild 11 sind die Ergebnisse für die unter den gegebenen Annahmen errechneten Werte der Speicherenergie des Bodenloch-Speicherraumes 37 angegeben. Auffallend ist der große Einfluss der Steigung der Böschung m_K.
Man erkennt, dass der zusätzlich ausgehobene tiefe Bodenloch-Speicherraum 37 eine potentielle Energiemenge speichert, die in der gleichen Größenordnung liegt wie die Speicherenergie des wesentlich größeren Ringmauerspeichers 33 und diese Marke je nach Böschungswinkel sogar übersteigen kann.
Verglichen mit dem hohen baulichen Aufwand bei der Errichtung der dicken Ringmauer scheint es verlockend zu sein, den Boden im Innern noch etwas abzutragen und damit einen zusätzlichen Speicherraum zu gewinnen, dessen Außenwand durch den umgebenden Seeboden gebildet wird.
Alles in allem können wir hoffen, dass es nach eingehender ingenieurmäßiger Planung möglich sein wird, schon mit einem einzigen Erweiterten Unterbecken 333 errichtet im Hambacher Loch die Speicherkapazität der deutschen PSKW um mehr als das 10 fache zu erhöhen.
5.4 Gemeinsames Maschinenhaus im Unterwasserbunker und Zuwegung
Aus Kostengründen und wegen der größeren Flexibilität bei der Zusammenschaltung der Pumpturbinen mag es sinnvoll sein, alle Pumpturbinen eines PSKW mit mehreren Unterbekken 33 oder Erweiterten Unterbecken 333 in einem gemeinsamen Maschinenhaus, dem „Unterwasserbunker“ 777 zusammenzulegen. Dieses kann sich druckfest auf dem Boden eines der Ringmauer-Unterbecken befinden, es kann aber auch außerhalb der Ringmauer-Unterbecken als gesonderter Bunker errichtet werden (Bild 12).
Ein kleines Problem ergibt sich daraus, dass die Pumpturbinen aus technischen Gründen einen Vordruck benötigen. Daher ist es vernünftig, den Sockel des Unterwasserbunkers 777 in Bezug auf den Sockel der Unterbecken tiefer zu legen. Alle Ringmauer-Unterbecken müssen dann über Rohre mit diesem Unterwasserbunker 777 verbunden werden.
Bleibt die Frage der Zuwegung. Der konventionelle Weg besteht darin, einen befahrbaren Tunnel 5 vom Ufer zum Unterwasserbunker 77 zu verlegen. Möchte man zusätzlich auch die Ringmauer-Unterbecken fahrbar erreichen, dann muss man die hydraulischen Verbindungsrohre 6 in einem befahrbaren Tunnel 67 verlegen. Da die Ringmauer-Unterbecken vollständig entleert werden können, entsteht so eine trockene Verbindung vom Ufer bis zum Beckenboden.
In einem aufgelassenen Tagebau besteht der spätere Seeboden allerdings überall aus mächtigen Schichten umgelagerten Aushubs, was sicherlich kein ideales Fundament für den Tunnel 5 zum Ufer ergibt. Es gibt aber noch eine weitere Möglichkeit (Bild 13): eine zumindest einspurig befahrbare Zuwegung 53, die spiralförmig an der Innenseite eines Ringmauer-Unterbecken 33 verläuft. Bei vollständig entleertem Ringmauer-Unterbecken kann man darauf mit einem LKW bis zum Boden fahren. Das derart ausgezeichnete Ringmauer-Unterbecken kann vom Ufer durch einen Fährbetrieb oder eine Brücke erreicht werden. Durch die befahrbaren Tunnel 67 kann dann zu jedem anderen Ringmauer-Unterbecken weiterfahren.
Wird die Zuwegung 53 als oben offene „Straße“ ausgeführt, kann sie nur bei entleertem Ringmauer-Unterbecken , was ja eigentlich im Rhythmus des Speicherbetriebes fast täglich vorkommen sollte, benutzt werden. Durch eine Ausführung als allseitig umschlossene Straße, z.B. als Tunnel, kann dieser kleine Nachteil vermieden werden.
In einem Erweiterten Unterbecken 333 kann die Zuwegung 53 über die terrassenartige Böschung des Bodenloch-Speicherraumes 37 weiter nach unten geführt werden. Die befahrbaren Tunnel 67 zu den anderen Erweiterten Unterbecken 333 bzw. zum Unterwasser-Maschinenbunker 777 müssen dann im tiefen Seeboden verlegt werden; dafür können ggfls. die gängigen Methoden des Tunnelbaus oder Streckenbaus im Untertagebergbau eingesetzt werden.
Fazit: Die Kombination aus einerseits der Zuwegung 53 entlang des inneren Randes eines einzigen Unterbecken 33 und ggfls. deren Verlängerung an der innenliegenden Böschung des Bodenloch-Speicherraumes 37, und andererseits der Verbindung durch befahrbare Tunnels 67 auf der Sohlentiefe der Unterbecken erlaubt eine befahrbare Zufahrt zu allen Punkten des PSKW.
5.5 Interims-Betrieb
Der Bau eines großen Ringmauer-Becken wird etliche Jahre benötigen, und auch das Fluten des Restlochs wird viele Jahre, vielleicht sogar mehr als ein Jahrzehnt, andauern. Andererseits möchte ein Investor nicht lange auf den Betriebsbeginn einer fertiggestellten Anlage warten.
Schon in DE 10 2019 118 726 B4 (/LuSchmB 2019_SeeEi1v/) sind wir auf diese Problematik schwerpunktsmäßig eingegangen und haben dann eine Interimslösung zu Betrieb von Teilen der PSKW-Anlage vor der endgültigen Fertigstellung des Restsee vorgeschlagen. Im Folgenden werden wir diesen Grundgedanken wieder aufnehmen und ihn an die Besonderheiten und Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Ringmauer-PSKW anpassen.
Hier trifft es sich gut, dass das im Abschnitt „5.1 Variable Parallel-Serienschaltung von Pumpturbinen zur Ausschöpfung eines hohen Speicherbeckens“ beschriebene Verfahren einen außerordentlich flexiblen Einsatz der Pumpturbinen ermöglicht und ganz unterschiedliche Druckhöhen abdeckt. Auch für die Zeit, in der der Restsee erst zu einem kleinen Teil mit Wasser gefüllt ist, kann das PSKW bereits voll betrieben betrieben werden, - aber in einem anderen Modus:

Bei noch fast leerem Restsee kann das eigentlich als Unterbecken des PSKW vorgesehene Ringmauer-Speicherbecken 33 nämlich als Oberbecken betrieben werden; und das in ihm gespeicherte Wasser im Turbinenbetrieb in den noch unvollständig gefüllten Restsee, der nun die Funktion des Unterbecken ausübt, einspeisen. Auch wenn dann im Laufe der Jahre durch andauernde Füllung der Pegel des Restsee langsam ansteigt, verringert sich zwar die maximale Pegeldifferenz zum voll gefüllten Speicherbecken 33, aber man kann immer Zusammenschaltungen der Pumpturbinen zu geeigneten Aggregaten finden, die den Anforderungen an die neue Situation der Druckhöhen entsprechen.

In Bild 14 wird der Modus des „Interimsbetrieb“ dargestellt: Das stattliche und jetzt auch noch gut sichtbare Speicherbecken 33 erhebt sich nun als Oberbecken weit in den noch nicht gefluteten Teil des Tagebauloches 00, welches durch die Terrassierung der Böschung 11 markiert ist.
Das Speicherbecken 33 verfügt über zwei funktional verschiedene Wasserkörper:

1. dem aktiv im Speicherbetrieb mit dem Unterbecken 0 austauschbaren Wasserkörper WK_aktiv; dieser besteht entsprechend den anliegenden Druckstufen wiederum aus mehreren Wasserkörpern (siehe /LuSchmB 2021_SeeEi5/, dort Bild 2: „Ringmauerspeicher mit sehr hohem Innenbecken als Oberbecken eines PSKW“), die den benötigten Pumpturbinen-Aggregaten (, also den einzelnen Verschaltungen der Pumpturbinen,) zugeordnet sind.
2. dem darunter liegendem Wasserkörper WKu, der als „Unterlage“ für WK_aktiv dient, um die bereits erreichte Pegelhöhe des Restsee 0 zu kompensieren und dazu noch die für den Betrieb des PSKW notwendige Mindest-Pegeldifferenz H_min bereitzustellen.

Irgendwann wird die auf diese Weise ausnutzbare Pegeldifferenz dh so klein , dass es sich lohnt, nicht mehr das gefüllte Speicherbecken 33 von oben in den Restsee zu entleeren., sondern nun - endlich bestimmungsgemäß-, Wasser aus dem Restsee 0 in das zunächst völlig leer gepumpte Speicherbecken zur Arbeitsverrichtung fließen zu lassen. Bei weiterer Auffüllung des Restsee ergeben sich dann auf diese Weise immer höhere Pegeldifferenzen, bis dann der Auslegungsfall erreicht ist und die maximale Pegeldifferenz zwischen dem Restsee 0 als Oberbecken und dem Speicherbecken 33 als Unterbecken zur Verfügung steht.
5.6 Speicherkörper mit einer Zwischen- Decke.
Mit dem im Abschnitt „5.1 Variable Parallel-Serienschaltung von Pumpturbinen zur Ausschöpfung eines hohen Speicherbeckens“ beschriebenen Verfahren hoffen wir, das Problem, welches hohe Speicherbecken mit der kleinen Druckhöhen- Toleranz der gängigen Pumpturbinen haben, zu lösen.
Was aber, wenn das aus irgendwelchen Gründen doch nicht funktioniert? Dann gibt es einen dreifachen, aber in allen Fällen nur mäßig attraktiven Plan B:

(1.) Eine mehrfach vorgehaltene Pumpturbinen -Kapazität, wobei für jede Druckstufe ein besonderer Satz von Pumpturbinen vorgehalten wird, der nacheinander zum Einsatz kommt.
(2.) Der Einsatz von wesentlich teureren Pumpturbinen mit einem außergewöhnlich großen Toleranzbereich.

Auf diese beiden Alternativen sind wir in den Beispielrechnungen in /LuSchmB 2021_SeeEi5/ eingegangen, um zu zeigen, wie schlecht sie im Vergleich zu der erfindungsgemäßen Lösung sind.
Neben der trivialen Lösung, durch Einziehen von Zwischendecken in die Speicherkörper die Speicherhöhe einfach zu beschneiden (siehe e.g. DE 10 2013 019776 B3 (/LuSchmB 2013_Bergei2/), gibt es noch eine weitere bauliche Maßnahme, die wir im Folgenden kurz besprechen wollen:

(3.) Ein Ringmauer-Staubecken mit einer Zwischen- Decke und einem Kurzschlussrohr.

In Bild 15 ist ein Ringmauer-Unterbecken 33 mit einer zusätzlichen Zwischendecke 310 gezeigt, welches sich in drei Wasserkörper WK_31, WK_30 und WK_32, unterteilt. Darüber hinaus enthält es noch - was für die Funktionsweise sehr wichtig ist - ein Kurzschlussrohr 612 zwischen dem obersten und dem untersten Wasserkörper, WK_32 und WK_31. Man beachte dass zwischen den beiden oberen Wasserkörpern, WK_30 und WK_32, keine materielle Abtrennung existiert, sondern die Abgrenzung nur durch das Niveau der oberen Öffnung des Kurzschlussrohr 612 definiert ist. Außerdem ist jeder der 3 Wasserkörper durch die Rohre 601,600 und 602, getrennt mit der Pumpturbinen-Einheit 77 verbunden.
Diese Konstruktion zielt auf die folgende Eigenschaft: Die Zwischendecke 310 muss maximal nur die Wassersäule der Höhe H0 aushalten. Das Kurzschlussrohr 612 sorgt nämlich dafür, dass Wasserdruck, der aus dem oberen Wasserkörper WK_32 stammt, nicht auf die Zwischendecke auflasten kann, da der Wasserkörper WK_31 immer dann aufgefüllt ist, wenn sich Wasser oberhalb der oberen Öffnung des Kurzschlussrohr 612 befindet.
Im Turbinenbetrieb werden zunächst im Parallelbetrieb mit verschiedenen, auf die jeweilige Druckstufe abgestimmten Pumpturbinen die beiden unteren Wasserkörper WK_31 und WK_30 aufgefüllt. Erst danach wird über einen weiteren Satz von Pumpturbinen der oberste Wasserkörper WK_32 beschickt.
Wenn es keine Zwischendecke gäbe, könnten die Pumpturbinen für die beiden untersten Wasserkörper nicht gleichzeitig laufen, da immer nur eine einzige Druckhöhe anliegen würde. Dadurch wäre (bei gleicher Leistung der Pumpturbinen) die verfügbare Leistung in diesen beiden Bereichen halbiert.
Der Betrieb im Bereich des obersten Wasserkörpers WK_32 wird durch das Vorhandensein der Zwischendecke 310 nicht beeinflusst.
Bevor man erwägt, eine weitere Zwischen-Decke einzubauen, sollte man sich den baulichen Aufwand vor Augen halten, den schon die eine Zwischendecke 310 erfordert. Sie muss den Wasserdruck der Höhe H0 aushalten und dafür auf vielen massiven Stützen oder tragenden Wänden (wie im Falle von DE 10 2020 111 844 A1 (/LuSchmB 2020_SeeEi3/) ) ruhen. Wegen der großen Spannweiten wird man halbkugelförmige Deckenkörper einsetzen (wie im Bild 15 angedeutet).
Der Einbau einer zweiten Zwischendecke -nennen wir sie 310x -, und zwar an der Grenzlinie zwischen den oberen Wasserkörpern WK_30 und WK_32, würde zu folgenden Veränderungen führen: Diese Decke 310x müsste den Wasserdruck der Höhe H2 aufnehmen und vermutlich wird man in einem worst case Szenario verlangen, dass sie eine Wasserhöhe bis zum Pegel des Oberbeckens aushalten können muss. Da die Energiedichte des Speicherwassers in Bezug auf den Oberbeckenpegel in dem obersten Wasserkörper am geringsten ist, bedarf es für eine gleiche Energieeinheit im obersten Wasserkörper die größte Höhendifferenz; dann wäre also H2 deutlich größer al H0 oder H1.
Aber auch die Auflast der unteren Zwischendecke 310 wäre nun deutlich größer, da sie nun nicht mehr maximal den Druck der Wasserhöhe H0 sondern den Wasserdruck der Höhe H0+H2 (+ Deckengewicht von 310x) auszuhalten hätte.
Der einzige Vorteil einer zweiten Zwischendecke 310x würde darin bestehen, dass nun die dem Wasserkörper WK_32 zugeordneten Turbinen bereits während (und nicht nach) der Laufzeit der Turbinen für die beiden unteren Wasserkörper WK_31 und WK_30 arbeiten könnten.
Analoge Überlegungen gelten für mutatis mutandis für den Pumpbetrieb.
Fazit: Die vorgeschlagene Sparlösung verlangt deutlich weniger Aufwand und erbringt dafür schon beachtliche Vorteile. Aber die maschinentechnische Lösung ist doch wesentlich eleganter.
6. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsmäßige Gesamtkonzept

• einer Ringstaumauer als Begrenzung eines hohen Speicherbeckens,
• in Kombination mit einer variablen Zusammenschaltung von Pumpturbinen zu Aggregaten, die verschiedenen Druckhöhen angepasst sind,
• und der wenig aufwendigen Erschließung des Beckenbodens zu einem zusätzlichen, tief liegenden Bodenloch-Speicherraum

Schlussfolgerung: Bereits bei einer großzügigen Realisierung der Erfindung auf dem Gelände des Hambacher Loches (Rheinisches Braunkohlerevier) könnte der entscheidende Schritt für die Absicherung der Energiewende durch Energiespeicher für den Bereich Kurzeitspeicher gelingen.
Insbesondere sind im Einzelnen die folgenden „Pluspunkte“ des Gesamtkonzeptes gegenüber dem Stand der Technik hervorzuheben.

1. Die Errichtung eines hohen Speicherbeckens in Form eines von einem Ringstaumauer umschlossenen Beckens vermeidet im Vergleich zu einem Unterwasser-PSKW (U.PSKW) die Erstellung eines schwer belastbaren „Deckels“, was bei großen Durchmessern und Bauwerkshöhen immer problematischer wird.
2. Die Errichtung einer Ring-Staumauer schließt eng an den seit Jahrzehnten erprobten Stand der Technik von Bogen-Staumauern an. Die Schließung der Bogenmauer zu einer Ringmauer mit ähnlichem Radius erscheint als eine einfache Extrapolation vorhandener, jahrzehntelang erprobter Technik.
3. Gegenüber einer Bogenstaumauer erledigt sich bei der Ringstaumauer ein wichtiges Problem von allein: Bei der Ringstaumauer gibt es keine u.U. schwierige seitliche Anbindung an massive Bergflanken mehr, denn die Ringstaumauer ist in ich selbst geschlossen.
4. Die Ringstaumauer unterliegt keinen seitlichen Verschiebekräften mehr, denn die ringsum wirkenden hydrostatischen Druckkräfte heben sich gegenseitig auf.
5. Die Errichtung eines hohen Speicherbeckens in Kombination mit einer variable Parallel-Serienschaltung von Pumpturbinen ermöglicht die besonders kosteneffiziente Erstellung eines PSKW, da sowohl der Pumpturbinensatz als auch der umbaute Speicherraum weitestgehend ausgenutzt wird; abgesehen von den kurzen Umschaltungsphasen sind alle verfügbaren Pumpturbinen während der gesamten Ladungs- oder Entladungszeit gleichzeitig im Einsatz.
6. Die zusätzliche Erschließung des Beckenbodens als Bodenloch-Speicherraum ermöglicht mit vorhandener Tagebautechnik die Aufgrabung von Speicherraum, der an seiner Oberkannte später bereits einige 100 m unter dem Stauziel liegt und außer der Befestigung seiner Böschung keinen weiteren „Behälterbau“ mehr erfordert. Man kann daher das Aufgraben des Bodenloch-Speicherraum mit der Anlage eines Seegewässers auf dem Plateau eines hohen Berges vergleichen.
7. Die durch das Konzept nahegelegte Option eines vorzeitigen und kaum Mehrkosten erfordernden Interim-Betriebes versöhnt die Investoren mit der ansonsten sehr langen Totzeit bis zum endgültigen Betrieb nach dem Abschluss der Flutung des Restsee.
8. Nach der vollständigen Flutung des Tagebauloches wird von dem gewaltigen Speicherbekken nur noch dessen Krone als interessante Insel im Freizeitsee zu sehen sein. Das Speichebecken ist zwar nicht unsichtaber, sondern bleibt sichtbar - aber doch nur in seinem schönstenAnblick ( nämlich der Krone) .

Nur ein kleiner Nachteil:

Als kleinen Nachteil muss man nur in Kauf nehmen, dass durch die Nutzung von minderwertigen Höhenlagen des Speicherwassers, auch der Pegelhub im zugehörigen Partnerbecken (also dem Restsee) überproportional stärker ansteigt.

Vision zum Abschluss:

Die Errichtung eines Ringmauer-Speicherbeckens, das später von einem großen Gewässer umgeben ist, läuft - im Weichbild gesehen- darauf hinaus, ein „Loch“ in das Gewässer einzubringen: das „See-Speicherloch“.
Die spannende Frage: Könnte man das auch im nach hinein machen, also ein „Loch“ in ein bestehendes Gewässer einfügen? Kandidaten derartiger tiefer Gewässer gäbe es wahrlich genug: Genfer See, Oberer See (USA) usw. und - last und nicht gerade least: das Meer. Im Gefolge des raschen Ausbaues der marinen Bergbau-Aktivitäten könnte man auf eine entsprechende Weiterentwicklung der Technologie hoffen.

Vermutlich wird dabei das schwierigste Problem im Bereich des dichten Fundamentes liegen. In einem Tagebauloch sollte man daher erwägen, noch in der Trockenphase schon die Fundamente für einen späteren Weiterbau zu legen.
Literatur:

/Goldisthal/: Homepage des Betreibers: https://powerplants.vattenfall.com/de/goldisthal
/Jenissei/ Sajano-Schuschensker Stausee am Jenissei, Russland. https://de.wikipedia.org/wiki/Sajano-Schuschensker_Stausee
/LuSchmB 2011_Bergei1/
Luther, G. und Schmidt-Böcking, H. (2011). „Schacht Pumpspeicherkraftwerk“, DE 10 2011 105 307 ; verfügbar über: http://www.fze.uni-saarland.de/Speicher.htm
/LuSchmB 2013_Bergei2/
Luther,G. und Schmidt-Böcking, H.: „Tiefschacht-Pumpspeicherkraftwerk“; DE 10 2013 019776 B3 ; verfügbar über: http://www.fze.uni-saarland.de/Speicher.htm
/LuSchmB 2019_SeeEi1/, Luther, G. und Schmidt-Böcking, H.: „Verfahren zur Errichtung eines Pumpspeicherkraftwerks in einer Bodenvertiefung, insbesondere in einer Tagebaugrube“ ; DE 10 2019 118 725 A1 , verfügbar über: http://www.fze.uni-saarland.de/Speicher.htm PCT/EP2020/ 069 028
/LuSchmB 2019_SeeEi1v/, Luther, G. und Schmidt-Böcking, H.: „Verfahren zur vorläufigen Nutzung eines zumindest teilweise errichteten unteren Reservoirs für ein Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerk“; DE 10 2019 118 726 A1 , verfügbar über: http://www.fze.uni-saarland.de/Speicher.htm DE 10 2019 118 726 B4 ,
/LuSchmB 2020_SeeEi2/: Luther, Gerhard und Schmidt-Böcking, Horst: „Unterwasser-PSKW im Tagebau-Restsee“ DE 10 2020 002 609 A1 ; verfügbar über: http://www.fze.uni-saarland.de/Speicher.htm
/LuSchmB 2020_SeeEi3/: Schmidt-Böcking, H und Luther, G.: „Modulares Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerk-Reservoir“ DE10 2020 111 844 A1 ; verfügbar über: http://www.fze.uni-saarland.de/Speicher.htm
/LuSchmB 2021_SeeEi4/: Luther, G. und Schmidt-Böcking, H.: „Pumpspeicherkraftwerk mit einem von einer Ringstaumauer umschlossenen Speicherbecken“ DE10 2021 002 xxx.y4; verfügbar über: http://www.fze.uni-saarland.de/Speicher.htm
/LuSchmB 2021_SeeEi5/: Luther, G. und Schmidt-Böcking, H.: „PSKW mit variabler Parallel-Serienschaltung von Pumpturbinen zur Ausschöpfung eines hohen Speicherbeckens“ DE10 2020 111 xxx.y5; verfügbar über: http://www.fze.uni-saarland.de/Speicher.htm
//Popp 2009/: Popp, Mathias: „Ringwallspeicher“, DE10 2009 005360 B4
/Popp 2021/ : Aktualisierte Themenseite zum Ringwallspeicher: http://www.poppware.de/Index.htm und Folgeseiten , insbesondere http://www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Bauweisen.htm http://www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Groesse.htm http://www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Beispiel.htm)
/Popp 2021_A/: http://www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Groesse.htm , dort Bild 3. „Ringwallspeicher auf dem flachen Land im Querschnitt“, und: http://www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Bauweisen.htm, dort Bild 3. Ringwallspeicher im Meer mit erhöhtem Innenbecken
/Siol 1995/: Siol, Ursula 1995: „Pumpspeicherwerk“, DE19513817 B4 ,
/Sterner-Stadler 2014/: Sterner, Michael und Stadler, Ingo (2014); „Energiespeicher -Bedarf, Technologien, Integration“; Springer Verlag Berlin Heidelberg; ISBN = 978-3-642-37379-4)
/Thüringen 2011/ : Freistaat Thüringen (2011): „Pumpspeicherkataster - Ergebnisse einer Potenzialanalyse“, https://www.thueringen.de/de/publikationen/pic/pubdownload1272.pdf; dort Bild 2
/Bild der Wissenschaft/: Bild der Wissenschaft Heft 10/2010
/Wikipedia ##Bogenstaumauer/. aufgerufen 12.4.2020) https://www.wikiwand.com/de/Bogenstaumauer
/Wikipedia ##Bogengewichtsstaumauer/: ( aufgerufen 12.4.2020) ; https://www.wikiwand.com/de/Bogengewichtsmauer

Liste der Bezeichnungen, teilweise mit Kurzerklärung

0: freies Seewasser, ohne Bebauung;
00: Noch nicht mit Wasser aufgefüllter Teil des späteren Restsee
1: Untergrund, z.B. der Seeboden oder auch der seitliche Hang der Rinne.
11: seitliche Böschung des Restsee
12: Seitliche Befestigung durch Abraumhalde
3: Ring-Staumauer, elementare Speicher-Grundzelle („SeeLoch“),
300: Arbeitssee (mit kleinem Hub), „Obersee“ des U.PSKW
33: Ringmauer -Becken von einer Ring-Staumauer 3 eingefasst,
333: Erweitertes Unterbecken, Kombination aus Ringmauer -Becken 33 und Bodenloch-Speicherraum 37.
37: Bodenloch-Speicherraum, der aus dem Abtragen von Bodenschichten im Innern des Ringmauerbeckens 33 entstanden ist.
376: Druckleitstruktur innerhalb der Randbereiche des Bodenloch-Speicherraumes 37 , bestehend z.B. aus senkrechten eng aneinander stehenden Hohlprismen, die zur Stabilisierung der Böschung seitlichen Druck aufnehmen und ableiten
44: Zugangsschacht (oder auch Verbindungsrohr) zwischen Pumpturbinen- Einheit 77 und freiem See 0.
5: Außenanbindung einer oder mehrere Strecken 67; dies kann durch einen Versorgungs- und Personenschacht oder auch durch eine steile aber noch befahrbare Tunnelröhre realisiert werden.
6: Sammelrohr als Zuleitung zur Pumpturbine , Verbindungsrohr, Verteilungsrohrwerk
60: Boden, u.U. auch mit Logistik und Zufahrtswegen
600, 601. 602: Verbindungsrohre von den Wasserkörpern WK_30, WK_31 bzw. WK_32 zur Pumpturbinen-Einheit 77
612: „Kurzschlussrohr zwischen den Wasserkörpern WK_31 und WK_32, eine kurzes Verbindungsrohr von Kugel zu Kugel“
67: Befahrbare Strecke im Seeboden 1, die auch die hydraulischen Verbindungrohre 6 beherbergt, zur Verbindung der Unterbecken untereinander bzw. mit einem zentralen Maschinenhaus 777.
7: Pumpturbine
77: Pumpturbinen Einheit. für eine Gruppe von Pumpturbinen
771: Aufnahmestation als Verbindung zu einer zentralen Pumpturbineneinheit 77
777: Zentrales Maschinenhaus als selbständige Einheit („Unterwasserbunker“), der alle Pumpturbinen einer PSKW-Anlage enthält.

Ausführliche Bildbeschreibung
Bild 1: Stand der Technik: Ringwallspeicher auf dem flachen Land mit erhöhtem Innenbekken als Oberbecken (Prinzipdarstellung in Anlehnung an /Popp 2021_A/; in eigener Bezeichnung)
Für dieses Bild wurden Zeichnungen aus zwei Quellen /Popp 2021_A/ herangezogen:
(1.) http: /www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Groesse.htm , dort Bild 3: „Ringwallspeicher auf dem flachen Land im Querschnitt,“
und (2.) http://www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Bauweisen.htm,
dort Bild 3: „Ringwallspeicher im Meer mit erhöhtem Innenbecken“

WK0 = Austauschvolumen für den Pumpspeicherbetrieb
WKu = unter WK0 liegender Wasserkörper, der hier nur als „Unterlage“ dient.
a = Abgrabungstiefe zur Gewinnung des Schüttmaterials für den Ringwall
Hmax = maximale Pegeldifferenz zwischen Oberbecken und Unterbecken
H0 = mittlerer Höhenunterschied zwischen Oberbecken und Unterbecken,
dh0 = maximale Pegelschwankung im Oberbecken

Bild 2: PSKW mit einem durch eine Ringstaumauer 3 vom Obersee 0 abgetrennten Unterbekken 33, an dessen Boden-Fundament 6 randständig die Pumpturbinen angeordnet sind, die das Speicherwasser über breite seitliche Zugangsschächte 44 aus dem Obersee 0 beziehen.

12 = seitliche Abstützung der Staumauer durch Abraumhalde
3 = Ring-Staumauer
33 = Unterbecken, von einer Ringstaumauer 3 umschlossen
44 = Zugangsschacht (oder auch Verbindungsrohr) zwischen Pumpturbinen- Einheit 77 und freiem See 0.
60 = Bodenfundament, u.U. auch mit Logistik

Bild 3: Pumpspeicherkraftwerk bestehend aus dem Restsee 300 eines ehemaligen Tagebauloches als Obersee und einem (oder mehreren, im Bild sind es vier) Unterbecken 33, welches sich als Innenbereich einer über der tiefen Abbaurinne errichteten Ring-Staumauer 3 ergibt.

300 = Rekultivierungssee im aufgelassenen Tagebauloch Speicher: 0_Bilder_HSB2019.1124_#2021.0417_HambacherWasserbatterie-mitSegler_Gesamt.PSKW_31p

Bild 4: Ringmauerspeicher mit sehr tiefem Innenbecken als Unterbecken eines PSKW (Prinzipdarstellung).

0 = freies Seewasser, ohne Bebauung, hier als Oberbecken genutzt.
1 = fester Untergrund,
3 = Hohes Unterbecken, hier durch eine Ring-Staumauer umschlossen.

WKi = Wasserkörper, Nummerierung i (i=0;1;2;3) von unten nach oben
WK0 = unterster Wasserkörper, der immer als Arbeits-Speicher genutzt wird
Hi = Druckhöhe als mittlerer Höhenunterschied zwischen dem Wasserkörper WKi (mit i=0; 1 ;2;3) und dem dazugehörigen mittleren Pegel des Oberbeckens innerhalb des Arbeitsabschnitts, in dem sich der Wasserpegel des Unterbeckens im Bereich der WKi befindet.

Bild 5: Variable Serien-Parallelschaltung von 12 Pumpturbinen für 4 Druckstufen, die sich jeweils aus der Parallelschaltung der Stränge mit 4 (Bild 5a), oder 3 (Bild 5b), oder 2 (Bild 5c) in Serie geschalteten Pumpturbinen oder einer einzigen Pumpturbine (Bild 5d) ergeben.
Bild 6: Ringmauerspeicher mit sehr tiefem Innenbecken als Unterbecken eines PSKW (Prinzipdarstellung).

0 = freies Seewasser, ohne Bebauung, hier als Oberbecken genutzt.
1 = fester Untergrund,
3 = Hohes Unterbecken, hier durch eine Ring-Staumauer umschlossen.
WKi = Wasserkörper, Nummerierung i (i=0;1;2;3) von unten nach oben
WK2a = Zusatz-Wasserkörper, falls eine Lücke zwischen WK2 und WK3 besteht
WK0 = unterster Wasserkörper, der immer als Arbeits-Speicher genutzt wird
Hi = Druckhöhe als mittlerer Höhenunterschied zwischen dem Wasserkörper WKi (mit i=0;1;2;3) und dem dazugehörigen mittleren Pegel des Oberbeckens innerhalb des Arbeitsabschnitts, in dem sich der Wasserpegel des Unterbeckens im Bereich der WKi befindet.

Bild 7: Variable Serien-Parallelschaltung von 8 Standard- Pumpturbinen und 8 Halb-Pumpturbinen für 5 Druckstufen.

77_28 = Aggregat von Pumpturbinen , das logisch in 8 parallele Strängen mit jeweils 2 hintereinandergeschalteten ungleichen Pumpturbinen gegliedert ist.;
71 = „Halb-Pumpturbine“, eine Pumpturbine, die auf die halbe Leistung und die halbe Druckhöhe der Standard Pumpturbine 7 ausgelegt ist.
72 = Doppelpack von 2 hintereinandergeschalteten „Halb-Pumpturbinen“ 71 Das Doppelpack 72 ist funktional äquivalent zu einer Standard Pumpturbine 7 und kann dieselbe in einem Pumpturbinen -Aggregat ersetzen.

Bild 8: Variable Serien-Parallelschaltung von 12 Pumpturbinen für 4 Druckstufen, die sich jeweils aus der Parallelschaltung der Stränge mit 4 (Bild 8a), oder 3 (Bild 8b), oder 2 (Bild 8c) in Serie geschalteten Pumpturbinen oder einer einzigen Pumpturbine (Bild 8d) ergeben.

7 = Pumpturbine
77_zs = Aggregat von Pumpturbinen , das logisch in s parallelen Strängen mit jeweils z hintereinandergeschalteten Pumpturbinen gegliedert ist.; man kann z auch als Zeile 2 und s als „Spalte“ lesen. Das Zeichen C bedeutet hexadezimal die Zahl 12.
Hj = Druckhöhe die sich am Pumpturbinen-Aggregat beim Durchlaufen des Pegels durch den Wasserköper WKj ergibt. (mit j = 0; 1; .2; .3)
61 =Oberer Verteiler
62 = Unterer Verteiler

Bild 9: Erweitertes Unterbecken 333 mit einem zusätzlichen Bodenloch-Speicherraum 37, hier dargestellt als ein nach Methoden des Tagebaues hergestelltes terrassiertes Loch. Am tiefsten Punkt befindet sich der Maschinenbunker 77 mit den Pumpturbinen und einem Zugang 44 zum Oberbecken, dem freien Seewasser 0.

333 = Erweitertes Unterbecken, Kombination aus Ringmauer -Becken 33 und Bodenloch-Speicherraum 37.
37 = Bodenloch-Speicherraum
44 = Zugangsschacht (oder auch Verbindungsrohr) zwischen Pumpturbinen- Einheit 77 und freiem See 0.

Bild 10: Bodenloch-Speicherraum 37 mit einer Stabilisierung einer besonders steilen Böschung durch eine Druckleitstruktur 376. Innerhalb des Randbereiches des Bodenloches 37 werden z.B. flächig aneinander gebaute druckfeste Speicherkörper nach DE 10 2020 111 844 A1 (/LuSchmB 2020_SeeEi3/) errichtet, die einen seitlichen Druck aufnehmen und ableiten. Die Speicherkörper in 376 sind offen und verbleiben im hydraulischen Ausgleich untereinander und mit dem gesamten Becken, so dass die Wände keinen direkt anstehenden hydraulischen Druckunterschied ausgesetzt sind sondern eben nur als Druckleitstruktur eingesetzt wund dimensioniert werden.

333 = Erweitertes Unterbecken, Kombination aus Ringmauer -Becken 33 und Bodenloch-Speicherraum 37.
376 = Druckleitstruktur innerhalb der Randbereiche des Bodenloch-Speicherraumes 37 , bestehend z.B. aus senkrechten eng aneinander stehenden Hohlprismen, die zur Stabilisierung der Böschung seitlichen Druck aufnehmen und ableiten
771 = Aufnahmestation als Verbindung zu einer zentralen Pumpturbinenstation 77

Bild 11: Bodenloch-Speicherraum 37. Rechenmodell des erweiterten Unterbecken 333 als Kombination aus zylindrischem Ringmauer -Becken 33 und einem Kegelstumpf als Bodenloch-Speicherraum 37.

333 = Erweitertes Unterbecken, Kombination aus Ringmauer -Becken 33 und Bodenloch-Speicherraum 37.
37 = Bodenloch-Speicherraum

Bild 12: Anbindung eines als Unterwasser-Bunker ausgeführten, zentralen Maschinenhauses 777
einerseits zu den einzelnen Ringmauer-Unterbecken 33 (oder Erweiterten Unterbekken 333) über Verbindungstunnel 67, die die Wasserrohre und eine befahrbare Zuwegung enthalten ,
und andererseits zu einer Anschlussstelle am Ufer über einen Außenanbindung , die als Tunnel 5 zu einer Anschlussstelle am Ufer Außensees ausgeführt ist.

5 = Tunnel zu einer Anschlussstelle am Ufer des Außensees
67 = Verbindungstunnel, die die Wasserrohre und eine befahrbare Zuwegung enthalten
777 = Zentrales Maschinenhaus als selbständige Einheit („Unterwasserbunker“), der alle Pumpturbinen einer PSKW-Anlage enthält.

Bild 13: Querschnitt durch Ringmauer-Unterbecken 33 mit inwendig angebrachtem spiralförmigem Fahrweg 53 von der Krone des Beckens bis zum Boden.

53 = spiralförmigem Fahrweg von der Krone des Beckens bis zum Boden

Bild 14: Interims-Betrieb: Ringmauerspeicher mit hohem Innenbecken als Oberbecken eines PSKW während der Auffüllungsphase des Restsee (Prinzipdarstellung, nicht maßstabsgerecht).

0 = freies Seewasser, ohne Bebauung, hier als Unterbecken genutzt.
00 = Noch nicht mit Wasser aufgefüllter Teil des späteren Restsee
1 = fester Untergrund,
11 = seitliche Böschung des Restsee
3 = Ring- Staumauer umschließt das Speicherbecken, welches während der Auffüllungsphase des Restsee zunächst als Oberbecken genutzt wird.
WK_aktiv = Wasserkörper, der als Arbeitsspeicher zur Energiespeicherung erschlossen werden kann.
WKu = Unterster Wasserkörper, der die für den Kraftwerksbetrieb notwendige Mindesthöhe gewährleistet
H_interim = Druckhöhe als mittlerer Höhenunterschied zwischen dem Wasserkörper WK_aktiv und dem dazugehörigen mittleren Pegel des Unterbeckens.
dh = maximale Pegelschwankung im aktiven Wasserkörper WK_aktiv

Bild 15: Ringmauer -Unterbecken 33 mit einer Zwischendecke 310 und einem Kurzschlussrohr 612 zwischen einem obersten und einem untersten Wasserkörper, WK_32 und WK_31.

310 = Zwischendecke zwischen dem untersten und dem mittleren Wasserkörper eines Ringmauer -Speichers
612 = Kurzschlussrohr zwischen einem obersten und einem untersten Wasserkörper.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19513817 B4 [0008, 0109]
DE 102019118725 [0008]
DE 102019118726 [0008]
DE 102020002609 A1 [0008, 0009, 0011, 0013, 0045, 0109]
DE 102020111844 [0010]
DE 102011105307 [0015, 0072, 0109]
DE 102014007184 A1 [0015]
DE 102013019776 B3 [0015, 0072, 0096, 0109]
DE 102019118725 A1 [0045, 0071, 0109]
DE 102020111844 A1 [0045, 0072, 0075, 0101, 0109, 0119]
DE 102019118726 B4 [0071, 0089, 0109]
DE 102019118726 A1 [0109]
DE 102021002 [0109]
DE 102020111 [0109]
DE 102009005360 B4 [0109]

Claims

Pumpspeicherkraftwerk(PSKW) vornehmlich mit großer Variation der Höhendifferenz zwischen Ober und Unterbecken dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines das Speicherbecken durch eine ringförmig geschlossene Staumauer (Ring-Staumauer) gebildet wird.
PSKW nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Bodenvertiefung eines abgeschlossenen Tagebaues (Tagebauloch) eine ringförmig geschlossene Staumauer (Ring- Staumauer) in ihrem Außenraum das Oberbecken und in ihrem Innenraum das Unterbecken bildet.
PSKW nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es über mehrere Pumpturbinen verfügt, die als Einzelstrang oder als eine Parallelschaltung mehrerer gleichartiger Stränge zu einem Aggregat zusammengefasst sind, und deren Anzahl in einem Strang so bemessen ist, dass sich die anstehende Pegeldifferenz innerhalb des Toleranzbereiches der resultierenden Druckhöhe des Stranges befindet und dass die zu einem bestimmten Aggregat zusammengefassten Pumpturbinen durch eine Umschaltvorrichtung in ein anderes Aggregat überführt werden können und dass während eines durchgehenden Speicher- oder Ausspeicher-Prozesses bei einem Überwechseln der Pegeldifferenz zwischen Ober- und Unterbecken in eine andere Druckstufe die erwähnte Umschaltvorrichtung die Pumpturbinen zu demjenigen Aggregat zusammenschaltet, welches für die neue Druckstufe ausgelegt ist.
PSKW nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Pumpturbinen gleichartig sind.
PSKW nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass es neben einer Klasse von Standard -Pumpturbinen mit der Druckhöhe H_P noch eine zweite Klasse von „Bruchteil - Pumpturbinen“ mit der Druckhöhe b * H_P und in einer Anzahl M_b gibt, wobei das Produkt aus Bruchteil b und Anzahl M_b ganzzahlig ist.
PSKW nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Ringstaumauer umschlossene Boden zur Erhöhung der Speicherkapazität des Unterbeckens zu einem vornehmlich trichterförmigen Bodenloch ausgehoben wird
PSKW nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aushebungstrichter oder Teilbereiche desselben im vom Tagebaubetrieb her bekannten Terrassenverfahren ausgehoben wird.
PSKW nach Anspruch 6 und Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Aushebungstrichter oder Teilbereiche desselben zur Verbesserung der Standfestigkeit der nach innen verlaufenden Böschungen durch druckfeste Speicherhohlkörper, und zwar vornehmlich durch eine modulare Anordnung mehrerer einzelner, vornehmlich flächig aneinanderangrenzender Druckbehältermodule nach DE 10 2020 111 844 A1 oder durch Hohlkugelspeicher nach DE 10 2020 002 609 A1 und DE 10 2019 118 725 A1, ausgefüllt wird
Verfahren bei der Aushebung des Bodenloches nach Anspruch 6 bis Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Aushub des Bodenloches hinter der sich noch im Aufbau befindlichen aufstrebenden Ringmauer 3 wieder abgekippt wird, wobei im Endzustand ein weitgehend ebener und stabiler neuer Seeboden entsteht.
Verfahren zum vorläufigen Betrieb eines PSKW nach Anspruch 1 bis 9 in einem erst teilweise mit Wasser gefülltem Restsee eines Tagebauloches dadurch gekennzeichnet, dass das im endgültigen Betrieb als Unterbecken 33 oder 333 vorgesehene Speicherbecken zwischenzeitlich als Oberbecken, und der erst wenig mit Wasser gefüllte spätere Restsee 0 als Unterbecken eingesetzt werden.
PSKW, errichtet im Gelände eines abgeschlossenen Tagebauloches, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem gewachsenen Boden der länglichen Abbau Rinne mehrere Unterbecken mit jeweils eigener Ring-Staumauern errichtet sind.
PSKW nach Anspruch 11 und einem oder mehreren der sonstigen vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenhaus zur Versorgung einer oder mehrerer Ringmauer-Unterbecken außerhalb derselben in einem Unterwasserbunker untergebracht ist und durch einen oder mehrere Verbindungstunnel 67 direkt oder indirekt mit allen Ringmauer-Unterbecken verbunden ist und über eine befahrbare Zuwegung 53, die als oben offene oder auch druckfest umschlossene, spiralförmig an der Innenseite eines Ringmauer-Unterbecken verläuft, oder einen im Oberbecken verlaufenden Tunnel 5 zum Ufer mit der Umgebung des PSKW verbunden ist.
PSKW umfassend ein durch eine Ringmauer 3 gebildetes Unterbecken 33 nach Anspruch 2 und einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, welches mit einer zusätzlichen Zwischendecke 310 zwischen dem untersten und dem mittleren Wasserkörper und einem Kurzschlussrohr 612 zwischen dem obersten und dem untersten Wasserkörper ausgestattet ist.