Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkraftwerk zum temporären reversiblen Speichern von Energie, insbesondere von zeitlich schwankend zur Verfügung stehender Knergie aus Windkraftanlagen und/oder Photovoltaikanlagen, ein

Stromversorgungsnetz mit einem Pumpspeicherkraftwerk sowie ein Verfahren zum reversiblen Zwischenspeichern von elektrischer Energie aus Primärenergiekraftwerken.

Hintergrund der Erfindung

Als Folge der über die Erdoberfläche ungleichmäßig

verteilten Sonneneinstrahlung entsteht eine bekannte

Temperaturverteilung zwischen den Tropen und Subtropen auf der einen Seite und den Polarbereichen auf der anderen

Seite. Dieses Energiegefälle ist ursächlich für die bekannten auf der Erde vorherrschenden Großwindsysteme, die einen Großteil der von der Erdoberfläche absorbierten Strahlungsenergie in Form von Wind im Falle der nördlichen Halbkugel u.a. nach Europa, Atlantik, Nordsee etc.

transportieren .

Schon seit vielen Jahrhunderten nutzt der Mensch die Kraft des Windes, die im Mittel pro Quadratmeter Fläche einer Energieleistung von etwa 1 Kilowatt entspricht. Diese

Energie kann mit Hilfe moderner Windkraftanlagen auch in Form von elektrischer Energie umgewandelt und vielfältig genutzt werden. Windstärke und Windrichtung unterliegen dabei aber

klimatischen und natürlichen Schwankungen, wobei der Wind auch regelmäßig zum Erliegen kommen kann. Eine industrielle Gesellschaft kann aber die Windkraft nur dann als

verlässliche Energiequelle verwenden, wenn sie

kontinuierlich zur Verfügung steht .

Eine Möglichkeit, eine kontinuierlichere Abgabe der elektrischen Energie an ein Stromversorgungsnetz o.ä. zu erreichen ist es, wenn man einen Teil der so erzeugten elektrischen Energie in ausreichendem Maße über den

Zeitraum von zumindest Stunden, ggf . Tagen

Zwischenspeichern kann. Die Energie aus dem

Zwischenspeicher kann dann bei einer Flaute in das

Stromversorgungsnetz eingespeist werden, so dass eine kontinuierliche Abgabe gewährleistet ist. Gleiches gilt für elektrische Energie aus Photovol aikanlagen. Gelingt eine solche Speicherung in großem Maßstab, so könnten diese regenerativen Energiequellen besser zur Grundlastdeckung eingesetzt werden und eines Tages

möglicherweise fossile Energieerzeugung und Kernenergie vollständig ersetzen.

Traditionelle Direktspeicher für Elektrizität, wie

Akkumulatoren, können nur vergleichsweise geringe

Energiemengen speichern, weisen hohe Speicherverluste auf und sind außerdem sehr teuer und daher im großen Stil wirtschaftlich nicht verwendbar. Die heute häufig

diskutierten chemischen Speicherverfahren (z.B. Elektrolyse von Wasser) und Druckluf speicher haben schon aufgrund der Wärmeverluste eine relativ schlechte Effizienz in der Wiedergewinnung der so gespeicherten Energie. Eine

Nutzungseffizienz in der Größenordnung von etwa 30% sind für diese Speicherarten bereits gute Werte.

Daher verbleiben nach heutigem Stand der Technik nur

Wasser-Pumpspeicherkraftwerke (PSKW) um effizient und in großem Maße elektrische Energie zu speichern. Diese können eine Wiedergewinnungseffizienz der gespeicherten Energie von etwa 80% erreichen. Bei diesen Anlagen pumpt man Wasser - zumeist an künstlichen Stauseen - in Zeiten des

Stromüberflusses aus einem unteren Speicherbecken in ein oberes Speicherbecken. Je größer die Speicherbecken und je größer der Höhenunterschied ist, desto mehr Energie kann man speichern. Bei Strombedarf lässt man das so

hochgepumpte Wasser durch Turbinen wieder zurück in den unteren Speicher fließen. Dabei wird die Differenz der potentiellen Energie des Wassers in elektrische Energie umgewandelt. Die Leistung W ergibt sich aus dem Produkt aus Höhenunterschied h zwischen beiden Speicherbecken und der Wasserdurchflussmenge . Es gilt (bei einer Dichte des Wassers von 1000 kg/m^) die einfache Formel:

W (kW) = 9,81 · M (m3/s) ^■ h (m) . Damit ergibt sich die Gesamtkapazität des Energiespeichers mit

E (kWh) = 9,81 · M · h · t/3600 (Stunden) , t ist die maximale Zeitdauer für das Absenken des Wasserspiegels im oberen Speicherbecken in Stunden. Bei einem

Pumpspeicherkraftwerk wechseln Pump-, Speicher- und

Stromerzeugungsphasen folglich ständig miteinander ab. Die Pumpspeicherkraftwerke können in kürzester Zeit angefahren v/erden und so schnell auf Strombedarf reagieren. In

Deutschland gibt es heute etwa 30 Pumpspeicherkraftwerke, ihre Standorte liegen wegen der benötigten Höhendifferenz im Mittel- oder gar Hochgebirge und die größten Anlagen in Deutschland sind bei Goldisthal / Thüringen (Leistung etwa 1 Gigawatt und Energie-Speicherkapazität etwa 8,5 GWh bei einem Nutzvolumen von etwa 12 Millionen Kubikmeter) und Markersbach / Sachsen (Leistung etwa 1 Gigawatt und

Energie-Speicherkapazität etwa 4 GWh) . Insgesamt beträgt die Leistung aller Pum speicherkraftwerke in Deutschland zusammen etwa knapp 7 Gigawatt .

Der Bedarf an solchen Pumpspeicherkraftwerken übersteigt jedoch das typischerweise vorhandene Potential und vor allem für die Offshore gewonnene indenergie werden ortsnahe Energiespeicher gebraucht. Diese Kapazitäten auszubauen, ist daher eine wichtige volkswirtschaftliche Aufgabe (siehe z.B. Energie-Forschungszentrum

Niedersachsen, Goslar, http://www.efzn.de) . Als mögliche Ausbaukapazitäten werden zurzeit die Errichtung neuer Pumpspeicherkraf werke in Gebirgen und in alten Bergwerken diskutiert. Die Nutzung von unterirdischen Bergwerksanlagen erfordert einen großen überirdischen Wasserspeicher. Dessen Errichtung scheitert oft an vorhandener Wohnbebauung oder anderer gegebener Nutzung. Außerdem sind die vorhandenen Volumina in Bergwerksanlagen klein und über lange

unterirdische Strecken verteilt, so dass leistungsfähige Kraftwerke nur schwierig zu realisieren sind. Die

Speicherung erfordert ferner teilweise lange

Stromtransportwege und einen schmerzhaften Eingriff in den Naturhaushalt. Grundsätzlich ist die Verfügbarkeit von geeigneten Standorten für derartige Pumpspeicherkraftwerke weltweit begrenzt. Daher wird hier ein völlig anderer, auf den ersten Blick vielleicht unrealistisch erscheinender Ansatz für neue Pumpspeicherkraf werke vorgestellt . Die deutsche Patentanmeldung 10 2011 013 329.1 zeigt ein

Pumpspeicherkraf werk mit einem Druckbehälter zum Versenken auf dem Meeresgrund.

Die WO 2011/112561 zeigt ein "Offshore Energy Harvesting, Storage and Power Generation System" mit Energiespeicherund Stromerzeugungseinheiten, die am Meeresboden verankert werden .

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein neuartiges

Pumpspeicherkraftwerk bereit zu stellen, welches durch einen modularen Aufbau nahezu beliebig skalierbar ist und eine enorme Speicherkapazität zur Verfügung stellen kann, ohne die vorhandene Landschaft zu belasten.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert. Die Erfindung nutzt den Grundgedanken, das Meer als oberes Speicherbecken oder Wasserreservoir eines

Pumpspeicherkraftwerkes zu nutzen. Als unteres

Speicherbecken oder Wasserreservoir dienen auf den

Meeresboden abgesenkte Druckbehälter. Das untere

Wasserreservoir (dasjenige mit der niedrigeren potentiellen Energie) ist demnach ein künstlich erschaffener Raum, insbesondere ein Hohlraum, der von dem Druckbehälter gebildet v/ird.

Erfindmgsgemäß v/ird ein Unterwasser-Pumpspexcherkraftwerk zum temporären reversiblen Zwischenspeichern von

elektrischer Energie aus anderen Kraftwerken, insbesondere zeitlich schwankend stromerzeugenden Kraftwerken, z.B.

Windkraftanlagen oder Photovoltaikanlagen, bereit gestellt. Wie jedes Pumpspeicherkraftv/erk benutzt auch dieses

Pumpspeicherkraftwerk ein erstes und zweites

Wasserreservoir, wobei das Wasser in dem zweiten

Wasserreservoir eine höhere potentielle Energie aufweist als in dem ersten Wasserreservoir. Zum temporären

reversiblen Speichern der elektrischen Energie wird Wasser von dem ersten Wasserreservoir in das zweite

Wasserreservoir gepumpt und zum Wiedergewinnen der

elektrischen Energie lässt man das Wasser aus dem zweiten Wasserreservoir in das erste Wasserreservoir zurückfließen, wobei ein Generator die beim „Hochpumpen" deponierte potentielle Energie wieder in elektrische Energie

verwandelt . Zum Speichern und Wiedergewinnen der

elektrischen Energie kommt es lediglich auf die Differenz der potentiellen Energie einer Wassermenge zwischen den beiden Wasserreservoiren an. Bei einem herkömmlichen

Pumpspeicherkraftwerk wird diese durch die Höhendifferenz zwischen den beiden Becken definiert .

Bei der vorliegenden Erfindung v/ird nun das erste

Wasserreservoir mit der niedrigeren potentiellen Energie durch ein Druckspeichersystem aus künstlichen, mit Wasser befüllbaren Druckbehältern gebildet, welches in großer Tiefe auf den Meeresgrund versenkt wird. Das Druckspeichersystem ist dabei derart druckfest gebaut, dass es in der erwünschten Meerestiefe formstabil gegen den hydrostatischen Wasserdruck ist, wenn es leergepumpt wird. Das zweite Wasserreservoir mit der höheren potentiellen Energie wird durch das Meer selbst gebildet, welches den Druckbehälter umgibt . Wenn man nun Wasser in das in einer Wassertiefe T versenkte Druckspeichersystem einströmen lässt, wird diejenige potentielle Energie frei, welche der Höhendifferenz zur Meeresoberfläche, also der Wassertiefe T entspricht. Pumpt man anschließend das Wasser wieder aus dem Druckspeichersystem gegen den hydrostatischen Druck PT in der Wassertiefe T in das umgebende Meer, muss man elektrische Energie entsprechend der Wassersäule die auf dem Druckspeichersystem in der Wassertiefe T lastet aufv/enden und kann diese somit speichern;

selbstverständlich vermindert um die sonst auch üblichen Verlustleistungen . Da das Wasser aus dem Druckspeichersystem ohne

nachströmende atmosphärische Luft herausgepumpt wird, und daher ein nur durch den Partialdruck des Wasserdampfes begrenztes Vakuum entsteht, muss streng genommen der atmosphärische Luftdruck noch zum hydrostatischen Druck der Wassersäule hinzuaddiert werden. Quantitativ spielt dies jedoch bei den hier vornehmlich anvisierten großen

Meerestiefen keine Rolle; bei einer Anwendung in einem See mit geringer Tiefe sollte man das zusätzliche Bar des Atmosphärendruck, welches einer zusätzlichen Tiefe von 10 m entspricht, jedoch in die Berechnung einbeziehen. Mit anderen Worten verbleibt im Inneren des

Druckspeichersystems zumindest ein Wasserdampfdruck. Der Wasserdampfdruck im Inneren des Druckspeichersystems ist in der Größenordnung von zirka 100 mbar oder mehr als 100 mbar .

Das Druckspeichersystem des Unterwasser- Pumpspeicherkraftwerks weist zum Speichern des Wassers zumindest zwei mit Wasser befüllbare Druckbehälter auf, welche ein gemeinsames Druckspeichervolumen bilden. Die

Druckbehälter können beispielsweise miteinander koppelbar oder fest verbindbar sein, so dass ein modular aufgebautes Druckspeichersystem gebildet ist. Vorzugsweise v/erden als Druckbehälter leicht zusammensetzbare Module verwendet, wie beispielsweise zylinder- bzw. rohrförmige oder polyeder- bzw. würfelförmige Druckbehälter, die eine gute

Volumenausnutzung gewährleisten, wenn mehrere dieser

Druckbehälter benachbart aufgestellt werden. Die Druckbehälter weisen bevorzugt keine beweglichen Teile auf. Das bedeutet, dass keine mechanischen bzw.

elektrischen Leistungskomponenten in oder an dem

Druckbehälter installiert sind, die zur Stromerzeugung oder Stromvernichtung verwendet werden (Pumpe, Turbine) .

Vorzugsweise sind die Druckbehälter des

Druckspeichersystems über einen Sumpf miteinander

verbunden. Der Sumpf bildet den tiefsten oder zumindest einen der tiefsten Punkte des Druckspeichersystems, so dass sich das Wasser, beispielsweise durch einfache Ausnutzung der Schwerkraft, stets im Sumpf sammelt. Das Druckspeichersystem weist zum Ausströmenlassen des Wassers einen an dem Sumpf angeordneten Wasserauslass mit einer unmittelbar an dem Wasserauslass angeordneten Pumpe auf . Mit der Pumpe wird das Wasser aus dem

Druckspeichersys em unmittelbar in das umgebende Meer gegen den der Wassertiefe entsprechenden hydrostatischen Druck PT gepumpt, wobei die Pumpe elektrische Energie in die der verdrängten Wassersäule entsprechende potentielle Energie umwandelt .

Bei dem Auspumpvorgang des Wassers aus dem

Druckspeichersystem ist zur Vermeidung von

KavitationsVorgängen an der Pumpe ein an der Pumpe

anliegender Rest-Vordruck im Druckspeichersystem

vorteilhaft . So zeigen Berechnungen, dass ohne

nachströmende atmosphärische Luft, oder ein anderes Gas, eine an der Pumpe anliegende Wassersäule von 15 Metern ausreicht, um die Kavitation zu verringern oder sogar zu vermeiden. Demgemäß ist es von Vorteil, diese Größe in die Bauform des Druckspeichersystems bzw. in die Anbringung des Wasserballasts einfließen zu lassen. Ggf. ist es aus diesem Grund auch vorteilhaft, jeden Druckbehälter mit einer Vorpumpe auszurüsten, die für die Pumpe einen Vordruck erzeugt .

Die Bauform des Druckspeichersystems kann also derart ausgeführt sein, dass die Pumpe im Bereich des Sumpfes angeordnet wird und die in dem Unterwasser- Pumpspeicherkraftwerk herrschende Wassersäule zzgl. des Dampfdrucks einen Wassersäulenvordruck von äquivalent zirka 15 Metern Wassersäule an der Pumpe erzeugt. Dieser Vordruck ist besonders vorteilhaft, da hierdurch derzeit handelsübliche großtechnische Pumpen eingesetzt werden können. Darüber hinaus kann beim Anliegen eines

Wassersäulenvordruck an der Pumpe von derzeit mindestens 15 Metern auf eine Belüftung des Druckbehälters verzichtet werden,

Das Unterwasser-Pumpspeicherkraf werk v/eist ferner einen Wassereinlass mit einem unmittelbar an dem Wassereinlass angeordneten Generator auf . Vorzugsweise wird ein

gemeinsamer Generator für die zumindest zwei bzw. alle

Druckbehälter verwendet, so dass der gemeinsame Generator im Stromerzeugungsbetrieb über den Wassereinlass die von dem Druckspeichersystem umfassten zumindest zwei

Druckbehälter füllt, vorzugsweise gleichmäßig. Beim

Einströmenlassen des Wassers unmittelbar aus dem umgebenden Meer mit dem der Wassertiefe entsprechenden hydrostatischen Druck in das Druckspeichersystem wandelt der Generator die potentielle Energie der zuvor verdrängten Wassersäule wieder in entsprechende elektrische Energie um. Das

Druckspeichersystem v/eist ferner Ventile am Einläse und Auslass auf, um diese zu verschließen, wenn nicht gerade Energie gespeichert, beziehungsweise zurück gewonnen wird. Das Auspumpen und Einströmen des Wassers erfolgt demnach lediglich auf kurzem Weg in das bis auf den Wassereinlass und Wasserauslass geschlossene Druckspeichersystem.

Wenn man demnach das Druckspe chersystem in einer Tiefe von z.B. 2000 m unter der Meeresoberfläche versenkt, entspricht dies einem Pumpspeicherkraf werk, bei welchem das zweite Wasserreservoir 2000 m oberhalb des ersten Wasserreservoirs liegt, was für übliche Pumpspeicherkraftwerke bereits ein außergewöhnlich großer Höhenunterschied ist. Verblüffenderweise benötigt man trotzdem keine langen Rohre um das zum Speichern der elektrischen Energie verwendete Wasser über eine Strecke von 2000 m (bei ungleich 90° Steigung sogar noch mehr) zu transportieren. Es genügt nämlich, das Wasser vom Inneren des Druckspeichersystems lediglich nach außen in das umgebende Meer zu pumpen, was nur eine Strecke von einigen wenigen Metern bedeutet und entsprechend wieder zurückströmen zu lassen. Bereits auf dieser kurzen Pumpstrecke wird die nur durch die

Druckunterschiede aufgebaute Potentialdifferenz überwunden. Die von der Gravitation verursachte Potentialdifferenz wird nämlich ohne Überwindung dieser Wegstrecke allein durch die in der Wassertiefe T auf dem Druckbehälter lastende

Wassersäule aufgebracht. Es werden daher weder Rohre zum Transport von Wasser noch Luftleitungen zwischen dem

Druckbehälter und der Meeresoberfläche benötigt. Man nutzt einfach die Potentialdifferenz der Meerestiefe in Relation zum Innendruck des Druckspeichersystems, wobei nicht ausgeschlossen sein soll, dass das Pumpspeicherkraftwerk in einem tiefen Binnensee versenkt wird. Man benötigt daher lediglich elektrische Leitungen zum Transport der

elektrischen Energie von der Meersoberfläche zu dem

Druckspeichersystem und zurück. Mit der Erfindung wird darüber hinaus eines der zwei

Speicherbecken oder definierten Wasserreservoire völlig „eingespart", da das umgebende Meer selbst das zweite

Wasserreservoir (mit der höheren potentiellen Energie) bildet. Das erste Wasserreservoir wird von dem Innenraum des Druckspeichersystems in Form von insbesondere modular koppelbaren Druckbehältern oder Drucktanks gebildet. Somit bilden die Drucktanks ein abgeschlossenes Wasser- Speichervolumen, nämlich dasjenige Wasser-Speichervolumen oder Wasserreservoir mit der niedrigeren potentiellen Energie gegenüber dem umgebenden Meer. Dadurch v/erden lange Wasserrohre, die bei herkömmlichen Pumpspeicherkraf werken die Höhendifferenz überbrücken müssen, eingespart. Dies vereinfacht nicht nur den Aufbau, sondern es werden auch Reibungsverluste beim Transport des Wassers reduziert, wodurch der Wirkungsgrad erhöht werden kann. Ferner kann das Druckspeichervolumen derart modular gebildet sein, dass derartige Druckbehälter in großer Zahl auf dem Meeresgrund versenkt werden und miteinander gekoppelt werden, um ein hinreichend großes Wasser-Speichervolumen und damit die erwünschte Energie-Speicherkapazität zu erreichen ohne die oberirdisch nutzbare Landschaft zu belegen. Bei einer Vielzahl von Druckbehältern verwenden diese somit die gemeinsame (n) Pumpe (n) und gemeinsame (n) Generator (en) , so dass die Druckbehälter ein gemeinsames Druckspeichervolumen bilden und mehrere Pumpen und/oder Generatoren eingespart werden können.

Es kann auch eine Vielzahl solcher Pumpspeicherkraftwerke auf dem Meeresboden installiert sein. Vorzugsweise umfasst ein solches Netz aus Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerken demnach eine Mehrzahl von auf dem Meeresgrund befindlichen Druckspeichersystemen, welche auf dem Meeresgrund mit einem Netzwerk aus elektrischen Leitungen elektrisch miteinander verbunden sind. Eine Vernetzung mit Wasserrohren zwischen den jeweils mit eigener Pumpe und Generator ausgestatteten Druckspeichersystemen ist nicht notwendig.

Die Installation eines Druckspeichersystems weist

vielfältige Vorzüge auf. Zum Einen lässt sich so ein modular aufbaubares Pumpspeicherkraftwerk bereitstellen, welches eine an den Verwendungszweck und Einsatzort angepasste Größe aufweist und somit geringere Kosten verursacht. Des Weiteren ist die Auswahl und Konstruktion von geeigneten Druckbehältern vereinfacht, da bauseitig

{der Druckbehälter ist ein Bauwerk mit im gefüllten Zustand erheblichem Eigengewicht) und konstruktiv optimale

Druckbehälter verwendet werden können und darüber hinaus das Druckspeichervolumen an die Leistungsfähigkeit

geeigneter Pump- und Turbinenaggregate angepasst werden kann. Mehrere Druckbehälter lassen sich demnach hydraulisch zu einem Druckspeichersystem zusammenschalten und die Befüllung und Entleerung erfolgt nur an einem einzigen Punkt. Natürlich müssen die hydraulischen Verbindungen so beschaffen sein, dass ein unbehindertes Zu- und Abfließen des Wassers ermöglicht wird.

Vorzugsweise weist die Verbindung der Druckbehälter mit dem Sumpf zumindest ein Absperrventil zum Trennen zumindest eines der Druckbehälter vom Druckspeichersystem auf, so dass auch ein einzelner Druckbehälter für Wartungszwecke oder bei Leckagen vom übrigen Druckspeichersystem getrennt werden kann. Die Modularität des Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerks kann dadurch weiter gesteigert werden, dass eine

Pumpturbineneinheit vorgesehen wird, die insbesondere den Wassereinlass, den Wasserauslass, die gemeinsame Pumpe und den Generator sowie die zur Verbindung mit den elektrischen Leitungen nötige Elektroinstallation beherbergt. Die Pumpturbineneinheit ist insbesondere von den übrigen Komponenten, wie beispielsweise dem Druckspeichersystem des Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerks , abkoppelbar. Die abkoppelbare Pumpturbineneinheit kann somit getrennt beispielsweise zu Wartungszwecken zur Wasseroberfläche geholt werden.

Das Druckspeichersystem sollte ein Volumen aufweisen, welches eine signifikante Energiespeicherung ermöglicht, das Druckspeichervolumen sollte daher mindestens 100 oder 1000 Kubikmeter betragen, kann aber um ein Vielfaches, ggf. mehrere Größenordnungen größer sein. Es sind sogar Volumina im Bereich von einer Million Kubikmeter oder mehr denkbar. Je größer die einzelnen Druckbehälter sind, umso geringer ist die benötigte Anzahl .

Beispielsweise können große industriell gefertigte

Zylinderrohre oder auch elementare Kugeltanks als

Druckbehälter verwendet werden. Ein Kugeltank mit 100 Metern Durchmesser hat ein Volumen von etwa 500.000

Kubikmeter. Lässt man 50 Kubikmeter Wasser pro Sekunde durch die Turbinen strömen, dann liefert dieses

Pumpspeicherkraftwerk bei 2000 m Wassertiefe eine Leistung von etwa 1 Gigawatt für eine Zeitdauer von etwa 3 Stunden. Durch die Verbindung von mehreren solcher Zylinderrohre oder elementaren Kugeltanks zu einem Druckspeichersystem kann entweder diese Leistung entsprechend erhöht oder eine noch größere Speicherkapazität erreicht werden. Die

Speicherung von regenerativ erzeugter Energie ist hiermit in großen Mengen und ohne nennenswerte Verluste möglich.

Zweckmäßigerweise bestehen die Druckbehälter aus Stahl und/oder Beton, insbesondere Faserbeton, d.h. weisen eine entsprechende dreidimensional geschlossene Außenwandung z.B. aus Stahl- oder Paserbeton auf. Hiermit lässt sich ein hinreichend druckfester Druckbehälter bzw. Hohlkörper bauen. Eine mögliche Bauform des Druckbehälters weist beispielsweise ein inneres Tragwerk zur Stützung gegen den Wasserdruck auf, wobei das innere Tragwerk nicht den

Abfluss des Wassers in dem Druckbehälter hin zum Sumpf behindern sollte. Vorzugsweise wird der Druckbehälter so massiv gebaut bzw. beschwert, dass er im ausgepumpten Zustand im Normalbetrieb eine Masse hat, die etwas größer ist, als die Masse des von dem Druckbehälter verdrängten Wassers, so dass der

Druckbehälter auch im ausgepumpten Zustand im Normalbetrieb im Meer nach unten sinkt, so dass sich der

Verankerungsauf and auf dem Meeresgrund in Grenzen hält . Ggf. kann der Druckbehälter sogar ohne wesentliche

Verankerung einfach auf dem Meeresgrund liegen, wenn er in jedem Füllzustand im Normalbetrieb schwer genug ist.

Dennoch soll nicht ausgeschlossen sein, dass der

Druckbehälter geringfügig leichter als das verdrängte Wasser ist und der Druckbehälter am Meeresgrund verankert wird. In vorteilhafter Weise weisen die Druckbehälter des

Druckspeichersystems separate Hohlräume auf, z.B. in der Umwandung, wobei Schüttgut als Beschwerungsmaterial in die Hohlräume eingefüllt v/erden kann. Hiermit kann die Masse des Druckspeichersystems im Nachhinein noch angepasst v/erden, um sie so zu beschweren, dass sie auf den

Meeresgrund sinken. Besonders vorteilhaft ist es aber, die Hohlräume mit dem Schüttgut zunächst so auszutarieren, dass das Druckspeichersystem und/oder der Bodenkörper gerade noch schwimmt und dann vor Ort auf dem Meer zusätzliches Ballastwasser einzufüllen. Das Beschwerungsmaterial kann in kostengünstiger Weise natürliches Schüttgut sein, z.B.

Sand, Kies, Schlick oder Ähnliches, dessen Masse vor Ort mit in das Schüttgut eingebrachtem Wasser zusätzlich vergrößert Vierden kann, um die Masse vor Ort noch genauer auszutarieren. Durch das Einbringen von Ballastwasser in das Schüttgut kann die Masse soweit erhöht werden, dass das Pumpspeicherkraftwerk versinkt, es können aber auch separate Hohlräume mit Ballastwasser gefüllt v/erden, damit das Ballastwasser einfacher wieder herausgepumpt werden kann, um das ganze Pumpspeicherkraft oder auch nur einzelne Komponenten des Pumpspeicherkraftwerks wieder aufzuholen. Der Gesamt-Ballast ist jedenfalls so bemessen, dass er das Pumpspeicherkraftwerk im Normalbetrieb auf dem Meeresgrund hält. Die Gewich sverteilung, z.B. die Anordnung des

Ballasts kann asymmetrisch sein, damit der einzelne

Druckbehälter des Druckspeichersystems bzw. das ganze Ünterwasser-Pumpspeicherkraftwerk unter Wasser eine definierte Orientierung mit Unter- und Oberseite aufweist, was ggf. die Anordnung der Anschlüsse erleichtert. Die definierte Orientierung des Druckbehälters, bzw. des

Pumpspeicherkraftwerks kann auch dadurch erreicht werden, dass Hohlräume nicht mit Ballast gefüllt werden, so dass die darin befindliche Luft Auftrieb erzeugt.

Beispielsweise kann der Druckbehälter eine

Wasserverdrängung von mehr als 50.000 m ³ , bevorzugt mehr als 100.000 m ³ und besonders bevorzugt mehr als 500.000 m ³ aufweisen. Bei einer Wasserverdrängung von 500.000 m ³ kann der Druckbehälter ein schwimmfähiges Leergewicht von maximal 500.000 Tonnen aufweisen, so dass eine Unterschreitung des schwimmfähigen Leergewichts einem Auftriebskörper entspricht, sobald aber das maximal schwimmfähige Leergewicht überschritten wird, sinkt der Druckbehälter .

Der Druckbehälter hat vorzugsweise eine zylindrische Form. Bei einer zylindrischen Form kann das Innenvolumen bei gleichbleibendem Durchmesser durch die Länge des Zylinders eingestellt werden, was konstruktiv ggf. einfacher ist, als eine Kugelform mit großem Durchmesser herzustellen. Der Zylinder ist an seinem oberen Ende mit einem oberen

Abschlussstück beispielsweise in Form eines Deckels versehen, so dass das obere Ende gegen in den Druckbehälter eindringendes Meerwasser abgedichtet ist . Das untere Ende (Sumpf) kann ebenfalls mit einem Deckel versehen sein, um ein geschlossenes Volumen zu bilden.

Besonders bevorzugt umfasst der Druckbehälter eine

Anschlusskupplung. Mittels der Anschlusskupplung können zwei damit ausgerüstete Druckbehälter miteinander lösbar gekoppelt werden, so dass das Druckspeichervolumen modular aufbaubar ist. Die Anschlusskupplung ist vorzugsweise selbstdichtend ausgerüstet und kann bei einem zylindrischen Druckbehälter beispielsweise in dem Deckel angeordnet sein, so dass mehrere Druckbehälter aufrecht stehend übereinander auf dem Meeresboden angekuppelt werden können.

Der Druckbehälter kann auch aus einer Mehrzahl von

aneinandergereihten und miteinander verbundenen

rohrförmigen Segmenten bestehen. In einem einfachen Fall sind die Segmente miteinander verschweißte, verklebte oder vergossene Rohrstücke, deren Wandstärke so gewählt wird, dass der Wasserdruck am Meeresgrund den Druckbehälter nicht verformt. So können beispielsweise Rohrsegmente von je 10 Metern Länge einzeln zum Installationsort transportiert werden und dort auf See miteinander zu Rohren von

beispielsweise 100 Metern Länge verbunden werden, welche mit Deckeln versehen und aufrecht auf dem Meeresgrund verankert werden. Die Rohrsegmente können auch jeweils eigene Deckel aufweisen und miteinander über

selbstdichtende Anschlusskupplungen angekuppelt werden, so dass ebenfalls ein gemeinsames Druckspeichervolumen gebildet wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein integrierter Druckspeicherkomplex aus eng benachbarten, aufrecht stehenden Rohren, insbesondere Stahlrohre, Rohre aus Faserbeton oder anderen Verbundwerkstoffen, gebildet. Die zwischen den Rohren gebildeten Hohlräume können zur Stabilisierung des Druckspeicherkomplexes und zur

Beschwerung des Druckspeichersystems mit einer Füllmasse verfüllt v/erden. Die Füllmasse kann dabei Beton, Schüttgut oder eine Kunststoffmasse oder eine Kombination der genannten sein.

Der Druckbehälter oder der integrierte Druckspeicherkomplex weist in einer Ausführungsform ein oberes Abschlussstück zum Verschließen des Druckbehälters bzw. der mehreren Druckbehälter des integrierten Druckspeicherkomplexes und zum Abdichten gegen eindringendes Meerwasser in den

Druckbehälter auf .

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Druckbehälter des Druckspeichersystems an einen Bodenkörper angekoppelt bzw. mit diesem verbunden werden, wobei der Bodenkörper die Druckbehälter sowie die v/eiteren Komponenten des

Pumpspeicherkraftwerks, also insbesondere die Pumpe und den Generator, in modularer Weise aufnehmen kann. Hierbei ist die Verbindung der Druckbehälter mit der gemeinsamen Pumpe durch einen integralen Kanal im Inneren des Bodenkörpers gebildet, so dass die Druckbehälter über den Bodenkörper miteinander verbunden sind, so dass nach der Montage der Druckbehälter an dem Bodenkörper ein gemeinsamer

Druckbehälterraum aus den verbundenen Druckbehältern über den Bodenkörper entsteht. Bevorzugt sind hierbei die Pumpe und der gemeinsame Generator in einer Pumpturbineneinheit angeordnet, und besonders bevorzugt ist die

Pumpturbineneinheit auch modular von dem Bodenkörper abkoppelbar. Der hochmodulare Aufbau des Unterwasser- Pumpspeicherkraftwerks mit einem Bodenkörper, einer abkoppelbaren Pumpturbineneinheit sowie abkoppelbaren Druckbehältern ermöglicht eine einfache Anpassung der Komponenten an die an die Stroms eicherung gestellten Anforderungen sowie eine Reduzierung der Kosten bei

Installation und Wartung des Kraftwerks . Beispielsweise ist davon auszugehen, dass die Komponenten der

Pumpturbineneinheit eine kürzere Haltbarkeit aufweisen als die Druckbehälter oder der Bodenkörper.

Der Bodenkörper ist ferner bevorzugt derart ausgeführt, dass die für die Pumpe vorteilhafte Wassersäule zur

Erzeugung des Pumpvordrucks im Bodenkörper selbst

bereitgestellt wird. Hierfür kann besonders der integrale Kanal im Inneren des Bodenkörpers entsprechend geformt bzw. eine genügend große Länge aufv/eisen, dass die Wassersäule bereits in dem integralen Kanal erreicht wird. Dadurch kann das Volumen im Druckbehälter vollständig oder überwiegend ausgenutzt, also insbesondere entleert v/erden.

Der Bodenkörper weist vorzugsweise Füße zur stabilen und sicheren Auflage des Bodenkörpers auf dem Meeresgrund auf. Je nach gewählter Bauform des Bodenkörpers und der

Zusammensetzung des Meeresbodens können 2, 3 oder mehr Füße vorteilhaft sein. Werden die Druckbehälter und/oder der Bodenkörper mit den selbstdichtenden Anschlusskupplungen ausgerüstet, so ist es möglich, die Druckbehälter lösbar mit dem Bodenkörper und/oder unmittelbar mit weiteren Druckbehältern zu verbinden. Auch die Pum turbineneinheit kann mit einer Anschlusskupplung ausgerüstet sein, so dass sie vom

Bodenkörper abgekoppelt und zu Wartungszwecken getrennt an die Oberfläche geholt werden kann. Dies vereinfacht den modularen Aufbau und eine ggf . vorgesehene Erweiterung oder Verkleinerung des Druckspeichervolumens .

Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des Unterwasser- Pumpspeicherkraftwerks kann der Bodenkörper oder die

Pumpturbineneinheit redundante Pumpen und Ventile und/oder eine Reinigungseinrichtung zur automatischen Reinigung der Wassereinlässe und Wasserauslässe umfassen.

Auch der Bodenkörper kann separate Hohlräume aufweisen, z.B. in der Umwandung, wobei Schüttgut als

Beschwerungsmaterial in die Hohlräume eingefüllt werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Druckbehälter einen im Normalbetrieb nicht zum

Energiespeichern verwendeten zusätzlichen

Wasserspeicherbereich auf, welcher leergepumpt werden kann, um die Masse des Speicherreservoirs derart zu verkleinern, dass es vom Meeresgrund an die Meeresoberfläche aufgeholt werden kann. Dieser zusätzliche Wasserspeicherbereich kann entweder dadurch geschaffen werden, dass die Hauptkavität im Normalbetrieb nicht vollständig leergepumpt wird, es können aber auch ein oder mehrere separate Hohlräume, ggf. in der Behälterwandung, hierfür vorhanden sein. Somit kann durch das Leerpumpen des zusätzlichen

Wasserspeicherbereichs die Masse des Druckbehälter und/oder des Bodenkörpers soweit reduziert werden, dass der

Druckbehälter von selbst auftaucht oder zumindest mit einem Seil aufgeholt werden kann. Der Druckbehälter, der das Wasser"Speichervolumen mit der niedrigeren potentiellen Energie bildet, ist demnach auf den Meeresgrund absenkbar und wieder zur Wasseroberfläche aufholbar. In vorteilhafter Weise können somit regelmäßig Wartungs- oder

Reparaturarbeiten an der Oberfläche durchgeführt werden.

Zweckmäßig hat der Druckbehälter die Form eines Zylinders oder eines Polyeders. Der Druckbehälter kann jedoch auch in Form einer Kugel oder eines Torus aus einem in sich selbst geschlossenen Ring aus druckfesten Rohren, ggf. mit gewölbten Endflächen ausgebildet sein. Ein Torus hat den Vorteil, dass er auf dem Meeresgrund nicht wegrollen kann. Der integrierte Druckspeicherkomplex hat ebenfalls

zweckmäßigerweise die Form eines Zylinders oder eines

Polyeders . Bautechnisch, insbesondere zur Erlangung eines tiefen Schwerpunkts des Druckspeichersystems, oder zur Aussteifung von Verankerungspunkten, kann auch eine andere Form wie ein aufrecht stehendes Trapez für den integrierten Druckspeicherkomplex zweckmäßig sein. Besonders bevorzugt ist die Bauform so gewählt, dass ein Faserbeton und/oder ein Schleudergussverfahren zur Herstellung der

Druckbehälter und/oder des integrierten

Druckspeicherkomplexes angewendet v/erden kann.

Der Wassereinlass und Wasserauslass können getrennt oder kombiniert ausgebildet sein. In letzterem Fall sind Pumpe und Generator vorzugsweise als eine gemeinsame Pumpturbine ausgebildet. In diesem Fall genügt ggf. ein gemeinsames Ventil am kombinierten Wassereinlass und Wasserauslass, wodurch die Anzahl der Ventile reduziert wird, wobei nichtsdestotrotz eine Mehrzahl an Pumpturbinen vorhanden sein kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerk kann somit ein Stromversorgungsnetz geschaffen v/erden, welches Folgendes umfasst:

Eine Vielzahl von Primärenergiekraftwerken, die zeitlich schwankend elektrische Energie erzeugen,

insbesondere Windkraft- und/oder Photovoltaikanlagen,

ein oder mehrere erfindungsgemäße Unterwasser- Pumpspeicherkraftwerke,

eine Vielzahl von Verbrauchsstellen für elektrische Energie und

ein elektrisches Leitungsnetz, welches die

Verbrauchsstellen, die Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerke und die Primärenergiekraftwerke miteinander verbindet, so dass die von den Primärenergiekraftwerken erzeugte

elektrische Energie zu Zeiten eines Energieüberschusses aus den Kraftwerken von den Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerken reversibel zwischengespeichert und zu Zeiten hohen Bedarfs an elektrischer Energie zurückgewonnen und die

zurückgewonnene elektrische Energie zu den

Verbrauchsstellen geleitet werden kann.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von

Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.

Kurzbeschreibung der Figuren

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines

erfindungsgemäßen Unterwasser- Pumpspeicherkraf werks mit Windkraftanlage

Verbraucher,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer

Ausführungsform des Unterwasser-

Pumpspeicherkraftwerks mit mehreren

Druckbehältern,

Fig. 3 eine Seitenansicht der mit Fig. 2 gezeigten

Ausführungsform des Unterwasser- Pumpspeicherkraftwerks

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer

Ausführungsform des integralen

Druckspeicherkomplexes,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren

Ausführungsform des integralen

Druckspeicherkomplexes Fig. 6 die Seitenansicht eines integralen

Druckspeicherkomplexes mit

Druckbehälterverbindung,

Fig. 7 eine Ausführungsform des Pumpspeicherkraftwerks mit mehreren integralen Druckspeicherkomplexen,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer v/eiteren

Ausführungsform des Unterwasser- Pumpspeicherkraftwerks mit einem Bodenkörper und einer Pumpturbineneinheit ,

Fig. 9 eine schematische Darstellung des Unterwasser- Pumpspeicherkraftwerks aus Fig. 8 mit

angekoppelten Druckbehältern,

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer

Ausführungsform des integralen

Druckspeicherkomplexes,

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer weiteren

Ausführungsform des integralen

Druckspeicherkomplexes,

Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Rohbaus eines

Bodenkörpers,

Fig. 13 der in Fig. 12 gezeigte Bodenkörper mit Füllmasse und vorbereiteten Hohlräumen,

Fig. 14 der in Fig. 13 gezeigte Bodenkörper mit

zusätzlichen Druckbehältern,

Fig. 15 eine schematische Darstellung einer v/eiteren

Ausführungsform des Unterwasser- Pumpspeicherkraftwerks mit zwei

Pumpturbineneinheiten,

Fig. 16 eine schematische Darstellung noch einer weiteren

Ausführungsform des Unterwasser-

Pumpspeicherkraftwerks mit runden Druckbehältern. Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Bezug nehmend auf Fig. 1 wird zunächst als Überblick schematisch der grundsätzliche Aufbau der elektrischen Vernetzung des Pumpspeicherkraftwerks 6 gezeigt.

Elektrische Energie wird symbolisch mittels eines

bestimmten elektrischen Kraftwerks, in diesem Beispiel eines Windkraftwerks 2 erzeugt. Das Windkraftwerk 2 ist mit einer Stromleitung 4 mit dem Pumpspeicherkraftwerk 6 verbunden, um die elektrische Energie aus dem

Primärkraftwerk zu dem Pumpspeicherkraf 6 zu leiten. Das Pumpspeicherkraftwerk 6 liegt in einer Wassertiefe T, v?elche je nach den vorhandenen geographischen Gegebenheiten einige hundert bis einige tausend Meter betragen kann, auf dem Meeresgrund 8. Das Pumpspeicherkraftwerk 6 ist ferner mit einer Stromleitung 12 mit einem Verbraucher 14

verbunden, um die elektrische Energie aus dem

Pumpspeicherkraftwerk 6 zu dem Verbraucher zu leiten.

Es ist ersichtlich, dass das dargestellte Windkraftwerk 2 stellvertretend für eine Vielzahl von Windkraftwerken stehen kann und auch andere regenerative fluktuierende Kraftwerke wie Photovoltaik-Änlagen etc. zum Einsatz kommen können. Ferner steht der Verbraucher 14 stellvertretend für eine Vielzahl von Verbrauchern, die an den vorhandenen Teil des allgemeinen Stromversorgungsnetzes angeschlossen sind, in welches die zurückgewonnene elektrische Energie aus dem Pumpspeicherkraftwerk 6 eingespeist wird, wenn der Bedarf die von den Primärkraftwerken bereit gestellte Leistung übersteigt. Die eingezeichneten Stromleitungen 4 und 12 stehen stellvertretend für die Anbindung an das allgemeine Stromversorgungsnetz mit seiner Einbindung von Stromquellen und Stromsenken. Das Pumpspeicherkraftwerk 6 ist im gezeigten Beispiel über ein Tau 52 mit einer Schwimmboje 54 verbunden, so dass das Pumpspeicherkraftwerk 6 bereits auf der Wasseroberfläche einfach aufgespürt und ggf. mit dem Tau 52 an die

Oberfläche geholt v/erden kann.

Bezug nehmend auf Fig. 2 sind in einer Aufsicht mehrere Druckbehälter 20 über Druckbehälterverbindungen 22, welche in der gezeigten Ausführungsform sowohl Zu- als auch

Abfluss des jeweiligen Druckbehälters 20 bilden, mit dem mittig angeordneten Sumpf 24 verbunden und bilden gemeinsam das Druckspeichersystem 30. Die Druckbehälterverbindungen 22 können mit jeweils einem Absperrventil 26 geschlossen werden, so dass einzelne Druckbehälter 20, beispielsweise für Wartungszwecke, abgetrennt und an die Oberfläche geholt werden können. Der Sumpf 24 ist direkt an der

Pumpturbineneinheit 60 angeordnet. Im Speicherbetrieb wird mittels einer in der Pumpturbineneinheit 60 angeordneten Pumpe 16 (nicht dargestellt) Wasser aus den inneren

Kavitäten 18 der Druckbehälter 20 in das umgebende Meer 1 gepumpt. Die Pumpe 16 saugt das Wasser aus dem Pumpensumpf 24 an und pumpt das Wasser durch einen Wasserauslass 35 (nicht dargestellt) direkt in das umgebende Meer 1. Die inneren Kavitäten 18 der künstlichen Druckbehälter 20, im gezeigten Beispiel sechs innere Kavitäten 18 von sechs Druckbehältern 20, bilden demnach gemeinsam eines der beiden Wasserreservoire des Pumpspeicherkraftwerks (und zwar dasjenige mit der niedrigeren potentiellen Energie) . Dadurch, dass die Pumpe 16 das Wasser gegen den in der

Wassertiefe T herrschenden hydrostatischen Druck PT pumpen muss, wird eine große Menge an elektrischer Energie verbraucht und in potentielle Energie umgewandelt, wie durch die folgenden Beispiele verdeutlicht wird. Der

Druckbehälter 20 speichert eine Energiemenge E in

Kilowattstunden als Funktion des Volumens V des

speicherbaren Wassers in Kubikmetern und der Wassertiefe T in Metern und bei einer Dichte des Wassers von 1000 kg/m3 :

E (kWh) = V (tn3) x T (m) x 9,81/3600

In einem Beispiel mit einem Volumen V = 10.000 m ³ , einer Wassertiefe T = 2000 m und einem Druckbehälter 20 in

Kugelform und einem Kavitätsdurchmesser von 28 m kann elektrische Energie E von etwa E = 58.000 kWh = 58 Wh gespeichert werden. Das bedeutet, dass eine Leistung von etwa 10 Megawatt über einen Zeitraum von 6 Stunden

abgegeben werden kann. Bei einem täglichen Zyklus des Wiederaufladens des Pumpspeichers durch Wind- oder

Photovoltaikstrom, d.h. tägliches Befüllen und Auspumpen des Speichervolumens V ergibt sich pro Jahr eine

gespeicherte Energiemenge von etwa 20.000 MWh.

Es erscheint allerdings möglich, sogar noch größere

Druckbehälter 20 zu bauen. Bei einem kugelförmigen

Druckbehälter 20 mit einem Durchmesser von 280 m ergibt sich etwa ein Volumen V = 10.000.000 xcß . Bei einer wiederum angenommenen Versenktiefe T = 2.000 m kann etwa eine

Energiemenge E = 58.000 MWh gespeichert werden. Dies entspricht einer Leitung von etwa. 5 Gigawatt über eine Zeitdauer von etwa 12 Stunden. D.h. mit einer solchen Druck-Speicherkugel 20 könnte die Energiemenge, die etwa 1000 Windkraftanlagen 2 einer Leistung von jeweils

6 Megawatt über einen Zeitraum von fast 10 Stunden erzeugen, gespeichert werden. Bei einem täglichen Zyklus des Wiederaufladens des Speichers durch Windenergie, d.h. tägliches Befüllen und Auspumpen des Speichervolumens ergibt sich pro Jahr eine gespeicherte Energiemenge von etwa 20.000 GWh.

Fig. 3 zeigt die Ausführungsform der Fig. 2 in einer

Seitenansicht, v/obei die zylindrische Form der

Druckbehälter 20 sowie die zentrale Anordnung des

Pumpturbinenelements 60 weiter verdeutlicht wird. Die

Druckbehälter 20 sind in der gezeigten Ausführung mittels Druckbehälterverbindungen 22 an das zentrale

Pumpturbinenelement 60 angeschlossen. Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform des

Druckspeichersystems mit einem integrierten

Druckspeicherkomplex 20a. Eine Vielzahl innerer

Druckbehälterelemente 19 bilden ein gemeinsames

Druckspeichervolumen 20a und sind an einem Ende des integrierten Druckspeicherkomplexes 20a miteinander verbunden. Bei einer stehenden Aufstellung ist dieses Ende die Unterseite des integrierten Druckspeicherkomplexes, welche somit bereits den Sumpf 24 des

Druckspeicherkomplexes bildet, an welchem das Wasser der Druckbehälterelemente 19 zusammenfließen kann. Die

Druckbehälterelemente 19 werden aus Rohren gebildet, beispielsweise Stahlrohre oder Faserbetonrohre, die stehend nebeneinander angeordnet sind. Die Umwandung 28 wird dann so um die Rohre vergossen, dass die Hohlräume und der nach außen zum Meerwasser 1 gerichtete Bereich verfüllt sind.

Die Materialstärke der Rohre wird entweder derart gewählt, dass diese ausreicht, den Druck der außen anliegenden Wassersäule auszuhalten, so dass die Umwandung 28 zu

Zwecken der Statik die Rohre gegen Umfallen sichert und zusätzlich das Bauwerk zur Versenkung auf den Meeresgrund 8 beschwert. Andernfalls kann die Materialstärke der

Druckbehälterelemente 19 auch dünner gewählt sein, so dass die Umwandung 28 des integrierten Druckspeicherkomplexes 20a zugleich auch den Druck der außen anliegenden

Wassersäule aushält . Fig. 5 zeigt eine zur Fig. 4 ähnliche Ausführungsform des Druckbehälters 20 als integrierten Druckspeicherkomplex 20a, wobei das von der Umwandung 28 umschlossene Volumen durch die Auswahl verschiedener geeigneter Rohrdurchmesser der einzelnen inneren Druckbehälterelemente 19 optimal ausgenutzt ist. Ggf. sind die im Außenbereich des

integrierten Druckspeicherkomplexes 20a gezeigten kleineren Hohlräume auch dazu geeignet, mit einem Ballast beschwert bzw. gefüllt zu werden. Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht eines integrierten

Druckspeicherkomplexes 20a mit einer Vielzahl von

Druckbehälterelementen 19 und einer die

Druckbehälte elemente 19 umschließenden Umwandung 28. Der integrierte Druckspeicherkomplex 20a weist an der

Unterseite einen Sumpf 24 des Druckspeicherkomplexes auf und ist über eine Druckbehälterverbindung 22 mit einer zentralen Pumpturbineneinheit 60 (siehe Fig. 7) hydraulisch verbunden. Die Druckbehälterverbindung 22 ist somit auch Wassereinlass und Wasserauslass des integrierten

Druckspeicherkomplexes 20a und kann auch mit v/eiteren

Druckbehältern 20 (nicht gezeigt) verbunden sein. In dieser Ausführungsform weist der integrierte Druckspeicherkomplex 20a keine mechanisch bewegten Teile oder Komponenten der Leistungselektronik zur Stromerzeugung oder

Stromvernichtung auf . Fig. 7 zeigt eine schematische Aufsicht eines Unterwasser- Pumpspeicherkraftwerks 6 mit einer zentralen

Pumpturbineneinheit 60 und damit über

Druckbehälterverbindungen 22 verbundene integrale

Druckspeicherkomplexe 20a mit jeweils einer Vielzahl an Druckbehälterelementen 19. Die integralen

Druckspeicherkomplexe 20a weisen in dieser Ausführungsform keine beweglichen Teile auf, da sowohl die Pumpe 16 als auch die Turbine 36 und Absperrventile 26 an oder in der Pumpturbineneinheit 60 integriert sind. Die Absperrventile 26 können im Fehlerfalle oder bei Wartungsbedarf die integralen Druckspeicherkomplexe 20a von der zentralen Pumpturbineneinheit 60 trennen. Die Pumpturbineneinheit 60 bildet an der Pumpe 16 auch den hydrostatisch niedrigsten Punkt, den Sumpf 24, zu dem der Schwerkraft folgend das Wasser selbständig fließt.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des modularen Pumpspeicherkraftwerks 6, wobei ein Bodenkörper 40 die Basis zur Aufnahme von weiteren Komponenten des

Pumpspeicherkraftwerks 6 und zu dessen Befestigung oder Verankerung am Meeresgrund 8 bildet. Der Bodenkörper 40 weist in seinem Inneren Seitenkanäle 43 zur Verbindung der Druckspeicher 20 (siehe Figur 9) mit einem Hauptkanal 42 auf, welcher wiederum in der gezeigten Ausführungsform sowohl mit der Turbine 16 als auch mit der Pumpe 36 verbunden ist . Somit bildet der Hauptkanal 42 sowohl den Zulauf von der Turbine 16 zu den Druckspeichern 20 als auch den Ablauf von den Druckspeichern 20 zu der Pumpe 16, so dass nur ein Kanal und damit ggf. auch nur eine Öffnung in der Um andung jedes einzelnen Druckbehälters benötigt ist. Vorteilhaft ist in jedem Seitenkanal 43 ein Absperrventil 26 eingebaut, so dass die jeweils an den

Anschlusskupplungen 23 der Seitenkanäle 43 montierten Druckbehälter 20 abgesperrt und beispielsweise für

Wartungs zwecke vom Bodenkörper 40 getrennt v/erden können. Auch ermöglichen die Absperrventile 26 in den Seitenkanälen 43 des Bodenkörpers 40, ein universelles Bodenstück zu verwenden, bei welchem, falls nur ein geringeres

Druckspeichervolumen benötigt wird, einzelne

Anschlusskupplungen 23 ungenutzt bleiben, so dass die Bodenkörper in Großserie hergestellt und dennoch an den jeweiligen Einsatzbereich angepasst werden können.

Der Bodenkörper 40 weist an seiner Unterseite Füße 46 auf, die zur Fixierung des Bodenkörpers 40 auf dem Meeresboden 8 aufstehen oder in dem Meeresboden 8 versenkt sind, wenn der Bodenkörper 40 auf dem Meeresboden 8 aufliegt.

Fig. 9 zeigt eine Aus ührungsform des

Pumpspeicherkraftwerks 6 mit Bodenkörper 40,

Pumpturbineneinheit 60 und einer Vielzahl von an

Anschlusskupplungen 23 des Bodenkörpers 40 montierten Druckbehältern 20, welche ein gemeinsames, modulares

Druckspeichervolumen bilden und von der gemeinsamen

Pumpturbineneinheit 60 für Befüllung und Entnahme versorgt werden. Je nach Anforderungen und beispielsweise dem

Wirkungsgrad von auszuwählenden Komponenten der Pumpe 16 und Turbine 36 können auch mehrere Pumpturbineneinheiten 60 auf einem Bodenkörper 40 montiert werden, um die Effizienz und die Leistungsabgabe zu erhöhen.

Zum Wiedergewinnen der in den leergepumpten Druckbehältern 20 des Pumpspeicherkraftwerks 6 gespeicherten Energie sind ein Zu-/Ablaufventil 32 sowie die Absperrventile 26 der Seitenkanäle 43 geöffnet und das Wasser strömt durch einen Wassereinlass 34 aus dem umgebenden Meer mit dem der

Wassertiefe T entsprechenden hydrostatischen Druck PT durch die Turbine 36 in die inneren Kavitäten 18 der

Druckbehälter 20 und somit in das gemeinsame

Pumpspeichervolumen, wobei die beim Auspumpen gespeicherte Energie abzüglich der üblichen Leistungsverluste wieder gewonnen werden kann. Die wieder gewonnene elektrische Energie wird durch die Stromleitung 12 in das allgemeine Stromversorgungsnetz eingespeist. Um die Leistung zu erhöhen, können mehrere Wassereinlässe 34 mit Ventilen 32 und Turbinen 36 vorhanden sein. Um Schwingungen der

Druckbehälter aufgrund des großen Wasserflusses zu

vermeiden, können die inneren Kavitäten 18 mit Streben bzw. einem Tragwerk durchsetzt sein (nicht dargestellt) . Die Querstreben können dabei eine Doppelfunktion erfüllen, nämlich einerseits den Druckbehälter 20 zu stabilisieren und andererseits Turbulenzen in dem durch den Generator 36 in die innere Kavität 18 einströmenden Wasser zu erzeugen, um Resonanzschwingungen im Druckbehälter 20 zu verhindern.

Der Druckbehälter 20 besteht aus einer rohrförmigen

Betonwandung 28 mit einer Anschlusskupplung 23 an der

Unterseite und ggf. einer weiteren Anschlusskupplung 23 an der Oberseite, so dass die Druckbehälter 20 mit dem

Bodenkörper 40 und weitere Druckbehälter 21 an den Druckbehältern 20 gekoppelt werden können. Die Wandstärke der Druckbehälter 20 und des Bodenkörpers 40 wird in

Abhängigkeit der Wassertiefe T gewählt, in welche das Pumpspeicherkraftwerk 6 versenkt wird und in Abhängigkeit der notwendigen Masse, damit es noch versenkt werden kann. Die Turbinen 36 und die Pumpen 16 sind unmittelbar an dem Bodenkörper 40 angeordnet, z.B. unmittelbar an dem

Hauptkanal 42 oder auf einem Ausleger 44 des Bodenkörpers 40. In der gezeigten Ausführungs orm sind Pumpe 16, Turbine 36 sowie Wasserein- und Auslassöffnung 34, 26 in einer

Pumpturbineneinheit 60 integriert angeordnet. Zum Speichern und WiedergevJinnen der elektrischen Energie wird das Wasser lediglich über eine kurze Distanz, nämlich lediglich durch die Ein- bzw. Auslassöffnung 34, 26 geleitet. Das

Pumpspeicherkraftwerk 6 benötigt demnach lediglich

elektrische Leitungen 4, 12 von der Meeresoberfläche auf den Meeresgrund 8, nicht jedoch Rohre oder Leitungen zum Transport von Wasser. Ggf. kann sogar eine elektrische Leitung als Stromzuleitung und -ableitung genügen. Weiter vorteilhaft ist, dass die Druckdifferenz aufgrund der großen Wassertiefe nicht stark vom Füllstand innerhalb des Druckbehälters 20 abhängig ist, so dass die bereit stehende Leistung unabhängig vom Füllstand im Wesentlichen konstant ist .

Der Bodenkörper 40 weist in seiner Wandung 28 Hohlräume 38 auf, welche mit Schüttgut, z.B. Sand gefüllt sind, um die Masse des Pumpspeicherkraftwerks 6 auszutarieren. Das Pumpspeicherkraftwerk 6, bzw. dessen Komponenten

Bodenkörper 40 und Druckbehälter 20, wird vorzugsweise zunächst so austariert, dass es gerade noch schwimmt, wenn es vollständig leergepumpt ist, so kann es mit einem Schiff an die Stelle transportiert werden, an der es versenkt werden soll. Anschließend wird an der Versenkstelle des Bodenkörpers 40 und/oder der Druckbehälter 20 mit

Ballastwasser soweit beschwert, dass das

Pumpspeicherkra twerk 6 versinkt. Es kann beispielsweise zunächst der Bodenkörper 40 versenkt werden und die

Druckbehälter 20 werden am Meeresboden 8 an den Bodenkörper 40 montiert oder die Druckbehälter 20 werden bereits an der Wasseroberfläche an den Anschlusskupplungen 23 des

Bodenkörpers 40 angebracht und anschließend das gesamte Pumpspeicherkraftwerk 6 versenkt. Die als Ballastwasser verwendete Wassermenge dient lediglich der Beschwerung und wird im Normalbetrieb, d.h. beim Speichern und

Wiedergewinnen der elektrischen Energie, nicht

herausgepumpt, damit das Pumpspeicherkraftwerk 6 im

Normalbetrieb immer eine größere Masse als das verdrängte Wasser besitzt und somit auf dem Meeresgrund 8 liegen bleibt. Das Ballastwasser kann aber auch in die separaten Hohlräume 38 gefüllt werden. Z.B. für Wartungsarbeiten kann das zusätzliche, im Normalbetrieb nicht zum

Energiespeichern vorgesehene Ballastwasser aber

herausgepumpt werden, so dass das Pumpspeicherkraftwerk 6 wieder auftaucht oder zumindest so leicht wird, dass es z.B. mit dem Seil 52, welches an der Meeresoberfläche mit einer Schwimmboje 54 markiert ist {siehe Figur 1) ,

aufgeholt werden kann.

Wegen des immens großen Gewichtes des Bodenkörpers 40 sowie der Druckbehälter 20 bietet es sich an, diese schwimmend im Wasser zu bauen, z.B. in schwimmendem Zustand

abschnittsweise sukzessive aus Stahlbeton zu gießen. Dabei sollte der unfertige Druckbehälter während der Herstellung soweit aus dem Wasser ragen, dass auch bei einem Sturm ein Volllaufen seines Innenhohlraums 18 nicht möglich ist. Die Dicke der Wandung 28 des Druckbehälters 20 muss einmal den extrem großen hydrostatischen Wasserdruck aushalten und zudem dem Druckbehälter 20 ein so hohes Eigengev/icht geben, dass das Pumpspeicherkraftwerk 6 mit zumindest nahezu leerem Innenhohlraum 18 auf den Meeresboden 8 absinkt. Als Wandmaterial kommt z.B. Stahlbeton in Frage. Die Statik wird so ausgeführt, dass der Druckbehälter 20 ohne

Beschädigung höhere Drücke aushalten kann, als auf dem

Meeresgrund 8 vorhanden sind. In den Bodenkörper 40 werden alle System-relevanten Komponenten wie Ventile 26, 32, Turbinen 36, Pumpen 16, Kanäle 42, 43 und/oder elektrische Leitungen usw. integriert, und die Druckbehälter 20 werden mit Anschlusskupplungen 23 versehen, so dass sie später ihre Funktion auf viele Jahrzehnte erfüllen können. Die Kontroll- und Steuerelektronik ist ebenfalls unmittelbar an dem Bodenkörper 40 angeordnet und wird mit versenkt.

Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht eines integrierten

Druckspeicherkomplexes mit mehreren inneren

Druckbehäl erelemente 19, wie es mit Figuren 4 und 5 vorgestellt wurde. Die Druckbehälterelemente 19 sind über einen Bodenkörper 40 miteinander hydraulisch verbunden und bilden ein gemeinsames Druckspeichervolumen. Zum Abschluss und zum Abdichten des Druckspeicherkomplexes hin zum umgebenden Meerwasser 1 ist ein Deckel 46 an der Oberseite angebracht. Im Deckel oder im Bodenkörper 40 ist eine

Pumpturbineneinheit 60 angeordnet, so dass nicht für jedes der Druckbehälterelemente 19 getrennt eine Pumpe und/oder eine Turbine einzusetzen ist, sondern sich in vorteilhafter Weise die Druckbehälterelemente 19 die gemeinsame

Infrastruktur an Pumpe (n) 16, Turbine (n) 36 und der elektrischen Stromversorgung teilen. Der integrierte

Druckspeicherkomplex mit einer Vielzahl an

Druckbehälterelementen 19 ist somit ein eigenständiges Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerk 6.

Bezug nehmend auf Fig. 11 ist ein Stromversorgungsnetz 48 mit einer Mehrzahl von miteinander vernetzten Verbrauchern 14 und einer Mehrzahl von miteinander vernetzten

Windkraftanlangen 2 sowie Photovoltaikanlagen 3

dargestellt, welche die Primärkraftwerke bilden. Die von den Primärkraftwerken 2, 3 erzeugte elektrische

Primärenergie wird mittels einer Vielzahl von

Pumpspeicherkraftwerken 6 gemäß Fig. 2 bis 4

zwischengespeichert. Die vielen Pumpspeicherkraftwerke 6 sind auf dem Meeresgrund 8 lediglich mittels elektrischer Unterwasser-Leitungen 50 vernetzt und liefern bei Bedarf die zurückgewonnene elektrische Energie über den

vorhandenen Teil des Stromversorgungsnetzes 48 an die Verbraucher 14.

Mit den Figuren 12 bis 14 wird ein bevorzugter

Fertigungsvorgang vorgestellt, bei welchem mit Bezug auf Fig. 12 zunächst eine Rohform des Bodenkörpers 40 in einem Dock oder Hafen hergeteilt wird. Es wird so hergestellt, dass es immer gerade schwimmt und dann zum Versenken irrgendwo im Meer dahin geschleppt wird un mit etwas

Ballast auf den Meeresboden versenkt wird. Das Dock im Hafen ist ggf. als Schalung des Bodenkörpers 40 verwendbar. Mit Bezug auf Fig. 13 sind in dem Bodenkörper 40 bereits Verbindungsrohre zur Turbine und zur Pumpe verlegt, die die Funktion des bisher beschriebenen Hauptkanals 42 sowie der Seitenkanäle 43 integral in dem Bodenkörper 40 übernehmen. Ferner ist ein Bodengewicht bzw. eine Füllmasse 41 in den Bodenkörper 40 eingefüllt, also beispielsweise eine

Betonmasse eingegossen. Die Füllmasse kann in einfacher Weise die Haupt- und Seitenkanäle 42, 43 umhüllen. Mit Bezug auf Fig. 14 kann sich der Bodenkörper 40 noch immer in dem zur Herstellung herangezogenen Hafen oder Dock, oder aber bereits auf hoher See befinden. Es sind Druckbehälte 20 und ein v/eiterer Druckbehälter 21

dargestellt, die auf die Füllmasse 41 aufgesetzt sind. Im einfachsten Fall werden die Druckbehälter 20, 21 im Hafen per Containerkran auf den Bodenkörper 40 aufgesetzt und verankert .

Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform des Unterwasser- Pumpspeicherkraftwerks . Es unterscheidet sich von der mit

Fig. 9 gezeigten Ausführungsform zunächst dadurch, dass ein zweiter Pumpturbinenblock 62 am Bodenkörper 40 angeordnet ist, der beispielsweise im Parallelbetrieb die

Stromproduktion erhöhen kann und/oder die Ausfallsicherheit erhöht. Zur separaten Ansteuerung des Pumpturbinenblocks 60 bzw. des zweiten Pumpturbinenblocks 62 umfasst der

Bodenkörper in dieser Ausführungsform zwei Zu~

/Ablaufventile, die sich vor dem jeweiligen

Pumpturbinenblock 60, 62 befinden. Ferner sind die

Druckbehälter 20 als einfache Röhren ausgeführt, die miteinander verbunden sind und am oberen Ende einen gemeinsamen Deckel 46 aufweisen, der beispielsweise ebenfalls einfach aus Beton gegossen ist.

In der in Fig. 16 gezeigten Ausführungsform sind die

Druckbehälter 20 als kugelförmige Druckbehälter 20

ausgeführt und weisen einfache Druckbehälterverbindungen 22 auf. Beispielsweise sind die Druckbehälter einfach

miteinander verschraubt . Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne die Erfindung zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.

Bezugszeichenliste :

1 Umgebendes Meer

2 Windkraftwerk

3 Photovoltaikanlage

4 Stromleitung

6 Pumpspeicherkraftwerk

8 Meeresgrund

12 Stromleitung

14 Verbraucher

16 Pumpe

18 Innere Kavität

19 Inneres Druckbehälterelement

20 Druckbehälter

20a Integrierter Druckspeicherkomplex

21 Weiterer Druckbehälter

22 Druckbeh lterverbindung

23 Anschlusskupplung

24 Sum f

26 Absperrven il

28 Umwandung

30 Druckspeichersystem

32 Zu-/Ablaufventil

34 Wassereinlass

35 Wasserauslass

36 Turbine

38 Hohlraum

40 Bodenkörper

41 Füllmasse

42 Hauptkanal

43 Seitenkanal

44 Ausleger

46 Deckel

48 Stromversorgungsnetz

50 elektrische ünterwasserleitungen

52 Tau Schwimmboje

Pumpturbineneinheit

Zweite Pumpturbineneinheit