DE102021004099A1 - Pumped storage power plant with a storage basin enclosed by a circular dam - Google Patents
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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.A power supply mainly from wind and photovoltaics requires, among other things, large short-term storage. In addition to batteries, advanced, large pumped storage power plants with a high level lift in one of the storage basins, e.g. a high lower basin 33 delimited by a closed ring dam 3 within an opencast mine residual lake 0, are possible. The invention proposes an expansion of the storage volume as a bottom hole storage space 37 into the bottom of the lake and enables an almost complete utilization of the energetic potential of the high total basin 333 through a variable and depending on the pressure level controlled interconnection of several standardized pump turbines, which are then all used in differently combined units at any time.
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.The invention relates to a pumped storage power plant (PSKW) which has a storage basin, the storage energy of which is determined less by its altitude, but rather by its overall height.
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.An important application of such a high storage basin results as a lower basin enclosed by a circular dam within an abandoned open-cast mine, the remaining lake of which serves as the upper basin of the PSKW.
1. Derzeitiger Stand der Technik:1. Current state of the art:
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.PSPs are built in such a way that a body of water can be exchanged using pump turbines between two basins, the levels of which are at different levels. Normally, the difference in level in the upper and lower basins is mainly caused by the altitude of the upper basin and less by the level difference within a basin that occurs during operation. The altitude of the upper basin results from the height profile of the landscape.
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% .For example, the PSKW Goldisthal (/ Goldisthal /) has a reservoir as its lower basin, which is formed by the Salza river, and the upper basin was built by a wall on a mountain, the top of which was removed. The most powerful German PSP with 1.06 GW has a nominal level difference of 302 [m] and a level fluctuation of up to 20 [m] in the lower basin and up to about 24 [m] in the upper basin. The maximum height tolerance to which the pump turbines have to adapt is 44 m, which is only +/- 7.3% in relation to the nominal level difference.
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.However, there are also considerations to set up PSKW in a natural landscape that does not have a sufficiently large difference in height. For this purpose, for example, in the "Ringwallspeicher project" (/ Popp 2009 /), which was worked out by Mathias Popp over many years (/ Popp 2021 /), an inner high upper basin is built up as a circular wall, whereby the material from the excavation of the lower basin, which concentrically surrounds the ring wall and is characterized by its excavation depth a (Fig. 1). Ring wall storage facilities could be built on land as well as in bodies of water and also in transition zones between land and bodies of water.
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 Hmax = 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.
Die Verhältnisse werden in
- (1) The backfilling of a dam, which, due to its heavy weight, has to neutralize the strong displacement force of the water pressure, leads to enormous dimensions for the width of the dam in the case of high water levels. This may well be justified in the case of very large diameters of the ring wall - in his visionary “Ring wall storage project” (/ Popp 2021 /) Popp calculates a diameter of approx. 6 km and a maximum height of H max = 235 m; But in the case of ring basins with a significantly smaller diameter (eg only 1 to 2 km), a heaped dam becomes too expensive. This is all the more true if a significantly higher amount is also required at the same time.
- (2) The water body enclosed by the ring wall, which is used, for example, as the upper basin of a PSKW, extends down to the level of the lower basin, but its high height is used to a considerable extent only to achieve a minimum height for the level difference that is suitable for the pump turbine set to ensure. The level swing dh0 in the upper basin is therefore limited from the outset to a small area and thus also restricts the water body WK0 in the upper basin that is actually used for storage work. The height of the lower body of water WKu, which does not actively participate in the exchange of storage energy, is approx. 150 m in (/ Popp 2021 /), while the active exchange volume of the body of water WK0 by the mean level difference of 200 m by +/- 35 m ( i.e. by 17.5%).
The relationships are shown in Figure 1, which has been compiled slightly changed from / Popp 2021 /.
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.
- The inventors have set themselves the task of creating the conceptual prerequisites for a PSKW that uses a residual open pit lake as an upper basin, and to design a technically and economically suitable lower basin for this purpose.
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
Die Patentanmeldung
In
Der ausgegliederte Teil von
Man kann vom Stand der Technik ausgehend auf drei verschiedenen Wegen zu dieser erfindungsgemäßen Grundidee gelangen:Starting from the state of the art, one can arrive at this basic idea according to the invention in three different ways:
(1.) Vom hohen und breiten Unterwasserbecken zur Ringstaumauer(1.) From the high and wide underwater basin to the circular dam
Wir haben uns in
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
When you get thicker, it becomes more and more time-consuming to put a suitable and pressure-resistant "lid" on the huge storage tubes. If the height is increased further, however, it becomes easier to make the cover pressure-resistant, since the load pressure decreases as the overlap height with seawater and / or overburden decreases. The point of interest is reached when the storage tubes rise above the surface of the lake and are all grouped together into a single large circular reservoir. What has now arisen can also be called differently: A ring-shaped closed dam wall within the rest of the lake, the interior of which represents the lower basin and the exterior of which the upper basin of a pumped storage power plant. We refer to this full-circle dam as the “ring dam” 3, which is the
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.One can ask: why is the full-circle dam not state-of-the-art for a long time? The answer is simple: this amazingly simple idea is only suitable for deep, completely closed holes and not for damming up a deep valley. So the hole must already be there and not first created by the dam from a long valley. But this is exactly the case with the opencast mine holes.
(2) Vom Tiefschacht zur Ringstaumauer(2) From the deep shaft to the circular dam
Auch in
(3.) Vom Ringwall zur Ringstaumauer(3.) From the ring wall to the ring dam
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.The concept of the ring wall storage system according to M. Popp (/ Popp 2009 /) has already been explained above. The way from this concept to the circular wall storage tank according to the invention is a long one: M. Popp's ingenious trick of creating a lower basin in a flat landscape by dredging an outer circular basin and then layering the excavation to create a wall to enclose an upper basin, is not advantageous for an abandoned open pit mine, and probably not feasible at all.
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.The idea of the ring wall storage facility is also aimed at significantly larger PSKW storage capacities, as would be necessary for storage over many days to cover dark doldrums and periods of shortage lasting several days. On the other hand, we represent the dual storage concept, according to which a complete backup of the power supply takes place via gas power plants and the short-term storage capacity to be provided by PSKW or large battery storage only takes on the task of the amount of gas required, which is costly and with heavy losses when the energy transition is completed would have to be generated from RE, to reduce - for example to halve.
In the chapter “3.1 Comparison of circular wall storage versus circular wall storage” we show that circular wall storage and circular wall storage complement each other in their area of application for physical and technical reasons.
2. Lösungsansatz2. Solution
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.The inventors have set themselves the task of creating the conceptual prerequisites for a PSKW that uses an open pit residual lake as an upper basin, and to design a technically and economically suitable lower basin for this purpose.
Die erfindungsgemäße Lösung setzt auf ein PSKW, dessen Unterbecken
Das Triebwasser wird beispielsweise über ausreichend groß dimensionierte seitliche Zugangsschächte
Bild 3 zeigt die Draufsicht auf den Restsee eines Tagebauloches
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.Many dam walls, especially in narrow, high valleys, are designed as segments of a circle, the bulges of which protrude outward into the reservoir. With this slim type of dam, eg the so-called "arch dam", the lateral pressure of the water is not absorbed by the great weight of the thick wall as with a "weight dam", but elegantly by the curved wall on the lateral anchoring in the mountain diverted (more detailed descriptions and clear pictures can be found at Wikipedia (/ Wikipedia ## Arch dam /). A special type of dam is known as an arch weight dam (/ Wikipedia ## arch weight dam /); it is a mixture of a weight dam and an arch dam. We include with the general term " Dam “all types of that kind. Due to the ring-shaped closure of the dam, however, certain aspects that are important for the construction of barrier structures, such as the load on the valley flank, are obsolete.
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.In the case of the symmetrical, (more or less) circularly closed ring dam, which we have shown as a borderline case, the lateral sliding pressure of the water is canceled out for reasons of symmetry; because the water level in the Rundumsee is the same everywhere and at all times. The dam just needs to be tight and withstand the pressure difference between inside and outside. The bottom of the inner basin must - and this is no different than on the valley side of the usual dam walls - withstand the high water pressure of the "groundwater", which tries to create an "artesian well" at weak points. It is important that the lower basin as a whole has no buoyancy and therefore cannot float, because it is not surrounded from below by freely accessible and strongly flowable pressurized water. In the event of a “worst case” dam break, the lower basin may develop into a gigantic stilling basin, but it cannot float up.
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
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.This method of variable series parallel connection of pump turbines even enables a further increase in the overall height of the lower basin, which can be achieved according to the invention by properly deepening the bottom of the lower basin, depending on the geological conditions.
3. Grundlegende Eigenschaften3. Basic properties
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.In the following we want to consider some basic properties of the proposed approaches according to the invention for the construction of a PSKW with a storage basin formed by a ring dam. Further additions and important detailed questions are then dealt with in
3.1 Vergleich RM-Speicher vs. U.PSKW und RW-Speicher3.1 Comparison of RM storage versus U.PSKW and RW storage
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.The following are important properties of the following three types of unconventional storage tanks
Ringwall storage facility (RW.Sp)
Circular Wall Storage (RM.Sp)
Underwater PSKW (U.PSKW)
are worked out on the basis of simple physical relationships and scales and their areas of application are weighed up against each other.
Zum Ringwall-Speicher (RW.Sp):To the ring wall storage facility (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 ;
In seinen Rechnungen benutzte Popp (/Popp 2009/,/Popp 2021/) als Ringwallsteigung den Wert:
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.
- The dam height dependency is fundamentally different for the thickness s of a dam. The dam holds together due to the strength of the concrete. The acting forces are passed on tangentially via the lateral anchoring to the reception camp in the rock. With the ring dam there are no longer any pushing forces: the ring rests free of shifting forces in the lake, as the shifting forces cancel each other out via the closed ring.
Die Festigkeit eines kesselförmigen Gebildes wird durch die Kesselformel beschrieben, die für zylinderförmige Gebilde mit dem Durchmesser D die Tangentialspannung σt im Beton angibt:
Zulässig sind diese mechanischen Spannungen σt nur, wenn sie von der Festigkeit des Betons, σBeton, noch ausgehalten werden, also wenn für die auf den Durchmesser D des zylinderförmigen Hohlkörpers bezogene Wanddicke s gilt:
These mechanical stresses σ t are only permissible if they can still be withstood by the strength of the concrete, σ concrete , i.e. if the following applies to the wall thickness s related to the diameter D of the cylindrical hollow body:
Die Konstante c_B
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:First of all, the boiler formula GI (3) has proven itself for boilers and also for large pressure vessels in construction engineering. For larger diameters it will probably remain valid for a while to a good approximation, but it is completely unsuitable for straight walls:
Schreiben wir GI(5) in Analogie zu GI(1):
- • Die Mauerdicke s hängt also vom Produkt (D*H) ab, und nicht mehr wie beim Ringwall allein von der Höhe H.
- • The wall thickness s therefore depends on the product (D * H) and no longer solely on the height H as in the case of the ring wall.
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
- If we consider namely at a fixed height H for a small slice of height, ie the ratio of benefit to expenditure as the quotient X of stored energy to the required storage volume, then this results for the ring wall
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 XRM enthält ja den Durchmesser D gar nicht mehr
- • Bei großen Durchmessern D werden die spezifischen Baukosten für Ringwälle (Xwall) immer günstiger und bei genügend Vorstellungskraft für die Ausmaße irgendwann automatisch zur preiswerteren Alternative.
- • With the same usable volume, circular walls can be used to build many pools with a small diameter as well as a few large pools at the same cost, because the code number X RM no longer includes the diameter D at all
- • In the case of large diameters D, the specific construction costs for ring walls (X wall ) are becoming cheaper and, with enough imagination for the dimensions, they will automatically become a cheaper alternative at some point.
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.For this reason, for an increasingly gigantic solution, in the end, only the circular wall storage system is considered, but below that, the circular wall storage system remains as the often cheaper solution. Only a project-related cost estimate can reveal where this limit lies, and of course many other factors also play a role.
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.In densely populated Germany, we give the curtain wall storage facility a good chance, primarily because of its ability to be split up into smaller units at low cost. Especially in the "huge" Hambacher Loch there is a great advantage for the ring wall storage compared to the ring wall, because the excavation from the history of the open pit is in bulk and does not seem suitable, untreated, can be used as an inexpensive building material for the filling of a very high embankment to be.
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
Veranschaulichung: „Böschungssteigung“ einer StaumauerIllustration: "Slope slope" of a dam wall
Auch für die Ringwallmauer kann man formal so etwas wie eine „Böschungssteigung“ , m.RM , ausrechnen:
Mit GI(
Für die Materialkonstante c_B wählen wir einen runden Wert für einen einigermaßen hochfesten Beton:
dann ergibt sich nach GI(
Die Dicke einer derartigen Staumauer in H=400 m Höhe beträgt also
then according to Eq. (
The thickness of such a dam wall at a height of H = 400 m is therefore
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.However, this value should not be compared with the base widths of constructed dams of this height, as the compressive strength of the floor must also be taken into account for the foot that rests on the floor and a wider “shoe” is usually used for the stand area.
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 A1DE 10 2020 002 609 A1und DE (/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:10 2020 111 844 A1 - Man sieht das U.PSKW von außen nicht, das Unterbecken bleibt „unsichtbar“ in der Tiefe des Obersees verborgen.
Allerdings kann andererseits eine aus dem Wasser herausragende Insel durch geschickte landschaftliche Einbindung und Ausbildung touristischer Strukturen durchaus zum Blickfang und zur Attraktion werden. Ein negativer optischer Eindruck des schwankenden Pegelstandes kann durch vorgelagerte „schwimmende Inseln“ mit geeigneter Bepflanzung und Bebauung vermieden werden.To underwater PSKW (U.PSKW):
- The underwater PSKW, abbreviated to "U.PSKW" (see
DE 10 2019 118 725 A1DE 10 2020 002 609 A1DE 10 2020 111 844 A1- You cannot see the U.PSKW from the outside, the lower basin remains "invisible" hidden in the depths of the upper lake.
However, on the other hand, an island protruding from the water can become an eye-catcher and an attraction through skillful integration into the landscape and the formation of tourist structures. A negative visual impression of the fluctuating water level can be avoided by upstream "floating islands" with suitable plants and buildings.
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.The U.PSKW can be built with a freely selectable height, which is based, for example, on the existing relatively narrow tolerance range of the pump turbines used in conventional PSKW.
However, this has the disadvantage that the water body above remains unused for storage. This weighs particularly heavily because now, through “variable parallel series connection of pump turbines” (see
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].In the case of a U.PSKW with a small overall height, a depth range is used that requires a body of water with a smaller working volume per stored amount of energy than in bodies of water above it. This then results in a somewhat lower level fluctuation in the upper basin.
However: Since the total area of the Hambacher Loch is very large, the level fluctuation in the upper basin is not of central importance. Bathing on the beaches is not really hindered by the ebb and flow of the tide. In addition, one accepts a noticeable level fluctuation even in the often much smaller basins of conventional PSKW; In the Goldisthal PSP, for example, the level difference within the basin is still up to 24 or 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.
- With U.PSKW special attention must be paid to the problem of buoyancy not only from a technical point of view, but also from the point of view of safety evidence and in the public discussion of the approval process; presumably one will not be able to avoid the assumption of a worst case and therefore an intrinsic material compensation of the buoyancy through long-term safe installation of ballast material. As a result, the advantages of a lighter construction, which result in the upper areas due to the lower water pressure or when using types of concrete with high strength, are partially compensated for by an increased effort for securely attached ballast.
Einige für viele Belange vielleicht ausschlaggebende Vorteile des RM.Sp werden im Kapitel „6. Vorteile“ zusammengefasst.Some of the advantages of the RM.Sp, which may be decisive for many purposes, are described in chapter “6. Advantages "in a nutshell.
FigurenlisteFigure list
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 12Pumpturbinen 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 eineDruckleitstruktur 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 nachBild 10. - Bild 12: Anbindung eines als Unterwasser-Bunker ausgeführten,
zentralen Maschinenhauses 777 zuden 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.
- Fig. 1: State of the art: Ring dam on the flat land with a raised inner basin as the upper basin (schematic diagram based on (Popp 2021_A /;
- Image 2: PSKW with one through a
circular dam 3 fromObersee 0 separatelower basin 33 . - Fig. 3: Pumped storage power plant consisting of the
residual lake 300 of a former open pit as an upper lake and one (or more, in the picture there are four)lower basins 33 . - Fig. 4: Circular wall storage tank with a very deep inner basin as the lower basin of a PSKW (schematic diagram).
- Fig. 5: Variable series parallel connection of 12 pump turbines for 4 pressure levels
- Fig. 6: Circular wall storage tank with deep inner basin as the lower basin of a PSKW with additional water body WK2a for the use of “half-pump turbines” 71. (schematic diagram).
- Fig. 7: Variable series parallel connection of 8 standard pump turbines and 8 half pump turbines for 5 pressure levels.
- Fig. 8 Extended
lower basin 333 with an additional bottomhole storage space 37 , shown here as a terraced hole made using open-cast mining methods. - Fig. 9: Bottom
hole storage space 37 with stabilization of a particularly steep slope through apressure control structure 376 . - Fig. 10: Calculation model of the extended
lower basin 333 as a combination of a cylindricalcircular wall basin 33 and a truncated cone as a bottomhole storage space 37 . - Fig. 11: Potential storage energy of the bottom
hole storage space 37 under the assumptions of the calculation model according to Figure 10. - Fig. 12: Connection of a central machine house designed as an
underwater bunker 777 to the individuallower basins 33 and also to a junction on the bank. - Figure 13: Cross-section through the lower basin of the
ring wall 33 with internally attachedspiral track 53 from the crown of the pelvis to the bottom. - Fig. 14: Interim operation: circular wall storage facility with a high inner basin as the upper basin of a PSKW during the filling phase of the remaining lake.
- Photo 15:
Circular wall sub-basin 33 with a false ceiling and a short-circuit pipe between an uppermost and a lowermost body of water.
5. Ausgestaltungen der Erfindung5. Refinements of the invention
5.1 Variable Parallel-Serienschaltung von Pumpturbinen zur Ausschöpfung eines hohen Speicherbeckens.5.1 Variable parallel series connection of pump turbines to utilize a high storage basin.
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.Current PSPs usually have a high level difference between the basins; within the basin (or body of water), on the other hand, there is only a relatively small level difference. For this only a modest tolerance in the pressure head of pump turbines is required and the current pump turbines are also not able to be used in a tolerance range greater than approx. 15 to 20% without a high risk of wear and a loss of efficiency.
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.The question arises as to whether and how one can operate a large level lift within a high storage basin without building storeys and nevertheless with the use of all available pump turbines and, at the same time, a time-series processing via multiple provision of the pump turbine capacity, each of which is only available to a single one continuous pressure head stages is designed, can avoid.
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 Ngesmt 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, Ne, wird dann die kleinste Anzahl der Pumpturbinen in einem Strang erreicht und dies wird meist Ne=1 sein ( aber auch andere Werte, insbesondere Ne=2 sind durchaus möglich). Im Falle Ne=1 sind dann alle Pumpturbinen parallelgeschaltet.
- • The specified maximum pressure head (= level difference Hmax) is achieved by connecting a suitable number N0 of pump turbines in series to form a string, whereby several such strings can also be connected in parallel depending on the total number N total of available pump turbines.
- • If the pressure level drops in the course of emptying the storage basin, the number of pump turbines within a line is reduced at suitable pressure levels and the pump turbines initially released in this way become one or more further lines, which now all have the newly set number N1 (and with further pressure levels: N2, N3 etc.) contained by pump turbines, interconnected; then all "N1 lines" are switched back in parallel. A good utilization of the pressure tolerances of the pump turbines is first achieved if the number of pump turbines in the strings is reduced by 1 with each switchover (i.e.: N1 = N0-1; N2 = N1-1 etc.). - There are other optimization tools, however, which are mostly based on the use of different types of pump turbines.
- • When switching to the lowest pressure level, N e , the smallest number of pump turbines in a string is achieved and this will usually be N e = 1 (but other values, in particular N e = 2, are also possible). In the case Ne = 1, all pump turbines are then connected in parallel.
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.We refer to this process as "variable series parallel connection of hydraulic machines" and it can be applied to different types of advanced pumped storage power plants; we describe it more comprehensively and in more detail in a patent application filed at the same time, “PSPs with variable parallel series connection of pump turbines to utilize a high storage basin” (/ LuSchmB 2021_SeeEi5 /). The variable series parallel connection of pump turbines could, however, be essential for the profitability of the pumped storage power plant according to the invention with a high storage basin enclosed by a ring dam; therefore it is also part of the current patent application.
Bild 4 bezieht sich auf ein PSKW, dessen Oberbecken ein großes Gewässer
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 Hmin dient der freie Luftraum oberhalb des obersten Wasserkörpers WK3.The division of the water bodies WKi corresponds to individual units, to which the existing pump turbines are connected together in order to cover the pressure range of each water body. The water body WK0 has the greatest storage potential and lies at the very bottom; then the level difference to the level of the upper basin is greatest. The same applies to the adjoining water bodies WK1, WK2 and WK3: in the high lower basin, they now connect upwards to WK0 and to each other at. The free air space above the uppermost body of water WK3 serves as a spacer for the minimum level difference H min.
In Bild 5 ist die jeweilige Zusammenschaltung der Pumpturbinen zu den einzelnen Aggregaten zur Abdeckung von 4 Druckstufen dargestellt. Wir setzen voraus, dass uns Ngesamt=12 gleiche Pumpturbinen
Zur Veranschaulichung nehmen wir eine maximale, bei vollständig leerem Unterbecken erreichte Druckhöhe von Hmax=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 Ngesamt 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 Ngesamt 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.
- For the lowest body of water, the N total WK0 similar pump turbines used in
parallel strands 3 to 4 pieces (Fig 5a). Within its tolerance range, the unit then sweeps the pressure height range around H0 = 360 m from 480 to 240 [m]. - For the directly overlying body of water, the N total WK1 similar pump turbines used in
parallel strands 4 to 3 pieces (Fig 5b). Within its tolerance range, the unit then sweeps the pressure head range by H1 = 270 [m] from 360 to 180 [m]. According to a delimitation rule chosen by us, we leave the overlap area between two pressure levels with the water body below (i.e. the one with the higher pressure height) and therefore place the WK1 on the pressure height range 240 to 180 [m]. - For WK2, the 12 pump turbines are used in 6 parallel strings of 2 each (Fig. 5c). Within its tolerance range, the unit then sweeps the pressure head range by H2 = 180 [m] from 240 to 120 [m]. We regularly place the water body WK2 at the pressure altitude range 180 to 120 m.
- Finally, for WK3, all 12 pump turbines are connected in parallel (Figure 5d). Within its tolerance range, the unit then sweeps over the pressure altitude range around H3 = 90 [m] from 120 to 60 [m] and we set the water body WK3 to the pressure altitude range 120 to 60 m. Note that we have chosen the tolerance value x = 1/3 for the print height so that there is no longer any overlap area between WK2 and WK3.
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.As you can see by trial and error, for pressure height tolerances smaller than x = + - 1/3 there is a gap in the pressure height area between the two upper bodies of water WK2 and WK3, which is no longer covered.
For pressure height tolerances that are smaller than 1/5 (i.e. +/- 0.20) there is a further gap in the pressure height range between the water bodies WK1 and WK2 one level below, and from pressure height tolerance of less than + - 1/7 = 0.1428565 then all pressure altitude ranges are separated from one another by a gap.
Die vorgenannte Schwellwerte der Druckhöhentoleranz für das Auftreten der Lücken sind unabhängig von der verfügbaren maximalen Druckhöhe Hmax Die mathematischen Gesetzmäßigkeiten hierzu werden in /LuSchmB 2021_SeeEi5/ dargestellt und abgeleitet.The aforementioned threshold values of the pressure height tolerance for the occurrence of the gaps are independent of the available maximum pressure height H max. The mathematical principles for this are shown and derived in / LuSchmB 2021_SeeEi5 /.
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 HP durch eine zweite Sorte mit der halben Druckhöhe HP/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-Aggregatenauch als Doppelpack 72, also inder 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 6Strängen zu je 2 Pumpturbinen, zu schaffen. InBild 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. InBild 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 einerStandardturbine 7 und einerHalb 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 4Doppelpack 72 , die jeweils aus zwei verketteten Halb -Pumpturbinen bestehen, ersetzt.
Pump turbines can presumably also be used slightly outside their official tolerance range for a short time, but with increased susceptibility to wear and lower efficiency. If this is no longer justifiable, there is still the possibility of lowering the level in the critical altitude areas in turbine operation, simply by allowing the turbines to fizzle out without generating any energy.
But there is also a "clean" solution, but then we have to refrain from the previously assumed rule of the similarity of all pump turbines:
- We are now adding to our standard pump turbines
7th with the pressure height H P by a second type with half the pressure height H P / 2 and also with half the electrical power, so that the water flow remains unchanged compared to the main type and all pressure turbines can still be connected in series. We refer to these “halved pump turbines” as “half pump turbines” 71. We also use them in all previous pump turbine units as adouble pack 72, ie in a series connection of 2half pump turbines 71. Thetwin pack 72 is functionally equivalent to a standard pump turbine7th . - This further type of
pump turbine 71 makes it possible to create an additional body of water WK2a above the body of water WK2 with its 6 strings of 2 pump turbines each. Figure 6 shows the position of the water bodies. With a lower tolerance of the pressure head of the pump turbines, there is initially an increasingly widening gap between the two upper bodies of water WK2 and WK3, but this can be closed by WK2a using “half-pump turbines” 71. Figure 7 shows the associated circuitry for the pump turbine units. - Now you can do the math (see / LuSchmB 2021_SeeEi5 / section “3.3 Half-pump turbines allow additional water bodies in the gap”) or verify by trial and error that the gap between the water bodies WK2a with a tolerance of the pressure head of all pump turbines of x = 1/5 and WK3 is closed. As in picture
7th (Part 7cb), the new unit [77_28] assigned to the body of water WK2a is created by 8 parallel-connected strings, each consisting of a chain from a standard turbine7th and ahalf pump turbine 71 exist. The index “28” refers to the number of pump turbines in a string, here in other words, and the number of strings connected in parallel (here: 8). The precedingdesignation 77 , we generally use for a (otherwise not yet further specified) pump turbine unit. Like the picture7th shows, the index can also be understood as a row-column index. - All other units remain functionally unchanged compared to the previous circuit diagram in Fig. 5 (!), We only have 4 standard turbines in each of the remaining water bodies
7th replaced by 4 twin packs 72, each consisting of two linked half-pump turbines.
Zur Veranschaulichung legen wir wieder eine maximale, bei vollständig leerem Unterbecken erreichte Druckhöhe von Hmax=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.To illustrate this, we again set a maximum pressure height of H max = 480 m, achieved with a completely empty lower basin, but now use a design pressure height of 100 m for the standard pump turbines and 50 m for the half pump turbines. All pump turbines have the same tolerance of x = +/- 1/5, i.e. + - 20% around their nominal value.
Die Druckhöhe der Stränge für die einzelnen Wasserkörper sind dann wie folgt abgegrenzt (Bild
- Für den untersten Wasserkörper WK0 werden die Ngesamt = 8 + 8/2 =12 funktional gleichartigen Pumpturbinen in 3 parallelen Strängen zu
je 4 Stück eingesetzt (Bild 7a). Man beachte, dass im Vergleich zuBild 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 = 400m von 4*120bis 4* 80 m , also 480 bis 320 [m]. - Für den direkt darüberliegenden Wasserkörper WK1 werden die Ngesamt 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.
- For the lowest water body WK0, the N total = 8 + 8/2 = 12 functionally identical pump turbines are used in 3 parallel lines of 4 each (Fig. 7a). Note that compared to
picture 5 four standard pump turbines7th are replaced by four functionally identicaldouble packs 72 each consisting of twoHab pump turbines 71. Within its tolerance range of +/- 20%, the unit then sweeps the pressure height range around H0 = 400 m from 4 * 120 to 4 * 80 m, ie 480 to 320 [m]. - For the directly overlying body of water WK1, the N total functionally similar pump turbines in 4 parallel strands employed to 3 pieces (Fig 7b). Within its tolerance range, the unit then sweeps the pressure head range by H1 = 300 [m] from 360 to 240 [m]. According to a delimitation rule chosen by us, we leave the overlap area between two pressure levels with the water body below (i.e. the one with the higher pressure height) and therefore place the water body WK1 on the pressure height range 320 to 240 [m].
- For WK2, the 12 pump turbines are used in 6 parallel lines of 2 each (Fig. 7c). Within its tolerance range, the unit then sweeps the pressure head range around H2 = 200 [m] from 240 to 160 [m]. We regularly place the water body WK2 at the pressure altitude range 240 to 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].For the newly inserted water body WK2a, which is intended to close the looming gap between WK2 and WK3, the 8 half-pump turbines are now each combined as a single piece with one of the 8 standard pump turbines to form a string. So there are 8 parallel strings, each with two, but now unequal, pump turbines (Fig. 7c1). Such a line has a design pressure height of 100 + 50 = 150 [m] and within the tolerance range x = +/- 1/5 the unit then sweeps the pressure height range around H2a = 150 [m] from 180 to 120 [m]. We regularly place the water body WK2a at the pressure altitude range 160 to 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.Finally, for WK3, all 12 pump turbines are switched in parallel (Fig. 7d). Within its tolerance range, the unit then sweeps over the pressure altitude range around H3 = 100 [m] from 120 to 80 [m] and we set the water body WK3 to the pressure altitude range 120 to 60 m. Note that we have chosen the tolerance value x for the pressure height so that there is no longer any overlap area between WK2a and WK3.
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 Mb 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
- The obvious solution is the variable series parallel connection of standard pump turbines
7th and semi-pump turbines 71 to generalize. - This scheme can be easily transferred to any “fractional pump turbine”. Let b be the fraction and M b the number of required “fraction pump turbines”, i.e. a type of pump turbine with the pressure head (Hp * b) and b - the power, so that the water flow remains unchanged compared to the main type and you can continue with how can connect in series before all pressure turbines. Then we just have to pay attention to the product
In unserem obigen Beispiel (siehe Bild 6 und Bild 7) gilt b=1/2 und Mb= 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 Mb =12 einsetzt.In our example above (see Figure 6 and Figure 7), b = 1/2 and M b = 8,
so that b * Mb = 4, i.e. an integer.
The standard case (see Fig. 4 and Fig. 5) is also a borderline case in requirement Eq. (13) if b = 1/1 and M b = 12 are used.
5.2 Zum Durchmesser des Ringmauer-Speichers5.2 The diameter of the circular wall reservoir
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 .Large reservoirs, the dam wall of which was designed as a curtain wall, have not yet become known to the inventors. But there are many reservoirs that are closed off by an arch dam, i.e. a section of a circular dam.
Unfortunately, in the easily accessible publications of the technical data, e.g. also in Wikipedia, in addition to the height of the dam, only the crown length is given. There is also a photograph from which one can estimate the angle of the circular arc but cannot determine it exactly.
In the case of a particularly large and famous system, namely the dam on the Sajano-Schuschensker reservoir / Jenissei / on the Jenissei in central Siberia, the radius of the circular arc on which the arch is based is also reported: 600 m. With the specified crown length of 1074 m an angle of 103 ° is calculated. This means that the completion of such an arch dam to form an annular dam according to the invention with the same diameter only requires an expansion by a factor of 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.We therefore assume that a circular wall with the same diameter of 1200 m would also be technically manageable, and we use this size as the basis for our example calculation in
Eine Bodenfläche von 1200 m Durchmesser bietet ausreichend Platz, um durch Abgrabungen ein größeres Speichervolumen zu erschließen, siehe Abschnitt 5.A floor area of 1200 m in diameter offers enough space to develop a larger storage volume through excavations, see
5.3 Erschließung des Beckenbodens für Speicherzwecke5.3 Development of the pool floor for storage purposes
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
Natürlich müssen alle derartigen Baumaßnahmen die Standfestigkeit der Ringmauer in jedem aktuellen Bauabschnitt aber auch nach Fertigstellen sicher berücksichtigen.The circular wall storage tank as a lower basin is built on solid, solid ground. If the inner diameter is large enough, it is worthwhile to deepen the initially level pool floor, especially since suitable large machines are still available on site in an open pit towards the end of the mining period; this has already been mentioned in
Of course, all such construction measures must take into account the stability of the curtain wall in every current construction phase, but also after completion.
Es gibt folgende Ansätze und Möglichkeiten zur Erstellung eines derartigen Bodenloch-Speicherraumes
- 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 - 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 307und DE (/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.10 2013 019776 B3 - 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.
- 1. The inner soil can be removed downwards as an embankment and the stability can be guaranteed by the slope angle and possibly also by building measures. This creates an inner ring bank basin, so to speak. The embankment is then, so to speak, the inner part of a ring wall and the missing outer part is replaced by the pending virgin soil.
- 2. The terraced removal of rock layers used in open-cast mining can be used due to the large diameter of the pool floor, although one must always keep in mind the later stress on the outer edge zones. An edge strip of probably a few 10m that adjoins the inner ring wall must be kept free as a work surface for pulling up the wall.
- 3. The “bottom hole” 37 can be filled in partial areas with pressure-resistant molded bodies and thereby obtain internal stiffening and perfect slope protection even with a steep slope angle. The in
DE 10 2020 111 844 A1 - 4. At a sufficiently large distance from the base and outside the area affected by the weight of the curtain wall, one could also dig one (or more) large open shaft with vertical or only slightly tapering edges. In contrast to the shafts and tunnels used in mining, it must be ensured that no access roads are created here, but storage space. Similar considerations have already been made in
DE 10 2011 105 307DE 10 2013 019776 B3 - 5. During the construction phase, the excavation from the hole in the ground can be tipped again shortly behind the rising curtain wall. This avoids long distances and can perhaps even be done in one step. In addition, this can result in an advantageous final state, since the circular wall receives external support and protection and a largely flat and stable seabed is created. In addition, any remaining water penetration to the ring wall is reduced or avoided.
- 6. The construction work in the ground hole and on the ring wall can be carried out simultaneously or in sections offset.
In Bild 8 ist der Bodenloch-Speicherraum
Am tiefsten Punkt befindet sich der Maschinenbunker
The machine bunker is at the
Wenn mehrere räumlich getrennte Unterbecken vorhanden sind, so kann es sinnvoll sein, den Maschinenbunker
In Bild 9 wird ansonsten eine Variante des Bodenloch-Speicherraumes
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.A pressure control structure can also be constructed in other ways: the possibilities range from a bed with uniform rock or selected massive pressure bodies, with the intermediate spaces then remaining as storage cavities, to filling with hollow bodies.
The lateral support of the embankment has a downward-facing component, so the height of the filling can decrease towards the inside - as shown in Figure 9.
BeispielrechnungSample calculation
Wir zeigen nun an einem einfachen Beispiel, welche Energiemengen man im Erweiterten Unterbecken
Zunächst legen wir die Geometrie des Ringmauerspeicher
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
For the sake of simplicity, we also assume that the level of the upper basin does not change during the storage process.
Under these assumptions, we get the available storage content of a single circular
In der Tabelle Bild
Man erkennt, dass der zusätzlich ausgehobene tiefe Bodenloch-Speicherraum
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.It can be seen that the additionally excavated deep floor
Compared to the high structural effort involved in erecting the thick curtain wall, it seems tempting to remove some of the soil inside and thus gain additional storage space, the outer wall of which is formed by the surrounding lake floor.
Alles in allem können wir hoffen, dass es nach eingehender ingenieurmäßiger Planung möglich sein wird, schon mit einem einzigen Erweiterten Unterbecken
5.4 Gemeinsames Maschinenhaus im Unterwasserbunker und Zuwegung5.4 Common machine house in the underwater bunker and access road
Aus Kostengründen und wegen der größeren Flexibilität bei der Zusammenschaltung der Pumpturbinen mag es sinnvoll sein, alle Pumpturbinen eines PSKW mit mehreren Unterbekken
Ein kleines Problem ergibt sich daraus, dass die Pumpturbinen aus technischen Gründen einen Vordruck benötigen. Daher ist es vernünftig, den Sockel des Unterwasserbunkers
Bleibt die Frage der Zuwegung. Der konventionelle Weg besteht darin, einen befahrbaren Tunnel
In einem aufgelassenen Tagebau besteht der spätere Seeboden allerdings überall aus mächtigen Schichten umgelagerten Aushubs, was sicherlich kein ideales Fundament für den Tunnel
Wird die Zuwegung
Will the
In einem Erweiterten Unterbecken
Fazit: Die Kombination aus einerseits der Zuwegung
5.5 Interims-Betrieb5.5 Interim operation
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. The construction of a large circular wall basin will take several years, and the flooding of the remaining hole will take many years, maybe even more than a decade. On the other hand, an investor does not want to wait long for a completed plant to start operating.
Schon in
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 Speicherbecken33 , aber man kann immer Zusammenschaltungen der Pumpturbinen zu geeigneten Aggregaten finden, die den Anforderungen an die neue Situation der Druckhöhen entsprechen.
- When the remaining lake is still almost empty, the circular wall storage basin, which is actually intended as the lower basin of the PSKW, can be used
33 namely operated as an upper basin; and feed the water stored in it in turbine operation into the still incompletely filled residual lake, which now functions as the lower basin. Even if the level of the remaining lake rises slowly over the years due to continuous filling, the maximum level difference to the fully filled storage basin is reduced33 , but you can always find interconnections of the pump turbines to form suitable units that meet the requirements of the new situation of pressure heads.
In Bild 14 wird der Modus des „Interimsbetrieb“ dargestellt: Das stattliche und jetzt auch noch gut sichtbare Speicherbecken
Das Speicherbecken
- 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 Hmin bereitzustellen.
The
- 1. the active in storage operation with the
lower basin 0 exchangeable body of water WK_aktiv; depending on the pressure levels applied, this in turn consists of several water bodies (see / LuSchmB 2021_SeeEi5 /, there Figure 2: "Ring wall storage facility with a very high inner basin as the upper basin of a PSKW"), which contains the required pump turbine units (i.e. the individual interconnections of the pump turbines) assigned. - 2. the underlying water body WKu, which serves as a "base" for WK_aktiv, around the level of the remaining lake that has already been reached
0 to compensate and to provide the minimum level difference H min necessary for the operation of the PSKW.
Irgendwann wird die auf diese Weise ausnutzbare Pegeldifferenz dh so klein , dass es sich lohnt, nicht mehr das gefüllte Speicherbecken
5.6 Speicherkörper mit einer Zwischen- Decke.5.6 Accumulator with an intermediate ceiling.
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.With the method described in section “5.1 Variable parallel connection of pump turbines in series to exhaust a high storage basin”, we hope to solve the problem of high storage basins with the small pressure height tolerance of common pump turbines.
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.
- (1.) A multiple pump turbine capacity, with a special set of pump turbines being kept for each pressure stage, which are used one after the other.
- (2.) The use of much more expensive pump turbines with an exceptionally large tolerance range.
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.We have dealt with these two alternatives in the example calculations in / LuSchmB 2021_SeeEi5 / in order to show how bad they are in comparison to the solution according to the invention.
Neben der trivialen Lösung, durch Einziehen von Zwischendecken in die Speicherkörper die Speicherhöhe einfach zu beschneiden (siehe e.g.
- (3.) Ein Ringmauer-Staubecken mit einer Zwischen- Decke und einem Kurzschlussrohr.
- (3.) A circular wall reservoir with an intermediate ceiling and a short-circuit pipe.
In Bild 15 ist ein Ringmauer-Unterbecken
Diese Konstruktion zielt auf die folgende Eigenschaft: Die Zwischendecke 310 muss maximal nur die Wassersäule der Höhe H0 aushalten. Das Kurzschlussrohr
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.In turbine operation, the two lower water bodies WK_31 and WK_30 are first filled in parallel with different pump turbines that are matched to the respective pressure level. Only then is the uppermost body of water WK_32 charged via a further set of pump turbines.
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.If there was no false ceiling, the pump turbines for the two lowest water bodies could not run at the same time, since only a single pressure head would be applied. This would halve the available power in these two areas (with the same power of the pump turbines).
Operation in the area of the uppermost body of water WK_32 is not influenced by the presence of the
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
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.Before considering installing another intermediate ceiling, one should keep in mind the structural effort that the one
The installation of a second false ceiling - we will call it 310x - at the borderline between the upper bodies of water WK_30 and WK_32, would lead to the following changes: This ceiling 310x would have to absorb the water pressure of height H2 and it will probably be in a worst case scenario demand that they must be able to withstand a water height up to the level of the upper basin. Since the energy density of the storage water is lowest in relation to the upper basin level in the uppermost water body, the greatest height difference is required for the same energy unit in the uppermost water body; then H2 would be significantly larger than H0 or H1.
But the load on the lower
The only advantage of a second intermediate ceiling 310x would be that the turbines assigned to the water body WK_32 could already work during (and not after) the running time of the turbines for the two lower water bodies WK_31 and WK_30.
Analoge Überlegungen gelten für mutatis mutandis für den Pumpbetrieb.Similar considerations apply mutatis mutandis to pumping operations.
Fazit: Die vorgeschlagene Sparlösung verlangt deutlich weniger Aufwand und erbringt dafür schon beachtliche Vorteile. Aber die maschinentechnische Lösung ist doch wesentlich eleganter.Conclusion: The proposed savings solution requires significantly less effort and already brings considerable advantages. But the mechanical solution is much more elegant.
6. Vorteile der Erfindung6. Advantages of the invention
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
- • a circular dam as the boundary of a high storage basin,
- • in combination with a variable interconnection of pump turbines to form units that are adapted to different pressure levels,
- • and the easy development of the pelvic floor to an additional, deep-lying floor hole storage space
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.Conclusion: Even with a generous realization of the invention on the area of the Hambacher Loch (Rheinisches Braunkohlerevier) the decisive step for the safeguarding of the energy turnaround through energy storage for the area of short-term storage could be achieved.
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) .
- 1. The construction of a high storage basin in the form of a basin enclosed by a ring dam avoids the creation of a heavy-duty "cover" compared to an underwater PSKW (U.PSKW), which becomes more and more problematic with large diameters and building heights.
- 2. The construction of a ring dam is closely related to the state of the art of arch dams, which has been tried and tested for decades. The closure of the arched wall to form a circular wall with a similar radius appears to be a simple extrapolation of existing technology that has been tried and tested for decades.
- 3. Compared to an arch dam, an important problem with the ring dam takes care of itself: With the ring dam, there is no longer any difficult lateral connection to massive mountain flanks, because the ring dam is closed in itself.
- 4. The circular dam is no longer subject to lateral displacement forces, because the hydrostatic pressure forces acting all around cancel each other out.
- 5. The construction of a high storage basin in combination with a variable parallel series connection of pump turbines enables the particularly cost-efficient construction of a PSP, since both the pump turbine set and the converted storage space are used to the greatest possible extent; Apart from the short switchover phases, all available pump turbines are in use simultaneously during the entire charging or discharging time.
- 6. The additional development of the basin floor as a bottom hole storage space enables the excavation of storage space with the existing opencast mining technology, which later lies a few 100 m below the storage target on its upper edge and does not require any further "container construction" apart from the fortification of its embankment. One can therefore compare the digging up of the bottom hole storage space with the creation of a lake on the plateau of a high mountain.
- 7. The option suggested by the concept of an early interim operation that hardly requires additional costs reconciles the investors with the otherwise very long dead time until the final operation after the completion of the flooding of the remaining lake.
- 8. After the open-cast mine hole has been completely flooded, only the crown of the mighty Speicherbekken can be seen as an interesting island in the recreational lake. The reservoir is not invisible, but remains visible - but only in its most beautiful sight (namely the crown).
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.
- As a small disadvantage, one only has to accept that by using inferior altitudes of the storage water, the level lift in the associated partner basin (i.e. the rest of the lake) also rises disproportionately more.
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.
- The construction of a circular wall storage basin, which is later surrounded by a large body of water, amounts to creating a “hole” in the water - seen in the soft image: the “lake storage hole”.
- The exciting question: Could this also be done retrospectively, i.e. insert a “hole” into an existing body of water? There are certainly enough candidates for such deep waters: Lake Geneva, Lake Superior (USA), etc. and - last and not least: the sea. In the wake of the rapid expansion of marine mining activities, one could hope for a corresponding further development of the technology.
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.Probably the most difficult problem will be in the area of the tight foundation. In an open pit, you should therefore consider laying the foundations for further construction in the dry phase.
Literatur:Literature:
- /Goldisthal/: Homepage des Betreibers: https://powerplants.vattenfall.com/de/goldisthal/ Goldisthal /: Homepage of the operator: https://powerplants.vattenfall.com/de/goldisthal
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Luther,G. und Schmidt-Böcking, H.: „Tiefschacht-Pumpspeicherkraftwerk“;
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/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 DE 10 2019 118 726 B4 DE 10 2019 118 726 A1http://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 DE 10 2020 002 609 A1 -
/LuSchmB 2020_SeeEi3/: Schmidt-Böcking, H und Luther, G.: „Modulares Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerk-Reservoir“
DE10 2020 111 844 A1 DE10 2020 111 844 A1 -
/LuSchmB 2021_SeeEi4/: Luther, G. und Schmidt-Böcking, H.: „Pumpspeicherkraftwerk mit einem von einer Ringstaumauer umschlossenen Speicherbecken“
DE10 2021 002 DE10 2021 002 -
/LuSchmB 2021_SeeEi5/: Luther, G. und Schmidt-Böcking, H.: „PSKW mit variabler Parallel-Serienschaltung von Pumpturbinen zur Ausschöpfung eines hohen Speicherbeckens“
DE10 2020 111 DE10 2020 111 -
//Popp 2009/: Popp, Mathias: „Ringwallspeicher“,
DE10 2009 005360 B4 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 /: Updated topic page on the ring wall storage facility: http://www.poppware.de/Index.htm and following pages, in particular http://www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Bauweise.htm http://www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Groesse.htm http://www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Bebeispiel.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/ Popp 2021_A /: http://www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Groesse.htm, there Fig. 3. "Circular dam on the flat land in cross-section", and: http://www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Bauweise.htm, there Fig. 3. Ring wall storage in the sea with a raised inner basin
-
/Siol 1995/: Siol, Ursula 1995: „Pumpspeicherwerk“,
DE19513817 B4 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)/ Sterner-Stadler 2014 /: Sterner, Michael and Stadler, Ingo (2014); "Energy storage requirements, technologies, 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/ Thuringia 2011 /: Free State of Thuringia (2011): “Pump storage cadastre - results of a potential analysis”, https://www.thueringen.de/de/publikationen/pic/pubdownload1272.pdf; there
picture 2 -
/Bild der Wissenschaft/: Bild der Wissenschaft Heft 10/2010/ Bild der Wissenschaft /: Bild
der Wissenschaft issue 10/2010 - /Wikipedia ##Bogenstaumauer/. aufgerufen 12.4.2020) https://www.wikiwand.com/de/Bogenstaumauer/ Wikipedia ## arch dam /. accessed April 12, 2020) https://www.wikiwand.com/de/Bogenstaumauer
- /Wikipedia ##Bogengewichtsstaumauer/: ( aufgerufen 12.4.2020) ; https://www.wikiwand.com/de/Bogengewichtsmauer/ Wikipedia ## Arch weight dam /: (accessed April 12, 2020); https://www.wikiwand.com/de/Bogengewichtsmauer
Liste der Bezeichnungen, teilweise mit KurzerklärungList of names, some with a brief explanation
- 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 freiemSee 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 Verbindungrohre6 beherbergt, zur Verbindung der Unterbecken untereinander bzw. mit einem zentralen Maschinenhaus777 . - 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.
- 0
- free lake water, without buildings;
- 00
- Part of what will later be the rest of the lake that has not yet been filled with water
- 1
- Subsoil, e.g. the lake floor or the side slope of the channel.
- 11
- lateral embankment of the rest of the lake
- 12th
- Lateral attachment through spoil heap
- 3
- Ring dam, elementary storage base cell ("SeeLoch"),
- 300
- Working lake (with a small lift), "Obersee" of the U.PSKW
- 33
- Circular wall basin from a
circular dam 3 edged, - 333
- Extended lower basin, combination of
circular wall basin 33 and bottomhole storage space 37 . - 37
- Bottom hole storage space that results from the removal of layers of soil inside the
circular wall basin 33 originated. - 376
- Pressure control structure within the edge areas of the bottom
hole storage space 37 consisting, for example, of vertical, closely spaced hollow prisms that absorb and dissipate lateral pressure to stabilize the slope - 44
- Access shaft (or connecting pipe) between the
pump turbine unit 77 andopen sea 0 . - 5
- External connection of one or
more routes 67 ; this can be achieved through a supply and manhole or through a steep but still passable tunnel tube. - 6th
- Collecting pipe as feed line to the pump turbine, connecting pipe, distribution pipe work
- 60
- Boden, possibly also with logistics and access roads
- 600, 601, 602
- Connecting pipes from the water bodies WK_30, WK_31 or WK_32 to the
pump turbine unit 77 - 612
- "Short-circuit pipe between the bodies of water WK_31 and WK_32, a short connecting pipe from ball to ball"
- 67
- Navigable route in the
lake bottom 1 which also includes the hydraulic connecting pipes6th houses, to connect the lower basins with each other or with acentral machine house 777 . - 7th
- Pump turbine
- 77
- Pump turbine unit. for a group of pump turbines
- 771
- Pick-up station as a connection to a central
pump turbine unit 77 - 777
- Central machine house as an independent unit ("underwater bunker"), which contains all the pump turbines of a PSKW system.
Ausführliche BildbeschreibungDetailed picture description
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
For this picture, drawings from two sources / Popp 2021_A / were used:
(1.) http: /www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Groesse.htm, there picture 3: "Ringwallspeicher on the flat land in cross section,"
and (2.) http://www.poppware.de/Ringwallspeicher/Ringwall-Bauweise.htm,
there picture 3: "Ring wall storage in the sea with raised inner basin"
- WK0 = exchange volume for pumped storage operation
- WKu = water body below WK0, which here only serves as a "base".
- a = excavation depth to extract the bulk material for the ring wall
- Hmax = maximum level difference between the upper and lower basins
- H0 = mean height difference between the upper and lower basins,
- dh0 = maximum level fluctuation in the upper basin
Bild 2: PSKW mit einem durch eine Ringstaumauer
- 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 freiemSee 0 . - 60 = Bodenfundament, u.U. auch mit Logistik
- 12 = lateral support of the dam wall by spoil heap
- 3 = ring dam
- 33 = lower basin, from a
circular dam 3 enclosed - 44 = access shaft (or connecting pipe) between the
pump turbine unit 77 andopen sea 0 . - 60 = floor foundation, possibly also with logistics
Bild 3: Pumpspeicherkraftwerk bestehend aus dem Restsee
- 300 = Rekultivierungssee im aufgelassenen Tagebauloch Speicher: 0_Bilder_HSB2019.1124_#2021.0417_HambacherWasserbatterie-mitSegler_Gesamt.PSKW_31p
- 300 = Recultivation lake in the abandoned open-cast mine hole 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.
- 0 = free lake water, without buildings, used here as an upper basin.
- 1 = solid ground,
- 3 = High lower basin, here enclosed by a ring dam.
- WKi = water body, numbering i (i = 0; 1; 2; 3) from bottom to top
- WK0 = lowest body of water, which is always used as working storage
- Hi = pressure head as the mean height difference between the water body WKi (with i = 0; 1; 2; 3) and the associated mean level of the upper basin within the working section in which the water level of the lower basin is in the area of the WKi.
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.Fig. 5: Variable series-parallel connection of 12 pump turbines for 4 pressure stages, each of which results from the parallel connection of the strings with 4 (Fig. 5a), or 3 (Fig. 5b), or 2 (Fig. 5c) series-connected pump turbines or a single pump turbine (Fig. 5d).
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.
- 0 = free lake water, without buildings, used here as an upper basin.
- 1 = solid ground,
- 3 = High lower basin, here enclosed by a ring dam.
- WKi = water body, numbering i (i = 0; 1; 2; 3) from bottom to top
- WK2a = additional water body, if there is a gap between WK2 and WK3
- WK0 = lowest body of water, which is always used as working storage
- Hi = pressure head as the mean height difference between the water body WKi (with i = 0; 1; 2; 3) and the associated mean level of the upper basin within the working section in which the water level of the lower basin is in the area of the WKi.
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“ 71Das Doppelpack 72 ist funktional äquivalent zu einerStandard Pumpturbine 7 und kann dieselbe in einem Pumpturbinen -Aggregat ersetzen.
- 77_28 = Unit of pump turbines that is logically divided into 8 parallel strings with 2 unequal pump turbines each connected in series .;
- 71 = "Half-pump turbine", a pump turbine that has half the power and half the pressure head of the standard pump turbine
7th is designed. - 72 = double pack of 2 "half pump turbines" connected in
series 71 Thedouble pack 72 is functionally equivalent to a standard pump turbine7th and can replace the same in a pump turbine unit.
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 dieZahl 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
- 7 = pump turbine
- 77_zs = aggregate of pump turbines that is logically divided into s parallel strings with z pump turbines each connected in series .; you can also read z as
row 2 and s as "column". The character C means the number in hexadecimal12th . - Hj = pressure head that results on the pump turbine unit when the water level passes through the water body WKj. (with j = 0; 1; .2; .3)
- 61 = upper distributor
- 62 = lower distributor
Bild 9: Erweitertes Unterbecken
- 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 freiemSee 0 .
- 333 = Extended lower basin, combination of
circular wall basin 33 and bottomhole storage space 37 . - 37 = bottom hole storage space
- 44 = access shaft (or connecting pipe) between the
pump turbine unit 77 andopen sea 0 .
Bild 10: Bodenloch-Speicherraum
- 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
- 333 = Extended lower basin, combination of
circular wall basin 33 and bottomhole storage space 37 . - 376 = Pressure control structure within the edge areas of the bottom
hole storage space 37 consisting, for example, of vertical, closely spaced hollow prisms that absorb and dissipate lateral pressure to stabilize the slope - 771 = receiving station as a connection to a central
pump turbine station 77
Bild 11: Bodenloch-Speicherraum
- 333 = Erweitertes Unterbecken, Kombination aus Ringmauer -
Becken 33 und Bodenloch-Speicherraum 37 . - 37 = Bodenloch-Speicherraum
- 333 = Extended lower basin, combination of
circular wall basin 33 and bottomhole storage space 37 . - 37 = bottom hole storage space
Bild 12: Anbindung eines als Unterwasser-Bunker ausgeführten, zentralen Maschinenhauses
einerseits zu den einzelnen Ringmauer-Unterbecken
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.
on the one hand to the individual ring wall lower basins
and on the other hand to a connection point on the bank via an external connection, which is designed as a
- 5 = tunnel to a junction on the shore of the outer lake
- 67 = connecting tunnel containing the water pipes and a drivable access road
- 777 = Central machine house as an independent unit ("underwater bunker"), which contains all the pump turbines of a PSKW system.
Bild 13: Querschnitt durch Ringmauer-Unterbecken
-
53 = spiralförmigem Fahrweg von der Krone des Beckens bis zum Boden
-
53 = spiral path from the top of the pelvis to the bottom
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
- 0 = free lake water, without buildings, used here as a lower basin.
- 00 = Part of what will later be the rest of the lake that has not yet been filled with water
- 1 = solid ground,
- 11 = lateral embankment of the rest of the lake
- 3 = Ring dam encloses the storage basin, which is initially used as an upper basin during the filling phase of the remaining lake.
- WK_aktiv = body of water that can be tapped into as working storage for energy storage.
- WKu = lowest body of water that guarantees the minimum height required for power plant operation
- H_interim = pressure head as the mean height difference between the water body WK_aktiv and the associated mean level of the lower basin.
- ie = maximum level fluctuation in the active body of water WK_aktiv
Bild 15: Ringmauer -Unterbecken
- 310 = Zwischendecke zwischen dem untersten und dem mittleren Wasserkörper eines Ringmauer -Speichers
- 612 = Kurzschlussrohr zwischen einem obersten und einem untersten Wasserkörper.
- 310 = false ceiling between the lowest and the middle water body of a circular wall reservoir
- 612 = short-circuit pipe between an uppermost and a lowermost body of water.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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