DE102021123146B4

DE102021123146B4 - Pumpspeicherkraftwerk

Info

Publication number: DE102021123146B4
Application number: DE102021123146.9A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-09-07
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2024-09-12
Anticipated expiration: 2041-09-08
Also published as: WO2023036372A1; WO2023036372A4; DE102021123146A1

Abstract

Pumpspeicherkraftwerk mit wenigstens zwei Wasserkraftanlagen zur Umsetzung von potenzieller Energie in elektrische Energie, wobei jede Wasserkraftanlage, einen an einem Tragelement (1) unverlierbar höhenverschieblich geführten Auftriebskörper (2) aufweist, wobei dem Tragelement (1) eine Zahnschiene (3) zugeordnet ist, welche mit einem dem Auftriebskörper (2) zugeordneten Zahnrad (4) kämmt, wobei dem Zahnrad (4) unter Zwischenschaltung eines Getriebes (5) ein Generator (6) zugeordnet ist, welcher aufgrund einer Drehung des Zahnrades (4) eine elektrische Spannung erzeugt, wobei diese über eine elektrische Abführung an dem Tragelement (1) an einem elektrischen Abnehmer anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Wasserkraftanlagen in zwei geodätisch höhenversetzten Speicherbecken (22) angeordnet sind, welche über wenigstens eine Verbindungsleitung (23) über eine Pumpe (24) verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkraftwerk mit wenigstens zwei Wasserkraftanlagen zur Umsetzung von potenzieller Energie in elektrische Energie, wobei jede Wasserkraftanlage, einen an einem Tragelement unverlierbar höhenverschieblich geführten Auftriebskörper aufweist, wobei dem Tragelement eine Zahnschiene zugeordnet ist, welche mit einem dem Auftriebskörper zugeordneten Zahnrad kämmt, wobei dem Zahnrad unter Zwischenschaltung eines Getriebes ein Generator zugeordnet ist, welcher aufgrund einer Drehung des Zahnrades eine elektrische Spannung erzeugt, wobei diese über eine elektrische Abführung an dem Tragelement an einem elektrischen Abnehmer anliegt.
Ein solches Pumpspeicherkraftwerk ist aus der US 2017 / 0 047 820 A1 vorbekannt. Die WO 2018/ 226 152 A1 und die US 2018 / 0 245 563 A1 beschreiben ebenfalls derartige Pumpspeicherkraftwerke.
Die Europäische Union hat sich verpflichtet, bis 2050 im Kampf gegen die Erderwärmung und den Klimawandel durch die CO₂ Emission, klimaneutral zu werden. Deutschland hat sich verpflichtet, eine Reduzierung von Treibhausgasen bis 2030 um 55% zu senken.
Der globale Klimawandel, die Reduzierung der Nutzung von fossilen und endlichen Energieträgern, sowie daraus resultierenden steigenden alternativen Energiebedarf, erfordert die Nutzung jeglicher sich anbietenden, potentiell vorhandenen und brach liegender Energieressourcen. Auf Grund der Dringlichkeit zur Energiewende, sollten Kosten zweitrangig sein, denn das Hinauszögern steigert nur die Kosten und Folgekosten, sowie den bereits vorhandenen globalwirtschaftlichen Schaden. Bei Nichtstun sind die Folgekosten unbezahlbar.
Grundgedanke dieses Projektes ist es, mit Wasser-Pegel-Kraftanlagen und damit verbunden mit der Nutzung jeglicher Form von vorhandener und brach liegender potentieller Wasserkraft, je nach Anwendung zusätzlich der Wind- bzw. Wasserströmungskraft in Hybridversion, umweltfreundlich, nachhaltig und effizient elektrisch Energie zu gewinnen. Mit dieser Technik soll global im Onshore- und Offshorebereich in gemäßigten, subtropischen und tropischen Klimazonen zentral und dezentral regenerative elektrische Energie erzeugt werden.
Neben der konventionellen Nutzung zur elektrischen Energiegewinnung, kann Trinkwasser durch Meereswasserentsalzung gewonnen und Wasserstoff als Energiespeicher bzw. umweltfreundlicher Energieträger nachhaltig erzeugt werden.
Neue Absatzmärkte und Arbeitsplätze können mit diesem Kraftanlagetyp kurz- und langfristig geschaffen werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Pumpspeicherkraftwerk gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Sinnvolle Ausgestaltungen eines solchen Pumpspeicherkraftwerks können den sich jeweils anschließenden abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Erfindungsgemäß beruht die Wasser-Pegel-Kraftanlage (WPK) auf der Nutzung der in einem Gewässer vorhandenen potentiellen Wasserenergie, die bei variierenden Wasserpegeländerungen mithilfe der Auftriebskraft des Wassers Energie auf einen Auftriebskörper überträgt. Die WPK besteht immer aus zwei Auftriebskörper, die über eine gemeinsame Antriebsachse verbunden sind. Je nach Anwendungsbereich sind die Auftriebskörper als kubische Segmente oder als Kreissegmente ausgelegt.
Jeder Auftriebskörper ist mit einem Generator, einem Hauptgetriebe, einem Schalt- und Kontrollschrank mit Übertragungseinheit der elektrischen Energie zu einem zentralen Kraftwerk bestückt. Eine gemeinsame Antriebsachse beider Auftriebskörper treibt jeweils über Trennkupplungen und Hauptgetriebe den Generator an. Die Trennkupplungen zwischen Antriebsachse, Hauptgetriebe und Generator sind zur Störungsbehebung, Wartung und Montage angedacht. Die Drehkraftübertragung auf die gemeinsame Hauptantriebsachse erfolgt bei einer Wasserpegeländerung mittels der Auftriebs- bzw. Schwerkraft durch das Abrollen eines gemeinsamen Antriebszahnrades mit Integralgetriebe an einer Zahnradschiene. Diese ist über eine Zahnschienenschwelle mit einem ebenen Gleisbett verbunden. Ein Integralgetriebe im Antriebszahnrad soll auch bei geringen und langsamen Wasserpegeländerungen eine höhere Anfangsdrehzahl der Antriebsachse ermöglichen.
Steigt der Wasserpegel, hebt die Wasserauftriebskraft die gemeinsamen Auftriebskörper an und versetzt das Zahnrad in eine Drehbewegung. Sinkt der Wasserpegel, zieht die Schwerkraft die gemeinsamen Auftriebskörper nach untern und versetzt das Zahnrad in entgegengesetzte Drehbewegung. Hierdurch wird jeweils die kinetische Energie über die Getriebe im Generator in elektrische Energie umgewandelt.
Die beidseitige Führung erfolgt durch gemeinsame parallele und orthogonale Rollenkomponente mit integrierten Torsionskompensatoren, welche seitlich der WPK positioniert sind und in parallel zur Zahnschiene angebrachten Profilschienen abrollen. Um ein Verhaken der Körper in der Gleisanlage zu verhindern, sind oberhalb und unterhalb des WPK gleisseitig Drehmomentkompensatoren mit Zahnschienen in Führungsfunktion installiert. Die Drehmoment- und Torsionskompensation soll einen störungsfreien und gleichmäßigen Betrieb der WPK garantieren.
Durch Luftkompressoren in den Auftriebskörpern soll ein Lufthochdruck im Integralgetriebe des Antriebszahnrades erzeugt werden, um eindringendes Wasser zu verhindern bzw. zu minimieren, sowie Feuchtigkeitseindrang in der Schalt- und Kontrolleinheit zu verhindern. Eine Lenzpumpe hat neben der Trimm- und Balancefunktion auch die Aufgabe, Bilgenwasser zu entsorgen.
Der Doppelboden der Auftriebskörper ist mit Trimm- und Ballasttanks versehen. Alle Auftriebskörperhüllen müssen doppelwandig zum Schutz gegen Kollision und Eisgang ausgelegt sein. Die Wasserlinie soll unterhalb des sich im Antriebszahnrad befindlichen Integralgetriebes sein. Das optimale Design der Auftriebskörperhülle muss an die klimatischen und physikalischen Offshorebedingungen angepasst werden.
Die elektrische Energieübertragung zum Verbraucher erfolgt über ein Seekabel und/oder über Induktionsschleifen.
Eine solche Wasserkraftanlage wird zur Umsetzung von potenzieller Energie in elektrische Energie genutzt, umfasst dabei einen an einem Tragelement unverlierbar höhenverschieblich geführten Auftriebskörper, wobei dem Tragelement eine Zahnschiene zugeordnet ist, welche mit einem dem Auftriebskörper zugeordneten Zahnrad kämmt, wobei dem Zahnrad unter Zwischenschaltung eines Getriebes ein Generator zugeordnet ist, welcher aufgrund einer Drehung des Zahnrades eine elektrische Spannung erzeugt, wobei diese über eine elektrische Abführung an dem Tragelement an einem elektrischen Abnehmer anliegt.
In bevorzugter Ausgestaltung kann die Spannungsübertragung zwischen dem Generator und dem elektrischen Abnehmer über ein Seekabel oder über einen induktiven Übertrager erfolgen, welcher mit einer parallel zu der Zahnschiene in dem Tragelement verlaufenden Induktionsschleife zusammenwirkt.
Zudem kann die Wasserkraftanlage so gestaltet sein, dass der Auftriebskörper eine Lenzpumpe aufweist sowie rings von einer Außenhülle umschlossen ist, welche aus flüssigkeitsdichten Einzelelementen hergestellt ist, wobei vorzugsweise mithilfe der Lenzpumpe Wasser aus dem Inneren des Auftriebskörpers heraus und/oder in wenigstens einzelne der Einzelelemente zur Lagetrimmung hinein und aus ihnen heraus gepumpt werden kann, wobei dem Auftriebskörper vorzugsweise wenigstens ein Luftkompressor zugeordnet ist, welcher einen Überdruck in dem Auftriebskörper, insbesondere in dem Getriebe, erzeugt.
Des Weiteren kann es sich bei dem Getriebe um ein Integral- und/oder Planetengetriebe handeln.
Vorteilhafterweise kann die Wasserkraftanlage derart gestaltet sein, dass oberhalb und/oder unterhalb einer Kontaktstelle des Zahnrads mit der Zahnschiene Stützelemente mit Zahnrollen vorgesehen sind, welche mit beiderseits parallel zu der Zahnschiene verlaufenden Rollenschienen kämmen und jeweils über ein Federbein gegen den Auftriebskörper abgestützt sind.
Eine weitere hilfreiche Ausgestaltung kann dermaßen durchgeführt sein, dass das Zahnrad und/oder die wenigstens eine Zahnrolle eine beidseitige, vorzugsweise konisch auslaufende, Seitenführung aufweist, welche die Zähne der Zahnschiene zwischen sich einschließen.
Weiter kann das Tragelement eine senkrechte oder abschüssige Wand, insbesondere eine Staumauer, sein. Zudem kann das Tragelement ein Turm oder eine runde oder mehrkantige Säule sein.
Eine weitere vorteilhafte Änderung kann vorsehen, dass mehrere Auftriebskörper zumindest abschnittsweise um den Turm oder die Säule verteilt, vorzugsweise in den Turm oder die Säule gemeinsam vollständig umgebende Hohlzylindersegmente unterteilt, sind.
Zudem kann die Wasserkraftanlage derart gestaltet sein, dass dem Auftriebskörper eine Generatorturbine zugeordnet ist, welche mit dem elektrischen Abnehmer wirkverbunden ist.
Mit wenigstens zwei solcher Wasserkraftanlagen kann ein Pumpspeicherkraftwerk genutzt werden, bei welchem die Wasserkraftanlagen in zwei geodätisch höhenversetzten Speicherbecken angeordnet sind, welche über wenigstens eine Verbindungsleitung über eine Pumpe verbunden sind.
Mit besonderem Vorteil kann das Pumpspeicherkraftwerk mit wenigstens zwei wechselweise betreibbaren Wasserkraftanlagen pro Speicherbecken versehen werden.
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen

1 Grundaufbau der WPK mit Induktionsschleife
2 Antriebszahnrad mit Integralgetriebe
3 Planeten-Integralgetriebe
4 Zahnradschienenführung und Torsions-& Drehmomentkompensation
5 Inselkraftanlage auf Bohrpfählen
6 Böden Zahnradschienensäule
7 WPK Inselbetrieb
8 Wechselkammern mit Windhybrid PWKW
9 WPK und Wind, Inselversion
10 Inselbetrieb WPK mit Pumpe
11 mehrere Wechselkammern
12 Windrad auf WPK und Generatorturbine
13 WPK-Insel mit Lagerraum
14 WPK an Felswand mit Brandung
15 Felswand-WPK in der Wand mit Brandung

In der schematischen Darstellung der 1 einer WPK wird die gewonnene elektrische Energie mittels Induktion zum Verbraucher übertragen. Dies kann jedoch, anders als in der Darstellung, auch durch ein Seekabel erfolgen, welches an der WPK seeseitig nach außen herausgeführt wird und als Schlaufe unter dem Auftriebskörper 2 zur Übergabe an eine Transmitterstation zahnschienenseitig verlegt wird. Die Seekabelführung erfolgt durch kabelumschießende Kegelrollen, welche ein störungsfreies Ab- und Aufspulen gewährleisten sollen, sodass die Kabelschleife um den Auftriebskörper 2 den Wasserpegeländerungen angepasst ist. Der Nachteil dieser Übertragungsart besteht in der durchhängenden Kabelschleife, da durch große Fremdkörper, Eisgang und Wasserströmungen diese zu einem Verhaken geführt werden kann und das Seekabel dabei beschädigt werden kann. Daher ist die Lösung eine kabellose induktive Energieübertragung, welche den universalen Einsatz von WPK in der onshore als auch offshore Anwendung ermöglichen. Hierbei wird die in den jeweiligen WPK-Sektionen generierte elektrische Energie mittels Transmitter 7 auf eine Induktionsschleife 8 übertragen, welche parallel zur Auf- und Abwärtsbewegung im Zahnradschienenuntergrund in Form des Tragelements 1 integriert ist und welche an eine Transformatorstation weiterleitet. Die elektrische Energie wird von den Transformatoren via Überland- bzw. Untergrundleitung oder einem Seekabel zu den Energieunternehmen übertragen.
In 2 ist das Antriebszahnrad 4 mit Integralgetriebe 13 abgebildet und in 3 ist ein integrales Planetengetriebe 13 des WPK mit Antriebszahnrad 4 dargestellt. Das große Drehmoment des Antriebszahnrades 4 soll mit dem Integralplanetengetriebe 13 auch bei geringen Wasserpegeländerungen eine höhere Drehzahl der gemeinsamen Hauptantriebsachse zwischen den WPK-Sektionen erzeugen. Hierdurch können die internen Planetengetriebe 13 der beiden WPK-Sektionen eine höhere Drehzahl der Generatorantriebsachse 29 erzeugen. Das Getriebe besteht aus dem inneren Zahnradkranz 27 mit seitlichem Führungsprofil des WPK-Antriebszahnrades 4, der links- und rechtsseitigen Getriebewannen 28 mit dem Antriebszahnradführungsprofil, sowie den beiden linken und rechten überkreuz angeordneten Getriebehohlachsen 29 mit den Getriebezahnrädern 30, der gemeinsamen Hauptzahnradantriebsachse 26, der linken und rechten WPK-Sektion mit Getriebewiderlager 31 und den vier in der Getriebewannen 28 integrierten Befestigungs- und Distanzachsen, sowie den Druckluftanschlüssen 32 und der linken und rechten Getriebehollachsen 29. Mit der Druckluft von den Luftkompressoren 12 der beiden WPK-Segmente 25 soll der Feuchtigkeitseintrag in das Integralgetriebe 13 verhindert bzw. minimiert werden.
Um ein spurgetreues Abrollen des Antriebszahnrades 4 auf der Zahnschiene 3 zu gewährleisten, ist - wie in 4 erkennbar - der äußere Zahnkranz beidseitig als Seitenführung 17 geflanscht. Beide Seitenführungen 17 sind leicht konisch abgesetzt und halten auch bei Torsionsbewegung die Spur, vergleichbar mit Eisenbahnlaufrädern auf Schienen. Bei jeder Wasserpegeländerung entsteht ein großes Drehmoment auf die WPK-Segmente 25. Um dieses abzufedern werden jeweils an der unteren und oberen zahnschienenseitigen WPK-Segmentverbindungen Drehmomentkompensatoren 33 angeordnet. Zusätzlich sind sie mit einer Zahnschienenfunktion aufgelegt. Das WPK-Drehmomentkompensationselement 33 besteht aus einer Schwingarmhalterungsplatte 34, einem Stützelement 14 mit Führungszahnrad 35 und Drehmomentkompensatoren 33 mit Zwangsstopper oder alternativ einer Blattfeder. Der Zwangsstopper oder die Blattfeder sorgen für den Mindestabstand zwischen dem WPK-Auftriebssegment 25 und der Zahnradschiene 3. Ein Verhaken durch die durch das Drehmoment ausgelöste Nickbewegung wird hierdurch verhindert. Das Zahnradritzel mit beidseitigem Flansch soll zusätzlich für eine stabile vertikale Auf- und Abwärtsbewegung der WPK-Auftriebssegmente 2 sorgen.
Auch kann statt der kubischen Anordnung von zwei WPK-Segmenten 25 sich eine Inselversion der WPK mit WPK-Kreissegmenten 20 anbieten. Hierbei werden vier WPK-Kreissegmente 20 um eine Rundzahnschienensäule 3 und 19 angeordnet.
In 5 und 6 sind mögliche Böden für eine solche Wasserpegel-Insel-Kraftanlage dargestellt. Die WPK in der Insel- bzw. der Rundturmversion benötigt als zentralen Kern eine Rundsäule 19 zur Aufnahme der Zahnrad- und Führungsschienen 3 und der WPK-Kreissegmente 20. Die Ausführung ist abhängig von der Anwendung im Onshore- als auch im Offshorebereich. Drei Rundsäulentypen 19 bieten sich hierzu an. Onshore eine Zahnradschienensäule 19, bestehend aus einem Stahlrohrbündel 36, welche für die Anwendung von WPK bei Pumpspeicherkraftwerken alleinstehend oder im Rundturm 19 geeignet ist. Eine Zahnradschienensäule 3 und 19 aus einer Vollmaterialrundsäule 19 oder Hohlzylinderrundsäule 19 aus Stahlbeton (WU-Beton) für den Offshorebereich, wobei die Vollmaterialrundsäule 19 sich vorteilhaft für Windkraftanlagen gestaltet, während der Hohlzylinder 38 beispielsweise für eine Turminsel-WPK geeignet ist.
Damit sind WPK in zwei Anwendungsbereiche aufteilbar, dem Onshore- und dem Offshorebereich, mit jeweils verschiedenen Versionen. Dabei können die onshore WPK als Staumauerversion 18 mit oder ohne Wechselkammer 39-Windgeneratoren-Hybrid für Pumpspeicherkraftwerke, als Inselversion mit oder ohne Wechselkammer 39-Windgeneratoren-Hybrid für Pumpspeicherkraftwerke, an befestigten Ufern und Schiffkais von Binnenschifffahrtsstraßen mit Windgeneratorenhybrid, sowie mit Wechselpufferkammer-Windgeneratoren in Hybridform und Wasserturbinen 21 im Tandem für Schiffschleusen. Offshoremöglichkeiten bilden sich in WPK-Hybriden mit Gezeiten- und Strömungskraftanlagen und auch mit Windturbinen 40 in Inselturmversion, sowie in Schachtversionen für Fjorde und Steilküsten sowie als Windturbinenschachthybrid für Meeresküsten mit starker Brandung und starken Gezeiten.
Die WPK für Pumpspeicherkraftwerke als Staumauer- bzw. Inselversion gründet auf Pumpspeicherkraftwerken, welche eine Form der Zwischenspeicherung von überschüssiger elektrischer Energie der regenerativen Energiegewinnung für Wind- und Wasserkraftanlagen sind. Hierbei soll bei Pumpspeicherkraftwerken die brachliegende Energieressource der Wasserpegeländerung der Speicherseen 22 im Pump- und Turbinenbetrieb zusätzlich genutzt und die Effizienz erhöht werden. Es bieten sich vier Ausführungsmöglichkeiten an. Die erste Ausführung ist mit kubischen WPK-Auftriebskörper mit Zahnradschienen 3 und Seitengitterführungen an der Staumauer 18, die zweite als Wasserpegel-Wechsel-Pufferschacht-Wind-Hybrid-Kraftanlage an der Staumauer 18 die in 7 und 8 dargestellt ist. Als dritte Ausrührung bietet sich eine kreisförmige WPK-Auftriebskörperanordnung 20 um eine Zahnradschienensäule 19 als Wasserpegelinselkraftanlage in den Speicherseen 22 an oder als vierte Ausführung eine Wasserpegel-Insel-Wechsel-Pufferschacht-Wind-Hybrid-Kraftanlage, deren Draufsicht man in 7 und 8 sieht.
Nachteil der ersten und dritten Ausführung ist die geringere Effizienz bedingt durch die geringere und langsamere Wasserpegeländerung, jedoch sind die Kosten günstiger als für die zweite und vierte Ausführung. Durch die Wechselkammerausführung der zweiten und vierten Ausführung wird das Pump- und Turbinenwasser den Wechselkammern 39 direkt zugeführt, bevor sie zum Speichersee 22 abgeleitet werden. Hierdurch wird eine schnelle Wasserpegeländerung erzeugt und damit die Effizienz erhöht. Durch Windturbinen 40 in der Schachtabdeckung 41 der Wechselpufferschächte 42, wird die angesaugte Luft bei Wasserpegelabsenkung und die komprimierte Luft bei steigendem Wasserpegel zusätzlich als elektrische Energiegewinnung genutzt und dadurch wird eine erhöhte Effizienz dieser WPK erzielt. Eine weitere Möglichkeit der elektrischen Energiegewinnung im Turbinenbetrieb bietet der Einsatz von zusätzlichen Wasserturbinen 21. Eine Wasserturbine 21 im Abgang der Wasserleitung am oberen Speichersee 22 zur Pumpspeicherkraftwerkturbine kann die potentielle Energie der Saugschwerkraft der Wassersäule zusätzlich zur elektrischen Energiegewinnung zu nutzen, wie auch eine Wasserturbine 21 im Einlauf zu den Wasserpegel-Wechselpufferschacht-Kraftanlagen.
Die Anzahl der notwendigen Wasserpegel-Wechselpufferschacht-Kraftanlagen und deren Auslegung ist abhängig von der maximalen Wasserdurchsatzleistung (m³/s) im Pump- und Turbinenbetrieb, als auch abhängig vom Gewicht der verdrängten Wassermenge und dem Querschnitt des Auftriebskörpers 2 in Abhängigkeit von der installierten Generatorauslegung samt Zubehör, also damit dem Querschnitt der Wechselpufferkammer 39. Dies gibt die Pegeländerungsgeschwindigkeit vor und die damit verbundene Energieausbeute.
Der Nachteil einer WPK für Pumpspeicherkraftwerke in der Einfachversion mit Seiten- und Distanzführungsrahmen, ist die sehr langsame Wasserpegeländerung in den Pumpspeicherseen 22. Durch den Einsatz von WPK mit Wechselkammerschachtanlagen, kann die Energiegewinnungseffizienz merklich erhöht werden. Hierbei wird das Pumpwasser bzw. das Turbinenabwasser zuerst in die Wechselpufferkammer 39 der modifizierten WPK eingespeist, bevor sie in die Speicherseen 22 abgeleitet werden. Hierdurch wird der hohe Wasserdurchsatz bei Pump- bzw. Turbinenbetrieb, verteilt auf mehrere solche WPK, für eine schnelle Wasserpegeländerung genutzt und hiermit eine Effizienzerhöhung erzielt. Die Wasserpegeländerungsgeschwindigkeit in einer WPK ist abhängig vom Querschnitt der WPK-Auftriebskörper 2, dem hieraus resultierenden Querschnitt und dem Wasseraufnahmevolumen eines Wechselpufferkammerschachtes, sowie von dem Pump- bzw. Turbinenleistungsdurchsatz (m³/s). Der Querschnitt der WPK-Auftriebskörper 2 ist abhängig vom Gewicht des verdrängten Wasservolumens und resultiert aus der installierten Auslegung der WPK. Durch die Anwendung mehrerer WPK kann das Wasserdurchsatzvolumen in Pump- bzw. Turbinenbetrieb eines Pumpspeicherkraftwerks auf mehrere WPK gleichmäßig aufgeteilt werden.
Eine weitere Effizienzerhöhung wird durch eine Anwendung einer Wasserpegel-Wechselkammer-Windturbinen-Hybridkraftanlage erzielt. Durch den Abschluss jedes Wechselpufferschachtes 42 mit einer Kuppel 41 und integrierter Windturbine 40 kann zusätzlich, bei einer Wasserpegeländerung, die angesaugte bzw. die komprimierte ausströmende Luft zur elektrischen Energiegewinnung genutzt werden. Neben der kubischen Wasserpegel-Staumauer-Wechselkammerkraftanlage bietet sich auch alternativ die Inselversion wie in 9 dargestellt als Wasserpegelturm-Wechselkammerkraftanlage an.
Weiter in 9 wird eine Pufferkammer-Wechsel-Hybrid-WPK Version dargestellt. Im Pumpbetrieb ist im unteren Speichersee 22 der Schieber 43 der Turbinenwasserzuleitung für die Wassereinspeisezuordnung der Pufferwechselkammer 39 auf Durchleitung zur linken Pufferkammer 39 und rechte Pufferkammer 39 gestellt. Der Schieber 44 der linken Pufferkammer 39 und der Schieber 45 der rechten Pufferkammer 39 sind auf Speicherseewasserauslauf gestellt. Der Schieber 46 der Speicherwasseransaugleitung ist auf Pumpbetrieb gestellt. Während des Pumpbetriebes saugt die Pumpe 23 der Pumpspeicherkraftwerkzentrale das Wasser des unteren Speichersees 22 an. Der Wasserpegel fällt im Speichersee 22 und gleichzeitig in den beiden Wasserpufferwechselkammern 39. Die Schwerkraft zieht beide Auftriebskörper 2 der WPK nach unten. Die Antriebszahnräder 4 rollen an den Zahnschienen 3 ab und wandeln die kinetische Energie der WPK in elektrische um. Beide Pufferkammern 39 sind mit einer Haube 41 abgedeckt, in denen jeweils eine Windturbine 40 integriert ist. Beim Absinken des Wasserpegels und der beiden WPK-Auftriebskörper 2 wird Luft angesaugt und in den Windturbinen 40 in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie der Hybrid WPK wird der Pumpspeicherkraftzentrale zugeführt.
Im oberen Speichersee 22 ist mit Bezug auf 8 der erste Schritt im Pufferkammerwechselpumpbetrieb, den Schieber 43 der Turbinenwasserableitung zu schließen. Der Schieber 37 der Pumpwasserzuleitung für die Einspeisezuordnung der Pufferwechselkammern 39 und der Schieber 44 für die linken Pufferkammern 39 sind durchgestellt. Steigt der Wasserpegel an, so hebt die Auftriebskraft den linken WPK-Auftriebskörper 2 an und das Antriebszahnrad 4 tollt auf der Zahnschiene 3 ab. Die Schwerkraft zieht beide Auftriebskörper 2 der linken WPK nach unten. Die Antriebszahnräder 4 rollen an den Zahnschienen 3 ab und wandeln die kinetische Energie in der WPK in elektrische um. Beide Pufferkammern 39 sind mit einer Haube 41 abgedeckt, in denen jeweils eine Windturbine 40 integriert ist. Beim Absinken des Wasserpegels in beiden WPK wird Luft angesaugt und in den Windturbinen 40 in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie der Hybrid WPK wird der Pumpspeicherkraftzentrale zugeführt.
Im zweiten Schritt wird, nachdem im oberen Pumpspeichersee 22 an der Staumauer 19 der linke WPK-Auftriebskörper 2 in der linken Pufferkammer 39 den maximalen Wasserpegel des Speichersees 22 erreicht hat, der Schieber 37 der Pumpwasserzuleitung 24 für die Einspeisezuordnung der Pufferwechselkammern 39 und der Schieber 45 für die rechte Pufferkammer 39 durchgestellt. Gleichzeitig ist der Schieber 44 für die linke Pufferkammer 39 auf Wasserableitung in den Speichersee 22 durchgestellt und der Wasserpegel des Speichersees 22 steigt. Der Wasserpegel in der linken Pufferkammer 39 sinkt. Die Schwerkraft zieht beide Auftriebskörper 2 der WPK nach unten. Das Antriebszahnrad 4 rollt an der Zahnschiene 3 nach unten ab. Gleichzeitig steigt der Wasserpegel in der rechten Pufferkammer 39 an und die Auftriebskraft hebt den rechten WPK-Auftriebsköper 2 an, wodurch das Antriebszahnrad 4 auf der Zahnschiene 3 nach oben abrollt. Somit wird sowohl beim Anstieg als auch beim Absinken in den WPK elektrische Energie erzeugt. Beide Pufferkammern 39 sind oben mit Kuppeln 41 abgeschlossen, in denen jeweils eine Windturbine 40 integriert ist. Bei Absinken des Wasserpegels und damit des WPK-Auftriebskörpers 2 wird in der Pufferkammer 39 Luft durch die Windturbinen 40 angesaugt bzw. beim Anstieg wird Luft durch die Windturbinen 40 nach außen gepresst und deren Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt.
Die wechselweise Beschickung der beiden Pufferkammern 39 im oberen Pumpspeichersee 22 wird im Pumpbetrieb so lange durchgeführt, bis der maximale Wasserpegel des Speichersees 22 erreicht ist. Die wechselweise Steuerung der Pufferkammerschieber 44 und 45 erfolgt durch den Ausgleich des Wasserpegels des Speichersees 22 mit dem Wasserpegel der linken bzw. der rechten Pufferkammer 39. Wird z. B. der maximale Füllpegelstand in der linken Pufferkammer 39 erreicht, so wird der Pufferkammerzuordnungsschieber 43 und der Schieber 45 der rechten Pufferkammer 39 auf Durchleitung gestellt. Gleichzeitig wird der Schieber 44 der linken Pufferkammer 39 auf Speicherseeeinleitung durchgestellt. Ist beim Entleeren der Wasserpegel der linken Pufferkammer 39 gleich dem Wasserpegel des Speichersees 22, wird der linke Pufferkammerschieber 44 und der Pufferkammerzuordnungsschieber 43 wieder auf Zuleitung durchgestellt. Ist in beiden Pufferkammern 39 der Wasserpegel gleich dem maximalen Wasserpegel des Speichersees 22 und der Pumpbetrieb hat sein Ende erreicht, wird der Pufferkammerzuordnungsschieber 43 auf beide Pufferkammern 39 durchgestellt und die Schieber 44 und 45 der linken und rechten Pufferkammer 39 werden auf Speicherseeeinspeisung durchgestellt. Im entleerten unteren Speichersee 22 wird der Schieber der Pumpwasserabsaugleitung 24 gesperrt und z.B. der Pufferkammerzuordnungsschieber 43 und der linke Pufferkammerschieber 44 wird auf Turbinenwassereinspeisung durchgestellt. Der rechte Pufferkammerschieber 45 ist auf Turbinenwasserwechseleinspeisung gestellt. Beide Anlagen sind bereit für den Turbinenbetrieb.
Wie bei der einfachen Staumauer-WPK, besteht auch bei der Inselversion der Nachteil in der geringen Effizienz durch die langsamen Wasserpegeländerungen. Große Antriebzahnräder 4 und Getriebe 5 sind erforderlich. Lösung ist die Anwendung der Wasserpegel-Windturbinen-Hybridwechselkammer-Kraftanlagen als Staumauerversion oder als Inselversion für Pumpspeicherkraftwerke.
Wie auch in 10 in der Inselversion dargestellt, wird durch die direkte Einspeisung von Pump- bzw. Turbinenwasser die Steiggeschwindigkeit der Wasserpegel in den Wechselkammern 39 der Wasser-Pegel-Windturbinen-Hybrid-Wechselkammer-Kraftanlage merklich erhöht und hiermit auch die Effizienz diese WPK. Weiterhin wird durch die Wechselkammern 39 die hohe Wasserdurchsatzleistung durch die wechselweise Beschickung aufgeteilt. Wechselweise wird das Pump- bzw. Turbinenwasser, bei Erreichen der maximalen Wasserpegelhöhe in den Wechselkammern 39, an die Speicherseen 22 abgeleitet. Die Wechselkammerhöhe sollte etwas höher sein, als der maximale Wasserpegel der Speicherseen 22, um durch die Schwerkraft eine schnellere Wasserableitung zu erreichen und eine Entleerung der Wechselkammer 39 sicherzustellen. Damit wird eine anschließende Umstellung der Zu- und Ableitungsschieber in Beschickungsposition zum Zeitpunkt vor einer möglichen Wechselbeschickung von Pump- und Turbinenwasser gewährleistet.
Durch den oberen Abschluss durch Kuppeln 41 mit integrierten Windturbinen 40 kann über die angesaugte bzw. komprimierte Luft bei Wasserpegeländerungen in den Wechselkammern 39 zusätzlich elektrische Energie erzeugt werden. Durch diese Wasser-Pegel-Windturbinen-Hybrid-Wechselkammer-Kraftanlage kann die Effizienz eines Pumpspeicherkraftwerks merklich erhöht werden. Die Auslegung der Wasser-Pegel-Windturbinen-Hybrid-Wechselkammer-Kraftanlage ist abhängig vom Durchsatz der Pump- bzw. Turbinenwasserleistung, der Generatorleistung und der Anzahl der gekoppelten Wasser-Pegel-Windturbinen-Hybrid-Wechselkammer-Kraftanlagen. Je höher die Wasserpegelanstiegsgeschwindigkeit in den Wechselkammern 39, desto höher die Effizienz.
Eine brachliegende potentielle Energieressource finden wir bei Schifffahrtschleusen der Flussschifffahrt oder Schifffahrtskanälen. Nutzbar ist die Wasserkraft beim Fluten der Schleusenkammern 47 und dem Absenken des Wasserpegels in der Schleusenkammer 47 auf das untere Niveau. Hierzu bietet sich eine Wasser-Pegel-Windkraft-Hybrid-Wechselkammer-Kraftanlage im Tandem mit einer Wasserturbine 21 an, was in 11 dargestellt ist. Beide Seiten der Schleusenkammern 47 können für die Integration dieses Kraftwerktyps genutzt werden. Je nach Schleusengröße können Kaskaden von Wechselkammern 39 zur Anwendung kommen. Hierdurch wird die potentielle Energie des Wassers durch die Wasserpegeländerung, sowie den hierdurch entstehenden Luftdruckänderungen, in den Wechselkammern 39 während des Schleusenvorgangs durch diesen Kraftanlagentyp in elektrische Energie umgewandelt. Zusätzlich kann im Tandem beim Absenken des Wasserpegels in der Schleusenkammer 47 das abfließende Wasser durch eine Wasserturbine abgeleitet werden. Bei Flussschifffahrtsschleusen kann hierdurch ohne Schleusenvorgang die Schleuse 48 wie eine normale Wasserturbinenkraftanlage genutzt werden.
Der Vorteil hierbei ist, dass drei brachliegende Energieressourcen nutzbar sind, die Wasserauftriebskraft, die Windenergie und die Wasserströmung. Dazu gibt es eine Effizienzerhöhung von Schleusenanlagen in der Binnenschifffahrt zu Fluss- oder Schifffahrkanälen. Die Wasserpegel-Wechselschacht-Kraftanlage mit Wasserturbine 21 im Tandem sind in Schleusenanlagen beidseitig integrierbar. Außerdem kann bei Flussschifffahrtschleusen eine zusätzliche Wasserturbinenkraftanlagenerweiterung stattfinden. Zumal die Kraftanlage nachrüstbar, nachhaltig und CO₂ frei ist.
Die Schifffahrtschleusen Wasser-Pegel-Wechselpufferkammer-Hybrid-Kraftanlage mit Wasserturbinen im Tandem funktionieren wie folgt. In der Schleusenkammer 47 sind die Schleusentore 48 geschlossen und der Schieber 49 zu den Wasserturbinen ist geschlossen. Der Schieber 50 zu den Wasser-Pegel-Wechselpufferkammern ist geöffnet in Einspeisestellung. Hierdurch steigen die WPK-Auftriebskörper 2 in den Pufferkammern 39 durch die Auftriebskraft an und es wird ihre Bewegungsenergie in elektrische Energie umgesetzt. Gleichzeitig wird die Luft in den Pufferkammern durch die Windturbinen 40 in den Abdeckhauben 41 nach außen gepresst und setzen zusätzlich ebenfalls elektrische Energie um. Der Schieber 50 der Wasser-Pegel-Wechselpufferkammern ist in Abflussstellung zur Schleusenkammer 47 gestellt. Hierdurch sinken die WPK-Auftriebskörper 2 in der Pufferkammer 39 durch den sinkenden Wasserspiegel und erzeugen elektrische Energie. Gleichzeitig strömt die von außen angesaugte Luft in die Pufferkammern 39 durch die Windturbinen 40 in den Abdeckhauben 41 und setzen zusätzlich elektrische Energie um. Der Wasserpegel und das Schiff in der Schleusenkammer 47 steigen an.
Ist z.B. der Wasserpegel in der Wechselpufferkammer auf dem gleichen Niveau wie der Wasserpegel des oberen Schifffahrtskanals, so wird der Schieber 51 auf Abfluss zur Schleusenkammer 47 umgestellt. Der Wasserpegel in der Wechselpufferkammer 39 sinkt, bis er das Niveau des Wasserpegels in der Schleusenkammer 47 erreicht hat. Jetzt wird derselbe Schieber 51 wieder auf Wassereinspeisung in der Wechselpufferkammer 39 umgestellt. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die Wasserpegel vom oberen Schifffahrtskanal, der Wechselpufferkammern 39 und der Schleusenkammer 47 das gleiche Niveau haben. Nun wird das obere Schleusentor 48 geöffnet. Das Schiff fährt aus der Schleuse aus. Die Schieber 50 der Wasserpegel-Wechselpufferkammern 39 sind in Abflussstellung zur Schleusenkammer 47 gestellt. Die Schifffahrtsschleuse ist bereit zur Schleusung eines Schiffs aus dem oberen Kanal.
In Tandem mit den Wasserturbinen 21 sind die Schleusentore 48 bei einem Schiff, welches sich in der Schleuse befindet, zunächst geschlossen und die Schieber 51 der Wechselpufferkammern in Einspeisestellung gestellt. Die Schieber 52 für die Wasserturbineneinspeisung sind geöffnet und leiten das Schleusenwasser durch die Turbinen 21 in den unteren Schifffahrtskanal, dabei setzen diese elektrische Energie um. Beim Absenken des Wasserpegels setzen die vier WPK in den Wechselpufferkammern 39 mit verminderter Pegeländerungsgeschwindigkeit elektrische Energie um. Die geringere Drehzahl der PWK-Antriebzahnräder 4 wird über die WPK-Getriebe 5 kompensiert. Beim Absenken des Wasserpegels setzen die vier Wechselpufferkammern 39 mit der angesaugte Luft durch die Windturbinen 40 zusätzlich elektrische Energie um. Haben die Wasserpegel der Wechselpufferkammern 39 und der Schleusenkammer 47 das gleiche Niveau wie der Wasserpegel des unteren Schifffahrkanals, werden die Schieber 52 für die Wasserturbineneinspeisung geschlossen und das untere Schleusentor 48 kann geöffnet werden. Das Schiff kann die Schleusenkammer 47 verlassen. Ist kein Schiff in Wartestellung, so kann das Schleusentor 48 zum unteren Schifffahrtkanal geschlossen bleiben, das obere ist geöffnet. Der Wasserpegel in der Schleusenkammer 47 hat das gleiche Niveau wie der Wasserpegel des oberen Schifffahrtkanal. Wenn die Schieber 52 für die Wasserturbineneinspeisung geöffnet sind, kann das Wasser der Schleuse durch die Windturbinen 40 strömen und hierdurch elektrische Energie umsetzen.
Ein weiteres Beispiel betrifft Wasserpegel-Uferschacht-Wind-Hybridkraftanlage an Binnenschifffahrtsstraßen. Jedes fahrende Schiff, welches sich auf einem schiffbaren Fluss oder Schifffahrtskanal bewegt, erzeugt zuerst ein Wellental, gefolgt von der Schiffsbugwelle, wobei das darauffolgende Wellental in die Schiffsheckwelle übergeht. Das Wellental vor dem Aufbau der Bugwelle verhält sich wie ein Minitsunami, d.h. das Wasser zieht sich vom Ufer zurück und die nachfolgende Bugwelle kommt mit erhöhter Amplitude an das Ufer zurück. Je größer die verdrängte Wassermenge eines Schiffskörpers und/oder höher die Geschwindigkeit eines Schiffes ist, desto größer ist die Amplitude der Welle und damit auch die nutzbare potentielle Energie durch die dynamische und variierende Gewässerpegeländerung. Diese Wasserpegel-Uferschacht-Wind-Hybridkraftanlagen können die brachliegende Energieressource an vielbefahrenen schiffbaren Flüssen oder Schifffahrtskanälen, sowie auch Seehäfen wie z.B. Hamburg und Rotterdam, nutzen. Die Wasserpegel-Uferschacht-Wind-Hybridkraftanlage werden in befestigten Uferanlagen 18 oder Kaimauern 18 integriert mit Wasserzu- und -ablauf unter dem minimalen Wasserpegel der schiffbaren Gewässer. Die Effizienz erhöht sich mit der Anzahl der Kraftanlagen.
Meeres-WPK finden ihre Anwendung in der maritimen Nutzung der regenerativen und nachhaltigen Gewinnung von elektrischer Energie aus der unbegrenzten potentiellen bzw. kinetischen Energie der Meereswasserpegeländerung durch Meereswellen und Gezeiten. Eine erweiterte Nutzung der Meeresströmung erfolgt durch eine Meereswasserpegel-Strömung-Hybridkraftanlage. Bei Meereswasserpegel-Schacht bzw. Turmkraftanlagen als geschlossenes System, kann zusätzlich die komprimierte und dekomprimierte Luft in Hybridfunktion mit Windturbinen 40 in der Schacht- bzw. Turmkuppel 41 zur Energiegewinnung genutzt werden. Mit den Hybridversionen wird eine Effizienzerhöhung der Meeres-WPK erzielt.
Das Grundprinzip ist immer das gleiche, wie auch bei onshore WPK. WPK bestehen immer aus mindestens zwei miteinander verbundenen Auftriebskörper 2 mit jeweils Getriebe 5, Generator 6, Schlaft- und Kontrollschränken, elektrischer Energietransmission 7 und 8, einer Lenzpumpe 9 sowie einem Luftkompressor 12 für Luftüberdruck im Auftriebskörper 2 und einem Integralgetriebe 13 im Antriebszahnrad 4. Die Generatoren 6 werden von dem Antriebszahnrad 4 mit Integralgetriebe 13 über die gemeinsame Antriebsachse angetrieben, welches bei einer Pegeländerung an einer senkrechten Zahnschiene 3 abrollt. Die Zahnschienen 3 sind senkrecht an einer Rundsäule 19 oder einem Hohlzylinder 19 bei Insel- bzw. Turmversionen oder an einer inneren Wand 19 von kubischen Schachtanlagen an Küsten und Kaianlagen angebracht.
Eine Meeres-Wasser-Pegel-Gezeiten-Strömungs-Hybrid-Kraftanlage in Hybridversion mit einer Offshore-Windkraftanlage 53 wie in 12 hat den Vorteil zu einer alleinigen Offshore-Windkraftanlage 53, dass diese bei Sturm vom Netz genommen werden müssen, um eine Zerstörung zu verhindern und bei Windflaute die Windrotoren stillstehen. In beiden Situationen fallen sie als elektrischer Energieerzeuger aus.
Eine Meeres-Wasser-Pegel-Gezeiten-Strömungs-Hybrid-Kraftanlage in Hybridversion mit einer Offshore-Windkraftanlage 53 würde bei Abschaltung der offshore Windkraftanlage 53 unabhängig von den Windbedingungen den Ausfall kompensieren. Die Effizienz einer offshore Windkraftanlage 53 wir durch die Kombination zu einer Meeres-Wasser-Pegel-Gezeiten-Strömungs-Hybrid-Kraftanlage in Hybridversion mit einer Offshore-Windkraftanlage 53 im Normalbetrieb erhöht. Für Anwendung einer Wasserpegel-Insel-Kraftanlage dient der Fundamentsockel 54 der offshore Windkraftanlage 53 als Zahnradschienensäule 19.
Vier Zahnradschienen 3 werden senkrecht angebracht, wobei sie um 90 Grad und 45 Grad zur Hauptmeeresströmung versetzt um den Fundamentsockel 54 der offshore Windkraftanlage verteilt werden. Vier Torsionskompensationsschienen 55 werden um 45 Grad versetzt zu den Zahnradschienen 3 am Fundamentsockel 54 der offshore Windkraftanlage 53 angebracht. Die WPK-Kreissegmente 20 werden kreisförmig um die so geschaffene Zahnradschienensäule 3 und 19 an den Zahnradschienen 3 angedockt und zu einer kreisförmigen Wasserpegel-Insel-Kraftanlage verbunden.
Wie in 12 dargestellt, bietet sich eine zusätzlich Anwendung von jeweils zwei Meeresströmungskraftanlagen an. Diese werden in Hauptmeeresströmungsrichtung ausgerichtet und unter der Wasserpegel-Insel-Kraftanlage montiert. Somit können acht bzw. zehn Generatoren 6 elektrische Energie generieren. Die elektrische Energieübertragung soll über eine induktive Receiverschleife 8 zur Windkraftanlage 53 erfolgen.
Meeres-Wasser-Pegel-Gezeiten-Strömungs-Hybrid-Kraftanlage in Hybridversion mit einer Offshore-Windkraftanlage 53 bei einer Meeresströmung um eine Rundsäule 19 wird das Wasser als Strömungsisobaren an der Säule verdichtet und erzeugen eine Jetströmung. Hierdurch bietet sich die Anwendung von Meeres-Wasser-Pegel-Gezeiten-Strömungs-Hybrid-Kraftanlage in Hybridversion mit einer Offshore-Windkraftanlage 53, da die Anordnung und Ausrichtung der Meeresströmungskraftanlage in Hauptmeeresströmungsrichtung bzw. in Gezeitenströmungsrichtung stattfindet.
Die Meereswasserpegel-Gezeiten-Windturbinen-Hybrid-Turmkraftanlage soll in meeresküstennahen Gewässern Anwendung finden. Neben der elektrischen Energieerzeugung kann in der Turmdachkuppel 41, wie in 13 dargestellt, eine Meerwasserentsalzungsanlage oder eine Wasserstoffgewinnungsanlage Anwendung finden, oder sie kann als meteorologische und/oder meeresbiologischer Forschungsstation dienen. Entsalztes Meerwasser bzw. Wasserstoff kann in einem Tank in der Zahnradschienenhohlzylindersäule 19 zwischengespeichert werden.
In einem Rundturm 19, der an seinem Boden in einen Senkkasten übergeht, sind vier WPK-Kreissegmente 20 um eine Hohlzylindersäule 19 als Zahnradschienensäule 19 mit einem integralen Hochdruckspeichertank angeordnet. Vier Zahnradschienen 3 sind senkrecht um 90 Grad versetzt an dem inneren Rundzylinderturm 19 verteilt befestigt. Vier weitere Zahnradschienen 3 sind um 45 Grad zu den inneren Zahnradschienen 3 versetzt senkrecht an der Innenseite des Außenrundzylinderturms 19 befestigt. Vier Torsionskompensationsprofilführungsschienen 55 sind um 45 Grad zu den Zahnradschienen 3 am inneren Rundzylinderturm 19 versetzt senkrecht befestigt. Ober- und Unterkante innenkreis- und außenkreisseitig der Auftriebssegmente 2 sind jeweils mit einer Drehmomentkompensation 33 und Torsionskompensation 55 ausgestattet.
Für enge Fjordpassagen und Steilküsten 18 mit starkem Tidenhub und starker Meeresströmung, wie es z.B. in Norwegen, Kanada, Alaska und Neuseeland oder auch zwischen den indonesischen Inseln im Sunda-Archipel der Fall ist, bietet eine Wasserpegel-Meeresströmung-Gezeiten-Hybridkraftanlage die ideale Möglichkeit, unbegrenzt schadstofffreie elektrische Energie zu gewinnen. Enge Fjordpassagen bieten die beidseitige Nutzung von Wasserpegel-Meeresströmung-Gezeiten-Hybridkraftanlagen wie eine solche in 14. Die Wasserpegel-Meeresströmung-Gezeiten-Hybridkraftanlage besteht aus einer kubischen WPK, die, erkennbar in 15, in einem im Steilufer 18 eingebetteten, meeresseitig offenen Schacht 56 geführt wird, an der eine Wasserturbine unterhalb der Wasserlinie angebracht wird und in die Meeresströmung hineinragt. Durch die Kombination aus WPK und Wasserturbine werden Meeresgezeiten und Meeresströmung zweimal am Tag zur elektrischen Energiegewinnung genutzt, sowie auch die variierenden Meereswellen.
Viele Länder und Inseln haben an Steilküsten eine starke Meeresbrandung. Mit dem folgenden Wasserpegel-Wind-Küstenbrandung-Gezeiten-Hybridkraftanlagentyp kann diese Meeresbrandung als potentielle Energieressource genutzt werden. Diese Wasserpegel-Schacht-Kraftanlage nutzt durch eine Schachtabdeckung 41 mit integrierter Windturbine 40 die durch die variierende Meereswasserpegeländerung ein- und ausströmende Luft zur zusätzlichen elektrischen Energiegewinnung in Hybridfunktion. Die kinetische Energie der Brandung presst das Meereswasser in den trichterförmigen Meereswasserzulaufkanal 57. Die Auftriebskraft drückt den WPK-Auftriebskörper 2 hoch und das WPK-Antriebszahnrad 4 rollt an der Zahnschiene 3 nach oben ab und treibt dadurch den WPK-Generator 6 an. Der hierdurch entstehende expandierende Luftdruck im abgeschlossenen Schacht 56 treibt die Windturbinen 40 der Kraftanlage an. Zieht sich die Brandungswelle zurück, fließt das Meereswasser aus der Wasserpegel-Schacht-Kraftanlage ab und die Schwerkraft zieht den WPK-Auftriebskörper 2 nach unten. Das WPK-Antriebszahnrad 4 rollt an der Zahnschiene 3 nach unten ab und treibt den WPK-Generator 6 an. Der hierdurch entstehende Luftunterdruck im abgeschlossenen Schacht 56 saugt von außen frische Luft an und treibt damit die Windturbinenkraftanlage an. Das Integralgetriebe 13 im Antriebszahnrad 4 soll auch bei relativ geringem Wellengang und geringer Gezeitenpegeländerung eine Generatordrehzahl erzeugen.
Der Vorteil einer solchen Anlage ist die Nachhaltigkeit, die Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern, die ausbleibende CO₂-Emission, dass sie gut in die Landschaft integrierbar und klimaunabhängig ist, als auch sich langfristig ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis ergibt und den Inselbewohnern und Bewohnern an abgelegenen Küsten einen unabhängigen Zugang zur elektrischen Energieversorgung bietet.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Tragelement
2: Auftriebskörper
3: Zahnradschiene
4: Zahnrad
5: Getriebe
6: Generator
7: Induktiver Übertrager
8: Induktionsschleife
9: Lenzpumpe
10: Außenhülle
11: Flüssigkeitsdichte Einzelelemente
12: Luftkompressor
13: Integral-/und oder Planetengetriebe
14: Stützelemente
15: Zahnrollen
16: Federbein
17: Seitenführung
18: Abschüssige Wand/Staumauer
19: Turm/Säule
20: Hohlzylindersegmente
21: Generatorturbine
22: Speicherbecken
23: Verbindungsleitung
24: Pumpe
25: WPK-Auftriebssegment
26: Generatorantriebsachse/Hauptantriebsachse
27: Innerer Zahnradkranz
28: Getriebewanne
29: Getriebehohlachse
30: Getriebezahnrad
31: Getriebewiderlager
32: Druckluftanschluss
33: Drehmomentkompensator
34: Schwingarm halterungsplatte
35: Führungszahnrad
36: Stahlrohrbündel
37: Schieber Pumpwasserzuleitung
38: Hohlzylinder
39: Wechselkammer
40: Windturbine
41: Schachtabdeckung/Abdeckhaube
42: Wechselpufferschacht
43: Schieber Turbinenwasserzuleitung
44: Schieber linke Pufferkammer
45: Schieber rechte Pufferkammer
46: Schieber Speicherwasseransaugleitung
47: Schleusenkammer
48: Schleusentor
49: Schieber zur Wasserturbine
50: Schieber Wasserpegelwechselpufferkammer
51: Schieber Abfluss und Einspeisung Pufferkammer
52: Schieber Wasserturbineneinspeisung
53: Windkraftanlage
54: Fundamentsockel
55: Torsionskompensation
56: Schacht
57: Trichterförmiger Meereswasserzulaufkanal

Claims

Pumpspeicherkraftwerk mit wenigstens zwei Wasserkraftanlagen zur Umsetzung von potenzieller Energie in elektrische Energie, wobei jede Wasserkraftanlage, einen an einem Tragelement (1) unverlierbar höhenverschieblich geführten Auftriebskörper (2) aufweist, wobei dem Tragelement (1) eine Zahnschiene (3) zugeordnet ist, welche mit einem dem Auftriebskörper (2) zugeordneten Zahnrad (4) kämmt, wobei dem Zahnrad (4) unter Zwischenschaltung eines Getriebes (5) ein Generator (6) zugeordnet ist, welcher aufgrund einer Drehung des Zahnrades (4) eine elektrische Spannung erzeugt, wobei diese über eine elektrische Abführung an dem Tragelement (1) an einem elektrischen Abnehmer anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Wasserkraftanlagen in zwei geodätisch höhenversetzten Speicherbecken (22) angeordnet sind, welche über wenigstens eine Verbindungsleitung (23) über eine Pumpe (24) verbunden sind.
Pumpspeicherkraftwerk gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der wenigstens zwei Wasserkraftanlagen die Spannungsübertragung zwischen dem Generator (6) und dem elektrischen Abnehmer über ein Seekabel oder über einen induktiven Übertrager (7) erfolgt, welcher mit einer parallel zu der Zahnschiene (3) in dem Tragelement (1) verlaufenden Induktionsschleife (8) zusammenwirkt.
Pumpspeicherkraftwerk gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der wenigstens zwei Wasserkraftanlagen der Auftriebskörper (2) eine Lenzpumpe (9) aufweist sowie rings von einer Außenhülle (10) umschlossen ist, welche aus flüssigkeitsdichten Einzelelementen (11) hergestellt ist, wobei vorzugsweise mithilfe der Lenzpumpe (9) Wasser aus dem Inneren des Auftriebskörpers (2) heraus und/oder in wenigstens einzelne der Einzelelemente (11) zur Lagetrimmung hinein und aus ihnen heraus gepumpt werden kann, wobei dem Auftriebskörper (2) vorzugsweise wenigstens ein Luftkompressor (12) zugeordnet ist, welcher einen Überdruck in dem Auftriebskörper (2), insbesondere in dem Getriebe (5), erzeugt.
Pumpspeicherkraftwerk gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der wenigstens zwei Wasserkraftanlagen es sich bei dem Getriebe (5) um ein Integral- und/oder Planetengetriebe (13) handelt.
Pumpspeicherkraftwerk gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der wenigstens zwei Wasserkraftanlagen oberhalb und/oder unterhalb einer Kontaktstelle des Zahnrads (4) mit der Zahnschiene (3) Stützelemente (14) mit Zahnrollen (15) vorgesehen sind, welche mit beiderseits parallel zu der Zahnschiene (3) verlaufenden Rollenschienen kämmen und jeweils über ein Federbein (16) gegen den Auftriebskörper (2) abgestützt sind.
Pumpspeicherkraftwerk gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der wenigstens zwei Wasserkraftanlagen das Zahnrad (4) und/oder die wenigstens eine Zahnrolle (15) eine beidseitige, vorzugsweise konisch auslaufende, Seitenführung (17) aufweisen, welche die Zähne der Zahnschiene (3) zwischen sich einschließen.
Pumpspeicherkraftwerk gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der wenigstens zwei Wasserkraftanlagen das Tragelement (1) eine senkrechte oder abschüssige Wand, insbesondere eine Staumauer (18), ist.
Pumpspeicherkraftwerk gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der wenigstens zwei Wasserkraftanlagen das Tragelement ein Turm (19) oder eine runde oder mehrkantige Säule (19) ist.
Pumpspeicherkraftwerk gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der wenigstens zwei Wasserkraftanlagen mehrere Auftriebskörper (2) zumindest abschnittsweise um den Turm (19) oder die Säule (19) verteilt, vorzugsweise in den Turm (19) oder die Säule (19) gemeinsam vollständig umgebende Hohlzylindersegmente (20) unterteilt, sind.
Pumpspeicherkraftwerk gemäß der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der wenigstens zwei Wasserkraftanlagen dem Auftriebskörper (2) eine Generatorturbine (21) zugeordnet ist, welche mit dem elektrischen Abnehmer wirkverbunden ist.
Pumpspeicherkraftwerk gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei wechselweise betreibbare Wasserkraftanlagen pro Speicherbecken (22) vorgesehen sind.