Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserkraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie.

Es ist bei Anlagen zur Erzeugung und Verteilung von elektrischer Energie wie beispielsweise Wasserkraftanlagen, die auf Mittelspannung basieren, notwendig, die elektrische Energie für den weiteren Transport auf Hochspannung oder zumindest eine höhere Mittelspannung umzusetzen. Unter Mittelspannung, MV, wird eine Spannung im Bereich von 1 kV - 60 kV verstanden. Hochspannung, HV, wird im Bereich > 100 kV eingeordnet. Die Umsetzung von Mittelspannung auf Hochspannung reduziert die elektrischen Verluste und wird mittels

Leistungstransformatoren durchgeführt. Um die Verluste an elektrischer Energie bis zu den Leistungstransformatoren klein zu halten, werden die

Leistungstransformatoren möglichst nahe an dem Ort der Energieerzeugung angeordnet, um die Verbindung zwischen der Anlage zur Energieerzeugung beziehungsweise -Verteilung zu den Leistungstransformatoren möglichst kurz zu halten.

Bei einem Kavernen- oder einem Schachtwasserkraftwerk müssen die

Leistungstransformatoren folglich innerhalb des Anlagengebäudes oder des Bauwerks oder weiter entfernt von der Energieerzeugungsanlage angeordnet werden. Die Strecke von den Leistungstransformatoren beispielsweise zu einer Hochspannungsschaltanlage wird mit entsprechend ausgelegten

Hochspannungskabeln oder mit gasisolierten Leitungen (GIL) durchgeführt. Diese verlaufen üblicherweise zumindest teilweise im Innenraum und überbrücken Entfernungen von bis zu mehreren Kilometer.

Insbesondere bei Wasserkraftwerken, bei denen Turbine und Generator untertage angeordnet sind, stellen die für den oder die Leistungstransformatoren zu schaffenden Räume wie Kavernen oder ähnliches bei Planung und Unterhalt, insbesondere aber bei der Schaffung einen bedeutenden Kostenfaktor dar. Dies ist in dem hohen Aufwand für den Bau begründet. Kavernenwasserkraftwerke weisen je nach Anlagenkonfiguration eine gemeinsame entsprechend groß dimensionierte Kaverne für die Maschinen (Turbine, Generator, etc.) und für den/die

Transformatoren oder zwei getrennte Kavernen je für die Maschinen und den/die Leistungstransformatoren auf. Auch der Aufwand für brandschutztechnische Maßnahmen bei der Unterbringung der Leistungstransformatoren innerhalb des Bauwerks ist mit hohem Aufwand und Kosten verbunden. So muss insbesondere eine leistungsfähige Rauchgasabsaugung vorgesehen werden, die bei einem möglichen Brand die Anlagen und Mitarbeiter schützt. Auch müssen unter

Umstanden Räume/Bauwerke aus Brandschutzgründen getrennt vorgesehen werden.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Aufwand und Kosten für den Bau einer

Energieerzeugungs- und -Verteilungsanlage insbesondere bei Wasserkraftwerken zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch den Einsatz einer elektrischen Leitung, die hochtemperatur-supraleitend (HTS) ausgelegt ist, können der Querschnitt der Leitung und die elektrischen Verluste so niedrig gehalten werden, dass mit diesen Leitungen die erzeugte elektrische Energie vor dem Umspannen auch über eine größere Strecke wie beispielsweise mehrere hundert Meter oder, je nach Auslegung, auch über mehrere Kilometer wirtschaftlich übertragen werden kann. Als Folge davon kann der eine oder die mehreren Leistungstransformatoren in einer größeren

Entfernung vom Energieerzeugungs- beziehungsweise -Verteilungsort untergebracht werden, bevorzugt im Freiluftbereich eines aufwändig herzustellenden Bauwerks. Somit kann ein zusätzlich hoher Bauaufwand, der beispielsweise bei einem Kavernen- Kraftwerk durch das Schaffen einer oder mehrerer Transformator- Kavernen entsteht, vermieden werden. Es können außerdem für die Energieableitung kleinere Tunnelquerschnitte verwendet werden und so deren Herstellungskosten verringert werden. Als weiterer sich positiv auf die Herstellungskosten auswirkender Effekt können Brandschutzmaßnahmen deutlich reduziert werden. So kann beispielsweise auf eine aufwändige

Rauchgasabsaugungsanlage verzichtet werden, da die in dieser Hinsicht besonders gefährdeten Leistungstransformatoren außerhalb des Bauwerks angeordnet werden können.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dadurch, dass der elektrische Generator in einer Kaverne und der Leistungstransformator in einem Freiluftbereich angeordnet sind. Der Aufwand zur Schaffung von Kavernen reduziert sich auf die für den elektrischen Generator, die Brandschutzmaßnahmen können geringer ausgeführt werden und die erforderlichen Ableittunnel können kleiner bemessen werden.

Eine ebenfalls vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass das

Wasserkraftwerk ein Pumpspeicherkraftwerk ist.

Für die elektrische Verbindung von der Energieerzeugung beispielsweise durch den Generator und/oder der Energieverteilung beispielsweise durch eine MV- Schaltanlage zu einem oder mehreren entfernten Leistungstransformatoren kann beispielsweise ein HTS-MV-Kabel eingesetzt werden. Dies ersetzt voluminöse und zumeist gekapselte Schienenableitungen. Die hochtemperatur-supraleitende Leitung kann als Kabel beispielsweise als ein- oder mehrphasiges Kabel

ausgestaltet sein, beispielsweise als Einfachsystem oder als parallelgeschaltetes Mehrfachsystem. Auf diese Weise können die Tunnelquerschnitte für die Energieableitung durch den geringeren Raumbedarf eines solchen HTS-MV-Kabels aufgrund des kleineren Kabelquerschnitts und/oder der geringeren Anzahl an parallel zu verlegenden Kabeln kleiner gehalten werden.

Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass eine Kühlvorrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, die hochtemperatur-supraleitende Leitung in dem notwendigen niedrigen Temperaturbereich zu halten. Diese Kühlvorrichtung kann sowohl im Außenbereich des Wasserkraftwerks als auch im Innenbereich angeordnet sein.

Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein Eigenbedarfstransformator vorgesehen ist, der unter anderem die Kühlvorrichtung elektrisch speist. Somit kann die für die Kühlvorrichtung notwendige elektrische Energie direkt aus dem Spannungsnetz des Wasserkraftwerks entnommen werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der elektrische Generator einen Läufer mit einer Läuferwicklung und einen Ständer mit einer Ständerwicklung aufweist. Der Läufer ist zumindest mittelbar von der Turbine angetrieben. Die Läuferwicklung und/oder die Ständerwicklung ist

hochtemperatur-supraleitend ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise des Generators. Hochtemperatur-supraleitend ausgebildete Wicklungen ermöglichen vergleichsweise geringe elektrische Verluste in dem Aufbau, sodass beispielsweise der sonst üblicherweise luftgekühlt ausgebildete Läufer sehr viel kleiner und kompakter aufgebaut werden kann. Es wird insgesamt ein kleinerer Generator ermöglicht.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Kühlvorrichtung zur Kühlung der hochtemperatur-supraleitenden Leitung und der hochtemperatur-supraleitenden Wicklung/en des elektrischen Generators ausgelegt ist. Eine derartige Kopplung beider Kühlkreisläufe erlaubt eine besonders effiziente und kompakte Bauweise des Kühlsystems für die

hochtemperatur-supraleitenden Komponenten und damit des gesamten

Wasserkraftwerks.

Eine ebenfalls besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche die Kühlleistung der

Kühlvorrichtung in Abhängigkeit von einer Lastanforderung des

Eigenbedarfsgenerators steuert. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in einem Zeitraum mit geringer Lastanforderung die Kühlleistung der

Kühlvorrichtung maximal ausgenützt wird und die hochtemperatur-supraleitenden Bauteile tiefer als eigentlich momentan notwendig gekühlt werden. Infolge kann bei einer hohen Lastanforderung des Eigenbedarfsgenerators die Kühlleistung der Kühlvorrichtung deutlich gesenkt werden oder gegebenenfalls auf Null reduziert werden. Dies erlaubt einen Ausgleich von Lastspitzen des Eigenbedarfsgenerators im Kurzzeitbereich, wie etwa im Minutenzeitraum. So kann der

Eigenbedarfsgenerator kleiner dimensioniert werden und trotzdem eine Überlast vermieden werden.

Es wird nun die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein herkömmlich aufgebautes Kavernen-Wasserkraftwerk;

Figur 2 Maschinen- und Transformatoren-Kavernen eines herkömmlichen

Kavernen-Wasserkraftwerks;

Figur 3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Kavernen- Wasserkraftwerks; Figur 4 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Kavernen- Wasserkraftwerks der Figur 3;

Figur 5 eine Maschinen-Kaverne für das erfindungsgemäße Kavernen- Wasserkraftwerk der Figur 3;

Figur 6 ein erfindungsgemäßes Schachtwasserkraftwerk; und

Figur 7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer

erfindungsgemäßen Turbinen-Generatoreinheit am Beispiel einer

Rohrturbine.

Figur 1 zeigt die Gesamtanordnung eines herkömmlichen Kavernen- Wasserkraftwerks 10. Figur 2 zeigt in einer Detailansicht eine Maschinen- und Transformator- Kaverne des herkömmlichen Kavernen-Wasserkraftwerks 10 der Figur 1. Das in einem Oberwassertunnel 12 geführte Oberwasser wird in einer Maschinenkaverne 14 auf Turbinen geleitet, die mit den Generatoren 16 gekuppelt sind, siehe auch Figur 2. Die in den Generatoren erzeugte elektrische Energie wird über nahe den Generatoren angeordnete Leistungstransformatoren 18 von der durch die Generatoren erzeugten Mittelspannung auf eine Hochspannungsebene transformiert. Die Transformatoren sind in einer von der Maschinenkaverne separierten Transformatorkaverne 22 angeordnet.

In Unterwassertunneln 20 wird das Unterwasser abgeführt. Neben einem

Zufahrtstollen 24 wird die hochgespannte elektrische Energie über

Hochspannungskabel in einem Hochspannungskabeltunnel 26 zu einem

Außenbereich 28 geführt. In dem Außenbereich 28 ist eine

Hochspannungsschaltanlage 30 angeordnet. Die Leistungstransformatoren 18 sind in Transformatorkammern 32 in der

Transformatorkaverne 22 angeordnet, in der auch zugehörige HV-Geräte untergebracht sind. Bei den Generatoren 16 sind zugehörige MV-Schaltanlagen 34 vorgesehen. Des Weiteren sind ein oder mehrere Verbindungstunnel 36 zwischen der Maschinen-Kaverne 14 und der Transformator- Kaverne 22 angelegt, über den die MV-Energieableitung stattfindet. Diese wird in herkömmlicher Weise

beispielsweise über Schienenableitungen realisiert. Alternativ ist auch die

Verwendung von Mittelspannungskabeln üblich.

Die Figuren 3 bis 5 zeigen ein erfindungsgemäßes Kavernen-Wasserkraftwerk 100. In Figur 3 ist die Gesamtanordnung ersichtlich. Die einzelnen Elemente sind, soweit sie identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, sodass auf eine detaillierte Beschreibung gleicher Merkmale verzichtet wird.

Im Unterschied zu dem Kavernen-Wasserkraftwerk der Figuren 1 und 2 weist das Kavernen-Wasserkraftwerk 100 gemäß der Erfindung nur eine einzige Maschinen- Kaverne 114 auf. Diese ist in Vergrößerung in Figur 4 dargestellt. Des Weiteren führen von der Maschinen-Kaverne 114 in einem HTS-MV-Kabeltunnel 126 geführte HTS-MV-Kabel in einen Außenbereich 128. In dem Außenbereich 128 sind Leistungstransformatoren 130 einer Hochspannungsschaltanlage 30 angeordnet. Die Maschinen-Kaverne 114 ist im Detail in Figur 5 dargestellt und ist im

Wesentlichen auf den für die Generatoren 116 benötigten Raum, einschließlich der MV-Schaltanlagen 34, beschränkt. Die HTS-MV-Kabel 138 werden durch den HTS- MV-Kabeltunnel 126 zum Außenbereich 128 geführt. Die Verbindung zwischen dem Leistungstransformator 130 und der Hochspannungsschaltanlage 30 kann beispielsweise in Freiluftausführung mit einem einfachen Freileitungsseil anstelle der kostenintensiveren Hochspannungskabel erfolgen. Es können selbstverständlich auch Abwandlungen des vorgestellten Ausführungsbeispiels vorgenommen werden. Anstelle zweier parallel

ausgerichteter Kavernen kann eine Anordnung in Längsrichtung vorgesehen sein.

Insbesondere bei einer größeren Entfernung zwischen der Energieerzeugung durch beispielsweise die Generatoren und/oder der Energieverteilung, wie zum Beispiel der MV-Schaltanlage, zum Leistungstransformator können unter

Umständen viele parallele konventionelle Kabel oder Schienenableitungen durch HTS-MV-Kabel ersetzt werden.

Figur 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Schachtwasserkraftwerk 200. Das

Schachtwasserkraftwerk 200 weist einen Schacht 202 auf, der von der Oberfläche A in die Tiefe getrieben ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel reicht der Schacht cirka 30 Meter in die Tiefe. Oberhalb des Punktes A ist ein

Eingangsgebäude 204 vorgesehen. Dieses weist eine Überwachungssteuerung sowie Telekommunikationseinrichtungen auf. Eine Oberwasserleitung 212 führt Triebwasser über eine Druckwasserabsperreinrichtung 214 zu einer Turbine 213. Von der Turbine 213 wird das Unterwasser über eine Unterwasserleitung 220 abgeführt. Die Turbine 213 treibt einen Synchrongenerator 216 an. Die vom Synchrongenerator 216 erzeugte elektrische Leistung wird erfindungsgemäß über eine Leitung 238 innerhalb des Schachts 202 an die Oberfläche in Höhe A geführt. Dort ist ein Leistungstransformator 230 vorgesehen.

Figur 7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Turbinen- Generatoreinheit 300. Die Turbinen-Generatoreinheit 300 ist dazu vorgesehen, in einem von Triebwasser durchströmten Rohr (nicht dargestellt) angebracht zu werden. Die Turbinen-Generatoreinheit 300 wird in der Figur 7 von links angeströmt. Am rechten Ende der Turbinen-Generatoreinheit 300 strömt das Triebwasser als Unterwasser ab. Die Turbinen-Generatoreinheit 300 weist ein Laufrad 305 auf, das hier gestrichelt angedeutet ist. Das Laufrad 305 ist mittels einer Antriebswelle 307 mit einem schematisch dargestellten Generator 309 verbunden. Der Generator 309 weist eine supraleitende Läuferwicklung 312 auf, die zusammen mit einem Läufer 311 direkt mit der Antriebswelle 307 verbunden ist. Die Antriebswelle 307 ist wiederum direkt mit dem Laufrad 305 verbunden, sodass ein direkter Antrieb des Läufers 311 des Generators 309 über das Laufrad 305 erfolgt.

Der Läufer 311 mit seiner supraleitenden Läuferwicklung 312 dreht sich dabei innerhalb eines Ständers 313 mit Ständerwicklungen 314. Die supraleitende Läuferwicklung 312 ist aus einem Hochtemperatur-Supraleiter ausgebildet, der bereits bei vergleichsweise hohen Temperaturen wie etwa flüssiger Stickstoff als Kühlmedium bereitstellt, supraleitend ist. Alternativ hierzu könnte statt der Läuferwicklung 312 die Ständerwicklungen 314 oder sowohl Läufer- als auch Ständerwicklung supraleitend vorgesehen sein. Insgesamt erlaubt der Aufbau der Turbinen-Generatoreinheit 300 mit einer supraleitenden Läuferwicklung 312 einen deutlich geringeren Durchmesser des Generators 309 bei gleicher Leistung.