(57)【要約】  本発明は、エネルギー、特に風力発電所および／または太陽光発電所からの、断続的に利用可能となるエネルギーを一時的、可逆的に蓄積するための揚水発電所に関する。揚水発電所は、水中揚水発電所として設計されており、海が上部貯水槽の機能を果たし、海底の圧力容器が下部貯水槽として使用される。電気エネルギーの蓄積は、水を圧力容器の内部から海底の静水圧に抗して汲み出すことによって行われる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
他の発電所、特に風力発電設備（２）および／または太陽光発電設備（３）からの電気エネルギーを一時的、可逆的に中間蓄積するための水中揚水発電所（６）であって、
海底（８）へ沈められる、水で充填可能な圧力容器（２０）であって、
前記圧力容器（２０）が、前記海底（８）において形状を安定して静水圧（ＰＴ）に抗して汲み出して空にすることができる程度の耐圧性を有し、
前記圧力容器（２０）が、水を前記圧力容器（２０）から、水深（Ｔ）に対応する前記静水圧（ＰＴ）を有する周囲の海（２２）へ汲み出すための、前記圧力容器（２０）に配置されたポンプ（１６）を有する水出口（２６）を備え、前記ポンプ（１６）が、前記周囲の海（２２）の前記静水圧（ＰＴ）に抗して水を汲み出す際に、電気エネルギーを変位された水柱に相当する位置エネルギーに変換し、
前記圧力容器（２０）が、水を前記水深に対応した静水圧（ＰＴ）を有する前記周囲の海（２２）から、直接前記圧力容器（２０）内へ流入させるための、前記圧力容器（２０）に配置された発電機（３６）を有する水入口（３４）を備え、前記発電機（３６）が、前記水深（Ｔ）における前記静水圧（ＰＴ）を有する水の流入の際に、先立って変位された水柱の位置エネルギーを再び電気エネルギーに変換する、圧力容器（２０）と、
前記電気エネルギーを、海面から前記圧力容器（２０）へ、およびその逆方向に輸送するための送電線（４、１２）とを備えている水中揚水発電所（６）。
【請求項２】
前記圧力容器（２０）が、前記揚水発電所（６）が前記海底（８）から再び前記海面へ引き上げられ得るように、前記揚水発電所（６）の質量を小さくするために汲み出して空にされる、通常運転時にエネルギー蓄積に使用されないバラスト水用の貯水領域（４０）を備えている、請求項１に記載の水中揚水発電所（６）。
【請求項３】
前記揚水発電所（６）の海面上の位置を印すための、および、追加の前記貯水領域（４０）が汲み出されて空になった時に、保守または補修作業のために前記揚水発電所（６）を沈めるまたは引き上げるための、ブイ（５４）を有するロープ（５２）を備えている、請求項２に記載の水中揚水発電所（６）。
【請求項４】
前記圧力容器（２０）が、少なくとも１００立方メートルの容積を有している、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水中揚水発電所（６）。
【請求項５】
前記圧力容器（２０）が、鋼および／またはコンクリートから成る、三次元的に閉鎖された外壁（２８）によって製造される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水中揚水発電所（６）。
【請求項６】
前記揚水発電所（６）が、前記揚水発電所（６）が汲み出された状態でも、高額な係留コストをかけずに前記海底（８）に留まるように、通常運転時に汲み出された状態で、前記圧力容器（２０）によって変位される水の質量よりも少なくとも基本的に小さくない質量を有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の水中揚水発電所（６）。
【請求項７】
前記圧力容器（２０）が、前記圧力容器（２０）を重量化するための、中詰め可能な錘材を充填するための空洞（３８）を備えている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の水中揚水発電所（６）。
【請求項８】
前記錘材が、前記圧力容器（２０）をさらに重量化するために、中詰材に取り込まれる水を用いて現地でその質量を追加的に大きくすることができる天然の中詰材である、請求項７に記載の水中揚水発電所（６）。
【請求項９】
前記圧力容器（２０）が、耐圧性を有する球形または卵形に形成されている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の水中揚水発電所（６）。
【請求項１０】
前記圧力容器（２０）が、耐圧配管部品（５４）の閉リングから成るドーナツ形状に形成されている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の水中揚水発電所（６）。
【請求項１１】
前記圧力容器（２０）が、その耐圧性を高めるために、支柱（６２）から成る内部支持体（６０）によって安定されている、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の水中揚水発電所（６）。
【請求項１２】
前記圧力容器（２０）の内部空洞（１８）が充填材で充填されており、前記充填材が、排水された状態の前記圧力容器（２０）に耐圧性を付与するとともに、間隙に水用の蓄積容積を残している、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の水中揚水発電所（６）。
【請求項１３】
前記ポンプ（１６）および前記発電機（３６）が、共通のポンプ・タービンとして、一体化された水入口および水出口に形成されている、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の水中揚水発電所（６）。
【請求項１４】
他の発電所、特に風力発電設備（２）および／または太陽光発電設備（３）からの電気エネルギーを一時的、可逆的に中間蓄積するための水中揚水発電所（６）であって、
海底（８）へ沈められる、水で充填可能な圧力容器（２０）であって、
前記圧力容器（２０）が、前記海底（８）において形状を安定して静水圧（ＰＴ）に抗して汲み出して空にすることができる程度の耐圧性を有し、
前記圧力容器（２０）が、水を前記圧力容器（２０）から前記水深（Ｔ）に対応する静水圧（ＰＴ）を有する周囲の海（２２）へ汲み出すための、前記圧力容器（２０）に配置されたポンプ（１６）を有する水出口（２６）を備え、前記ポンプ（１６）が、前記周囲の海（２２）の前記静水圧（ＰＴ）に抗して水を汲み出す際に、電気エネルギーを変位された水柱に相当する位置エネルギーに変換し、
前記圧力容器（２０）が、水を前記水深に対応した静水圧（ＰＴ）を有する前記周囲の海（２２）から、直接前記圧力容器（２０）内へ流入させるための、前記圧力容器（２０）に配置された発電機（３６）を有する水入口（３４）を備え、前記発電機（３６）が、前記水深（Ｔ）における前記静水圧（ＰＴ）を有する水の流入の際に、先立って変位された水柱の位置エネルギーを再び電気エネルギーに変換する、圧力容器（２０）と、
前記電気エネルギーを、海面から前記圧力容器（２０）へ、およびその逆方向に輸送するための送電線（４、１２）とを備え、
前記水中揚水発電所（６）が、電気エネルギーが蓄積および回収される通常運転を画定し、
前記圧力容器（２０）が、通常運転時にエネルギー蓄積には使用されずに重量化に使用される、バラスト水用の貯水領域（４０）を備え、
前記バラスト水用の貯水領域（４０）を追加的に汲み出して空にすることによって、前記水中揚水発電所（６）が海面へ引き上げられ得る程度まで、前記水中揚水発電所（６）の質量を小さくすることが可能である、水中揚水発電所（６）。
【請求項１５】
断続的に電気エネルギーを生成する多数の主発電所、特に風力発電設備（２）および／または太陽光発電設備（３）と、
少なくとも１つの請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の水中揚水発電所（６）と、
電気エネルギーの多数の消費地（１４）と、
前記主発電所（２、３）によって生成される電気エネルギーが、前記主発電所（２、３）からのエネルギーの余剰時には前記少なくとも１つの水中揚水発電所（６）によって可逆的に中間蓄積され、電気エネルギーの需要が高い時には回収され、回収された電気エネルギーが前記消費地（１４）へ移送され得るように、前記消費地、前記少なくとも１つの水中揚水発電所、および前記主発電所を互いに接続する送電ネットワーク（４、１２）とを含む給電ネットワーク（４８）。
【請求項１６】
海底（８）に沈められた、水で充填可能な人造の圧力容器（２０）を有する水中揚水発電所（６）を用いて、主発電所、特に風力発電設備（２）および／または太陽光発電設備（３）からの電気エネルギーを一時的、可逆的に中間蓄積するための方法であって、
前記圧力容器（２０）が、前記海底（８）において静水圧（ＰＴ）に抗して形状を安定して汲み出して空にすることができる程度の耐圧性を有し、
電気エネルギーを蓄積するために、水が前記圧力容器（２０）から、前記水深に対応した静水圧（ＰＴ）を有する周囲の海（２２）へ直接汲み出され、その際、電気エネルギーが前記水深（Ｔ）における水柱に相当する位置エネルギーに変換され、
電気エネルギーを回収するために、水が前記水深（Ｔ）に対応する静水圧（ＰＴ）を有する前記周囲の海（２２）から前記圧力容器（２０）内に流入し、前記水深における水柱の前記静水圧（ＰＴ）に相当する位置エネルギーが、発電機（３６）によって電気エネルギーに変換され、
前記電気エネルギーが、送電線（４、１２）を用いて、一時的、可逆的な中間蓄積のために海面から下方の前記圧力容器（２０）まで移送され、消費のために前記圧力容器（２０）から再び海面へ移送される、方法。
【請求項１７】
電気エネルギーが蓄積および回収される通常運転が画定され、
前記通常運転時に、ある量のバラスト水が汲み出されず、それにより、このバラスト水が通常運転時にエネルギー蓄積には使用されずに重量化に使用され、
前記バラスト水を保守作業のために汲み出すことによって、前記揚水発電所（６）の質量を小さくし、前記揚水発電所（６）を海底（８）から再び海面へ引き上げる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記揚水発電所（６）を、最初に、前記揚水発電所（６）がまずは浮くように、前記揚水発電所（６）の質量が変位される水の質量よりも小さくなるように平衡化し、その後、沈下位置にて中詰材および／またはバラスト水を前記圧力容器（２０）に充填することによって、前記揚水発電所（６）の質量が変位される水の質量よりも大きくなり前記揚水発電所（６）が沈下して海底（８）に配置される程度まで、前記揚水発電所（６）の質量を増加させる、請求項１６または１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー、特に、風力発電設備および／または太陽光発電設備からの、断続的に利用可能となるエネルギーを、一時的、可逆的に蓄積するための揚水発電所に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然の計らいにより、熱帯地方および亜熱帯地方において地表が吸収する太陽エネルギーの大部分が風力エネルギーに変換され、このようなものとして北半球、とりわけ、ヨーロッパ、大西洋、北海等へ運ばれる。風は、面積１平方メートル当たり、平均で約１キロワットのエネルギー出力に相当する力である。このエネルギーを、人間は近代的な風力発電設備を用いることによって利用することができる。ところが、風は常に吹いているわけではないので、このように生成された電気エネルギーを、少なくとも数時間、場合によっては数日間にわたって十分な規模で中間蓄積できる場合のみ、産業社会は風力を確実なエネルギー源として使用することができる。同様のことは、太陽光発電設備からの電気エネルギーにも当てはまる。
【０００３】
このような蓄積が大規模に成功すれば、この再生可能エネルギー源が、ベース・ロードをカバーするためにより良く採用され、いつの日か、化石エネルギーの生成および核エネルギーを完全に代替することが可能になるかもしれない。
【０００４】
電池またはアキュムレータのような伝統的な電気蓄積器は、必要なエネルギーのごく僅かな一部しか蓄積できず、その上非常に高価であるため、大々的には経済的に支持を得られない。今日よく議論に上がる化学的蓄積方法（例えば、水の電気分解）および圧縮空気蓄積器は、熱損失のため、そのように蓄積されたエネルギーの回収効率が比較的悪い。これらの蓄積方法としては、３０％程度の利用効率でも良い値と言えよう。
【０００５】
したがって、今日の技術水準によれば、電気エネルギーを効率良く大規模に蓄積するには、水揚水発電所（ＰＳＫＷ）のみが残されている。これは、約８０％の蓄積エネルギーの回収効率を達成することができる。この設備では、大抵は人造湖の水を、電力の余剰時に下部貯水池から上部貯水池へ汲み上げる。貯水池が大きいほど、また高差が大きいほど、より多くのエネルギーを蓄積することができる。電力需要の際には、このように汲み上げられた水をタービンによって再び下部貯水池へ逆流させる。その際、水の位置エネルギーの差が電気エネルギーに変換される。出力Ｗは、両貯水池間の高差ｈおよび水流量Ｍの積から求められる。次の簡単な公式が（水密度が１０００ｋｇ／ｍ３の場合には）適用される。
Ｗ（ｋＷ）＝９．８１・Ｍ（ｍ３／ｓ）・ｈ（ｍ）
これを用いて、エネルギー蓄積器の全容量は、Ｅ（ｋＷｈ）＝９．８１・Ｍ・ｈ・ｔ／３６００（時間）と求められる。ｔは上部貯水池における水位低下の最長所要時間である。したがって、揚水発電所では、汲み出し、蓄積、および電力生成段階が絶えず入れ替わる。揚水発電所は、最短時間で運転を開始することができるため、迅速に電力需要に応じることができる。ドイツでは、今日約３０箇所の揚水発電所があるが、高差が必要であるため、それらの所在地は低山地または高山にさえ位置しており、ドイツにおける最大の設備は、テューリンゲン州ゴルディスタール（有効容積約１２００万立方メートルの場合の出力約１ギガワット、エネルギー蓄積容量約８．５ＧＷｈ）、およびザクセン州マルケルスバッハ（出力約１ギガワット、エネルギー蓄積容量約４ＧＷｈ）にある。全体として、ドイツにある全揚水発電所の出力は合計約７ギガワット足らずである。
【０００６】
しかし、このような揚水発電所に対する需要は、通常利用可能である電位を上回っており、とりわけ、海上で得られる風力エネルギー用の局所的なエネルギー蓄積器が必要とされている。そのため、この容量を拡大することは重要な経済的課題である（Ｅｎｅｒｇｉｅ−Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｚｅｎｔｒｕｍ  Ｎｉｅｄｅｒｓａｃｈｓｅｎ、Ｇｏｓｌａｒ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｆｚｎ．ｄｅ参照）。現在、可能な拡大容量として、山地および旧鉱山に新たに揚水発電所を設置することが検討されている。地下の鉱山設備を利用するには、地上の大型の貯水槽が必要である。貯水槽の設置は、現行の住宅開発または他の所与の用途のために挫折する場合が多い。その上、鉱山設備の既存の容積は小さく、地下に長距離にわたって広がっているため、効率的な発電所を実現することは困難である。さらに、蓄積には部分的に長い電力輸送路および生態系への手痛い侵害が要求される。基本的に、この種の揚水発電所に適した用地の利用可能性は世界的に制限されている。
【０００７】
したがって、ここで、全く異なる、一見したところ非現実的と思われるかもしれない新しい揚水発電所への取り組みを紹介する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｅｎｅｒｇｉｅ−Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｚｅｎｔｒｕｍ  Ｎｉｅｄｅｒｓａｃｈｓｅｎ、Ｇｏｓｌａｒ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｆｚｎ．ｄｅ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、既存の地勢に負担をかけることなく、ほぼ任意に拡大縮小することが可能であるとともに、膨大な蓄積容量を利用可能とした、新種の揚水発電所を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の課題は、独立請求項の対象によって解決される。本発明の有利な発展形態は従属請求項に規定されている。
【００１１】
本発明は、揚水発電所の上部貯水池または貯水槽として海を利用するという基本的思想を利用している。下部貯水池または貯水槽として、海底に沈められた圧力容器が使用される。したがって、下部貯水槽（より低い位置エネルギーを有する）は、圧力容器によって形成される人造の空洞である。
【００１２】
本発明によれば、他の発電所、特に、断続的に電力を生成する発電所、例えば風力発電設備または太陽光発電設備からの電気エネルギーを、一時的、可逆的に中間蓄積するための水中揚水発電所が提供される。
【００１３】
他のあらゆる揚水発電所と同様に、この揚水発電所も、第二の貯水槽内の水が第一の貯水槽内の水よりも高い位置エネルギーを有する、第一および第二の貯水槽を使用する。電気エネルギーを一時的、可逆的に蓄積するには、水を第一の貯水槽から第二の貯水槽へ汲み出し、電気エネルギーを回収するには、水を第二の貯水槽から第一の貯水槽へ逆流させるが、その際、「汲み上げ」時に堆積された位置エネルギーが、発電機によって再び電気エネルギーに変換される。電気エネルギーの蓄積および回収に関しては、両貯水槽間でのある水量の位置エネルギーの差のみが重要になる。従来の揚水発電所では、この位置エネルギーの差が両池の高差によって定義される。
【００１４】
本発明では、より低い位置エネルギーを有する第一の貯水槽が、大部分が海底に沈められた、水で充填可能な人造の圧力容器によって形成されている。その際、圧力容器が汲み出されて空になった時に、圧力容器が所望の海深において静水圧に対して形状が安定する程度に、圧力容器を耐圧に建造する。より高い位置エネルギーを有する第二の貯水槽は、圧力容器を取り囲む海自体によって形成されている。水深Ｔに沈められた圧力容器内へ水を流入させれば、海面までの高差、つまり水深Ｔに相当する位置エネルギーが解放される。続いて、水を再び圧力容器から、水深Ｔにおける静水圧ＰＴに抗して周囲の海へ汲み出すには、水深Ｔにおいて圧力容器にかかる水柱に相当する電気エネルギーを消費しなければならず、それにより、電気エネルギーを蓄積することができる。当然のことながら、このエネルギーは、その他通常の電力損失分が減少している。
【００１５】
大気の流入を伴わずに水が圧力容器から汲み出されるため、また、したがって、限られた真空のみが蒸気の分圧によって生じるため、厳密に言えば、大気圧を水柱の静水圧にさらに加算しなければならない。しかし、このことは、本明細書で主に対象とされる深い海深の場合には量的に問題にならない。ただし、浅い海で使用する場合には、１０ｍの追加深さに相当する大気圧の追加バールを計算に含めるべきである。
【００１６】
これに関して、圧力容器は、圧力容器に直接配置されたポンプを有する水出口を備えている。ポンプによって、水が圧力容器から水深に対応する静水圧ＰＴに抗して直接周囲の海へ汲み出されるが、その際、ポンプが電気エネルギーを、変位された水柱に相当する位置エネルギーに変換する。
【００１７】
さらに、圧力容器は、圧力容器に直接配置された発電機を有する水入口を備えている。水深に対応する静水圧を有する周囲の海から水を直接圧力容器へ流入させる際に、発電機が先立って変位された水柱の位置エネルギーを、再びそれに相当する電気エネルギーに変換する。さらに、圧力容器は、エネルギーが蓄積されていない、あるいは回収されていない時に、入口および出口を閉鎖するための弁を、入口および出口に備えている。したがって、水の汲み出しおよび流入は、閉鎖された圧力容器の水入口から水出口の容器壁を通過するまでの短い距離においてのみ行われる。
【００１８】
したがって、圧力容器を、例えば海面下２０００ｍの深さに沈めた場合、これは、第二の貯水槽が第一の貯水槽の上方２０００ｍに位置する揚水発電所に相当するが、通常の揚水発電所としてはすでに並外れて大きい高差と言えよう。驚くべきことに、それにもかかわらず、電気エネルギーを蓄積するために使用される水を、２０００ｍ（９０°の傾斜が不均一な場合はさらに長い）の距離にわたって輸送するための長い配管は必要ではない。というのは、水を圧力容器の内部から外部の周囲の海へ、つまりほんの数メートルのみの距離を汲み出し、それに応じて再び逆流させることで十分である。つまり、この短い汲み出し距離は電位差に左右されない。したがって、海面から圧力容器へ、およびその逆方向へ電気エネルギーを輸送するための送電線のみが必要である。というのは、重力に起因する電位差は、この経路距離を超えることなく、水深Ｔにおいて圧力容器にかかる水柱のみによってもたらされるのである。したがって、水の輸送用配管も、圧力容器と海面間の送気管も不要である。単に海深の電位差のみを利用するが、揚水発電所を深い湖に沈めることを除外するものではない。
【００１９】
さらにまた、本発明を用いれば、周囲の海自体が（より高い位置エネルギーを有する）第二の貯水槽を形成するので、２つの貯水池または画定された貯水槽の一方が完全に「省略」される。第一の貯水槽は、圧力容器または圧力タンクの内部の空洞によって形成される。このように、圧力タンクは閉鎖された貯水容積、つまり、周囲の海に対してより低い位置エネルギーを有する貯水容積または貯水槽を形成する。このように、従来の揚水発電所において高差を橋渡ししなければならなかった長い送水管が省略される。これにより、構造が簡略化されるだけでなく、水輸送時の摩擦損失が低減されることにより、効率を向上させることが可能になる。言い換えれば、水入口および／または水出口、あるいは一体化した水入口／水出口は、特に直接圧力容器に、すなわち、例えば水面までの、長いホースや配管を用いずに配置されている。さらに、この種の圧力容器は、多数を海底に沈めることができるため、十分な大きさの貯水容積と、それによって所望のエネルギー蓄積容量を、地上の利用可能な地勢を占有することなく達成することができる。多数の揚水発電所においては、各圧力容器自体が１つまたは複数のポンプおよび発電機を備えていることが好適であり、その場合、圧力容器を互いに電気的に接続するだけでよい。したがって、このような水中揚水発電所のネットワークは、海底で送電線のネットワークによって互いに電気的に接続された、海底に置かれた多数の圧力容器を含んでいることが好適である。それぞれが専用のポンプおよび発電機を具備する圧力容器を、送水管を用いてネットワーク化する必要はない。
【００２０】
また、建設側で（圧力容器は、充填された状態でかなりの自重がある、海底に配置される建造物である）および構造的に最適な圧力容器が、性能に適したポンプ・タービン集合体にとって小さすぎるという場合も考えられる。その場合、複数の圧力容器を圧力管によって液圧的に相互接続してグループ化し、充填および排水をグループ内の一点のみで行う。もちろん、液圧接続は、水が支障なく流入および流出できるように設けなければならない。
【００２１】
好適な場合の圧力容器、あるいは代替の場合の液圧的に相互接続された圧力容器のグループは、大量のエネルギー蓄積を可能とする容積を備えているべきであり、したがって、この容積は少なくとも１００または１０００立方メートルとすべきであるが、この何倍も、場合によっては桁違いに大きくてもよい。１００万立方メートルまたはそれ以上の範囲の容積すら考えられる。個々の圧力容器が大きいほど、その必要数が減少する。
【００２２】
例えば、工業生産された大型の球形タンクを、圧力容器として使用することができる。直径が１００メートルの球形タンクは、約５００，０００立方メートルの容積を有する。１秒当たり５０立方メートルの水をタービンを通して流した場合、この揚水発電所は２０００ｍの水深において、約３時間にわたって約１ギガワットの出力を供給する。このような球形タンクを複数使用することによって、それに対応してこの出力を高めるとともに、さらに大きい蓄積容量を実現することができる。これにより、再生可能な生成エネルギーを大量に蓄積することが可能である。
【００２３】
圧力容器は、鋼および／またはコンクリート、特に鉄筋コンクリートで構成され、すなわち、例えば鉄筋コンクリートから成る、適合する三次元的に閉鎖された外壁を備えていることが実用的である。これにより、十分な耐圧性を有する圧力容器あるいは中空体を建造することができる。
【００２４】
圧力容器は、海底への係留コストを抑えるため、圧力容器が通常運転時に汲み出された状態でも海中を沈下するように、通常運転時に汲み出された状態で、圧力容器によって変位される水の質量よりもやや大きい質量を有するような重さに、圧力容器を建造あるいは重量化することが好適である。圧力容器が通常運転時のあらゆる充填状態で十分に重ければ、場合によっては、圧力容器を本質的に係留することなく単に海底に配置することさえ可能である。それでも、圧力容器を変位される水より僅かに軽量にして、圧力容器を海底に係留することを除外するものではない。
【００２５】
圧力容器は、例えば容器壁に個別の空洞を備え、空洞に錘材として中詰材を充填可能であることが有利である。これにより、圧力容器が海底に沈下するように圧力容器を重量化するために、圧力容器の質量を後からさらに調節することが可能になる。しかし、まずは圧力容器が辛うじて浮くように中詰材で圧力容器を平衡化し、その後、海上の現地で追加のバラスト水を充填することが特に有利である。安価な方法としては、錘材は、例えば、砂、砂利、シルト等の、圧力容器の質量を現地でさらに正確に平衡化するために、その質量を中詰材に取り込まれる水によって現地で追加的に増加させることができる、天然の中詰材であってもよい。バラスト水を中詰材に取り込むことによって、揚水発電所が沈下する程度に質量を増加させることができるが、個別の空洞にバラスト水を充填してもよい。それにより、バラスト水をより容易に再び汲み出して、揚水発電所を再び引き上げることができる。いずれの場合も、圧力容器が通常運転時に海底に保持されるように、全バラストが計量される。重量配分、例えばバラストの配置は、特に球形の場合は、圧力容器が水中で下部および上部を有する画定された配向性を備えるように、非対称とすべきであり、それによって、ポンプおよび発電機の配置が容易になる。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態によれば、圧力容器は、通常運転時にエネルギー蓄積に使用されない追加の貯水領域を備えており、この貯水領域は、蓄積器が海底から海面へ引き上げられ得るように、蓄積器の質量を小さくするために汲み出して空にすることができる。この追加の貯水領域は、主空洞を通常運転時に汲み出して完全には空にしないことによって設けてもよいが、あるいは、場合によっては容器壁に、１つまたは複数の個別の空洞を、この目的のために設けてもよい。このように、追加の貯水領域を汲み出して空にすることによって、圧力容器が自ら浮上する、または少なくともロープで引き上げられ得る程度まで、圧力容器の質量を減少させることができる。したがって、より低い位置エネルギーを有する貯水容積を形成する圧力容器は、海底に沈めることが可能であるとともに再び海面へ引き上げることが可能である。有利には、これにより、海面での保守または補修作業を定期的に行うことができる。
【００２７】
圧力容器の形状は球形であることが実用的である。しかし、圧力容器は耐圧配管の閉リングから成るドーナツ形、または、場合によっては湾曲した端面を有する、円筒形に形成してもよい。ドーナツ形は、海底上を転がり去り得ないという利点がある。これに関しては卵形も有利となり得る。
【００２８】
水入口および水出口は、別々にまたは一体として形成することができる。後者の場合は、ポンプおよび発電機が、共通のポンプ・タービンとして形成されていることが好適である。この場合、一体化した水入口および水出口には、場合によっては１つの共通の弁で十分である。これにより、圧力容器の外壁の貫通箇所の数および弁の数が低減されるが、それにもかかわらず、複数のポンプ・タービンが利用可能である。
【発明の効果】
【００２９】
このように、本発明による水中揚水発電所を用いれば、
断続的に電気エネルギーを生成する多数の発電所、特に風力発電設備および／太陽光発電設備と、
１つまたは複数の本発明による水中揚水発電所と、
電気エネルギーの多数の消費地と、
発電所によって生成される電気エネルギーが、発電所からのエネルギーの余剰時には水中揚水発電所によって可逆的に中間蓄積され、電気エネルギーの需要が高い時には回収され、回収された電気エネルギーが消費地へ移送され得るように、消費地、水中揚水発電所、および発電所を互いに接続する送電ネットワークとを含む、給電ネットワークを提供することができる。
【００３０】
以下では、実施例を用いて図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。その際、同一および同様の要素には部分的に同一の符号が付されており、異なる実施例の特徴を互いに組み合わせることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】風力タービンおよび消費者を有する、本発明による水中揚水発電所の概略図である。
【図２】図１の水中揚水発電所のエネルギー蓄積時の概略図である。
【図３】図１の水中揚水発電所のエネルギー回収時の概略図である。
【図４】水中揚水発電所のさらなる実施形態の概略図である。
【図５】水中揚水発電所のさらなる実施形態の概略図である。
【図６】圧力容器の代替形態の概略図である。
【図７】ドーナツ形または円筒形の圧力容器の概略断面図である。
【図８】多数の発電所、水中揚水発電所、および消費者を有する給電ネットワークの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１を参照すると、所定の発電所、この例では風力発電所２を用いて、電気エネルギーが象徴的に生成されている。風力発電所２は、電気エネルギーを主発電所から揚水発電所６へ移送するため、送電線４によって揚水発電所６と接続されている。揚水発電所６は水深Ｔの海底８に配置されているが、この水深は既存の地理的状況によっては、数百メートルから数千メートルであり得る。さらに、揚水発電所６は、電気エネルギーを揚水発電所８から消費者へ移送するため、送電線１２によって消費者１４と接続されている。
【００３３】
図示の風力発電所２は多数の風力発電所の代表であり、太陽光発電設備等の他の再生可能な変動するエネルギーの発電所も適用可能であることが明らかである。さらに、消費者１４は、需要が主発電所によって供給された出力を上回った時に、揚水発電所６からの回収電気エネルギーが供給される、一般給電ネットワークの既存部分に接続された多数の消費者の代表である。示された送電線６および１２は、電源および電流シンクを統合した一般給電ネットワークとの接続の代表である。
【００３４】
図２を参照すると、蓄積運転時には、ポンプ１６によって圧力容器または圧力タンク２０の内部空洞１８から周囲の海２２へ水が汲み出される。ポンプ１６は排水ピット２４から水を吸引し、水出口２６を通して直接周囲の海へ水を汲み出す。したがって、人造の圧力容器２０の内部空洞１８は、揚水発電所の両貯水槽の一方（より低い位置エネルギーを有する方）を形成している。
【００３５】
この例では、水出口は、圧力容器２０の鉄筋コンクリート壁２８の内側を上方へ延びる送水管２７を含んでいる。水出口２６は圧力タンク２０に直接配置されている。すなわち、送水管２７は圧力タンク２０の外側ですぐに終端しており、例えば海面へは通じていない。水出口２６あるいは送水管２７は、遮断弁３０によって閉鎖することができる。ポンプ１６が水深Ｔにおいて支配する静水圧ＰＴに抗して水を汲み出さなければならないことにより、大量の電気エネルギーが消費され、位置エネルギーに変換される。これは以下の例により明らかになろう。圧力容器２０は、水密度１０００ｋｇ／ｍ３の場合に、蓄積可能な水の容積Ｖ立方メートルおよび水深Ｔメートルの関数としての、エネルギー量Ｅキロワット時を蓄積する。つまり、
Ｅ（ｋＷｈ）＝Ｖ（ｍ３）ｘＴ（ｍ）ｘ９．８１／３６００
【００３６】
容積Ｖ＝１０，０００ｍ３、水深Ｔ＝２０００ｍ、および球形の圧力容器２０、および空洞直径が２８ｍである例において、およそＥ＝５８，０００ｋＷｈ＝５８ＭＷｈの電気エネルギーＥを蓄積することができる。これは、６時間にわたって約１０メガワットの出力を供給できることを意味する。風力または太陽光電力による揚水蓄積器の再充電の日々のサイクル、すなわち、蓄積容積Ｖの日々の充填および汲み出しにおいては、一年当たりの蓄積エネルギー量が約２０，０００ＭＷｈとなる。
【００３７】
しかし、さらに大きい圧力容器２０を建造することさえ可能であると思われる。直径が２８０ｍである球形の圧力容器２０の場合、容積Ｖ＝約１０，０００，０００ｍ３となる。再び沈下深さＴ＝２，０００ｍと想定した場合、エネルギー量Ｅ＝約５８，０００ＭＷｈを蓄積することができる。これは、約１２時間にわたる約５ギガワットの出力に相当する。すなわち、このような圧力蓄積球体２０を用いれば、１０００基の各６メガワット出力の風力発電設備２が約１０時間にわたって生成するエネルギー量を蓄積することができる。風力エネルギーによる蓄積器の日々の再充電のサイクル、すなわち、蓄積容積の日々の充填および汲み出しにおいては、一年当たりのエネルギー蓄積量が約２０，０００ＧＷｈとなる。
【００３８】
図３を参照すると、汲み出されて空になった揚水発電所６の圧力容器２０に、蓄積されたエネルギーを回収するために、入口弁３２が開かれ、タービン３６によって、水が水深Ｔに対応する静水圧ＰＴを有する周囲の海から、水入口３４を通って圧力容器２０の内部空洞１８へ流入するが、その際、汲み出し時に蓄積されたエネルギーから通常の電力損失を差し引いたエネルギーを回収することができる。水入口３４は圧力タンク２０に直接配置されている。すなわち、例えば海面に通じる配管はない。回収された電気エネルギーは、送電線１２によって一般給電ネットワークに供給される。出力を高めるには、複数の水入口３４に弁３２およびタービン３６を設けることができ、この例では、それぞれ２つずつ設けられている。大流量の水に起因する圧力容器の振動を防止するために、内部空洞１８に支柱を組み込むことができる（図示せず）。その際、横方向の支柱は二重の機能を果たす。つまり、一方では圧力容器を安定させ、他方では圧力容器２０の共振振動を防止するために、発電機３６を通して内部空洞１８に流入した水に乱流を引き起こす機能を果たす。
【００３９】
圧力容器２０は、球形の鉄筋コンクリート壁２８で構成されている。壁強度は、揚水発電所６が沈められる水深Ｔに応じて、および、揚水発電所をさらに沈めるために必要な質量に応じて選定される。タービン３６およびポンプ１６は、圧力容器２０に直接配置され、例えば、壁２８の内側または壁２８に直接配置されている。電気エネルギーを蓄積および回収するには、水を短距離のみ、つまり、水入口あるいは水出口の開口部３４、３６、すなわち圧力容器２０の壁２８の貫通箇所を通して移送するだけでよい。したがって、揚水発電所６は、海面から海底８への送電線、４、１２のみが必要であり、水輸送のための配管や線は不要である。場合によっては、送電線が給電線および集電線として十分であることさえある。さらに有利には、深い水深に基づく圧力差は、圧力容器２０内の充填状態に大きくは左右されないので、使用可能な出力が充填状態に左右されず基本的に一定である。
【００４０】
圧力容器２０はその壁２８に空洞３８を備えており、この空洞は揚水発電所６の質量を平衡化するために、中詰材、例えば砂で充填されている。砂は、場合によっては、耐圧ケーシングの周りに同軸のリング状に、または他の錘領域に取り付けてもよい。揚水発電所６は、それを沈めるべき場所まで船で輸送され得るように、まずは、汲み出されて完全に空になった時に辛うじて浮く程度に平衡化することが好適である。続いて、圧力容器２０の沈下位置にて、揚水発電所６が沈下する程度までバラスト水を用いて圧力容器を重量化する。バラスト水として使用される水量は、重量化のみに使用され、通常運転時には、すなわち、電気エネルギーの蓄積および回収時には汲み出されない。それにより、揚水発電所６は、通常運転時には、変位される水の質量よりも常に大きい質量を有するため、海底８に配置されたままとなる。図示の例では、対応する蓄積領域が破線４０で示されている。しかし、バラスト水用の蓄積領域４０は、個別の空洞で形成してもよい（図示せず）。例えば、保守作業のために、通常運転時においてエネルギー蓄積に使用されないバラスト水を汲み出すことによって、揚水発電所６が再び浮上、または少なくとも、例えば海面上でブイ５４によって印されたロープ５２を用いて引き上げられ得る程度に軽量化することができる。
【００４１】
特に球形の場合には、圧力容器２０の重量配分を、例えば、空洞３８の配置によって非対称に構成することにより、圧力容器が、重量分配に基づいて上部４２および下部４４を有する画定された配向性を備える。これに関して、図示の例では、上方の空間４６は浮力を生成するために空であり、下方の空間３８は充填されている。水が上部から流入するように、水入口３４およびタービン３６を上部４４に配置することが好適である。排水ピット２４は下部４２に配置され、ポンプ１６は圧力容器２０の下部４２の排水ピット２４に直接配置されるか、または配管によって排水ピットに接続される（図示せず）。
【００４２】
圧力容器２０の重量は非常に大きいため、圧力容器を水に浮かせて建造すること、例えば浮いている状態で、鉄筋コンクリートで部分毎に連続的に鋳造することが賢明である。その際、未完成の圧力容器は、嵐の際にもその内部空間１８が水没し得ない程度に、製造中に水から突出させておくべきである。圧力容器２０の壁２８の厚さは、ある時には極度に高い静水圧に耐えるとともに、加えて、内部空洞１８が少なくともほぼ空の状態で揚水発電所６が海底８に沈下する程度の自重を、圧力容器２０に付与しなければならない。壁材としては、例えば鉄筋コンクリートが挙げられる。静圧の作用により、圧力容器２０は、海底８に存在する圧力よりも基本的に高い圧力に破損せずに耐えることができる。壁２８には、弁３０、３２、タービン３６、ポンプ１６、配管２７、および／または送電線等の全てのシステム関連の構成部品が内蔵されているので、これらの壁はその後何十年にもわたってそれらの機能を果たすことができる。制御および操縦電子装置は、同様に圧力容器２０に直接配置されており、共に沈められる。
【００４３】
図４は揚水発電所６の代替実施形態を示し、本実施形態ではポンプ１６が圧力容器２０の上部４２に配置されており、空洞１８内部の吸引管１７を用いて、水が排水ピット２４から吸引される。外壁２８は二重胴式に形成されており、内胴２８ａが圧力容器２０の耐圧ケーシングを形成し、外胴２８ｂが基本的にバラスト質量としてのみ作用する。
【００４４】
図５は揚水発電所６のさらなる代替実施形態を示し、図４による実施形態の簡略化および変更を表している。ポンプ１６、発電機３６、および弁３０、３２は、コンパクトなポンプ発電機ユニット７０として耐圧胴２８ａの外側に集められている。ポンプ運転および発電機運転の際にも常に一方が開かれ他方が閉じられる弁３０および３２は、空洞１８内に通じる一体化された吸引兼排出管１７ａと接続されたＴ字部品７１に開口している。この配管１７ａは、運転条件に応じて、ポンプ１６用の吸引管またはタービン３６用の排出管として使用される。排水ピット２４は、タービンから排出される水流の排出口としても機能するように形成されている。この配置の利点は以下の通りである。
−  耐圧層２８ａの穿孔が一箇所のみでよい。
−  −  精密機械部品（ポンプ、発電機、弁）は組立品として１つのコンパクトなユニットにまとめられて貯水槽の一箇所のみに連結される。そのため、補修の場合には、ポンプ発電機ユニット７０を容易に切離して単独で海面に引き上げることができる。
【００４５】
図６はドーナツ形の圧力容器２０の代替実施形態を示している。ドーナツ形の圧力容器２０は、それが耐圧配管部品５６の閉リングで構成されていれば、同様に圧力に対して安定し、配置された時に海底８上を転がり去り得ない。この配管部品は、例えば「車輪」形状になるようにスポークで補強することによって、構造静力学的に最適化することができる。スポークの建材としては、同様に、コンクリートおよび鋼が考えられる。
【００４６】
このような圧力容器の、他の構造物に対する利点は、内径容積に対して特別な要求がなされないということである。水が水圧的に大した支障なく排水ピットへ流れることができれば十分である。その上、本体全体の起こり得る移動および振動が、個々のリングの特殊な設計によって阻止される。同様の配慮は、太陽エネルギーを利用するためのソーラー・アップドラフト・タワーを実現するために計画された、巨大な塔（サイズ：高さ１０００ｍ、直径１００ｍ）にもなされている。
【００４７】
図７は、ドーナツ形または円筒形の圧力容器の管板の断面図である。圧力容器は内部支持構造６０によって安定され支持されている。外側の防水ケーシング２８は、互いに接合された部分円筒２９から構成されている。部分円筒の湾曲形状によって、同等の材料強度においてより高い圧力を吸収することが可能になる。そして、圧力は支持体６０によって吸収される。この支持体６０は、構造静力学の規則に従って最適化されなければならない。しかし、従来の建造物に比べて、中空体の用途および環境により、その構造が容易になる以下の特別な条件がもたらされる。
−  圧力容器の内部に対しては、水が重大な水力損失なく排水ピット２４へ流れられることのみが要求される。つまり、「空の広間」を建設する必要はなく、構造静力的に最適化された支持体から成るいわば支持フレームを保持することができる圧力容器を建設すればよい。それにより、真空パックに似た高空隙率を有する中詰めから繊細な技術的構造にわたる、新種の多様な支持体構造が可能になる。
−  海の深層水は、地質学的時間においてさえほとんど変化しない特殊な温度定数を有しているので、圧力容器は事実上恒温環境に置かれている。蓄積容積１８は周囲の水で充填されるため、その温度も同様に運転状態によって変化しない。タービンを通って圧力容器内に流入する水の圧力解放によってもたらされる温度変化はごく僅かである。
−  圧力容器は、「嵐」または他の外部の流れのない穏やかな環境に置かれている。その周囲には、圧力容器の充填または排水による不穏のみが生じる。しかし、ポンプの排出あるいはタービンの吸引用の配管を、十分に長く有利に形成することによって、この自ら生成した流れの不穏を制御することができる。中空体が同時に充填および排出されることはないので、吸引および排出を１つの配管に集約することもできる。
【００４８】
図７は径方向力を吸収するための径方向支柱６２、および、横方向力を吸収するとともに支柱６２の屈曲を防止するための、支柱６２間の周方向接続部６４を備えた、象徴的な支持体構造６０を示している。周方向接続部６４は、径方向平面間に短い支柱６２を嵌め込むことを可能にする、胴または配管被覆と仮定することもできる。支柱６２は、内側円筒６６によって内側で受けられている。
【００４９】
車輪の設計時に得られるスポークの配置および構造の最適化に関する洞察も、蓄積中空体の支持体の構造に適用することができる。中空体の寸法が大きいため、スポークの設計によって複数の同軸の平面を互いに接続してもよい。
【００５０】
中空体のさらなる可能な形態として、圧力容器２０を充填材で充填し、充填材の最上層を平坦な要素で構成し、その要素の上に、防水性および耐引裂性を有しながら多少の弾性を有するケーシング層が配置される（真空パックに似ている）。充填材の中詰めは高空隙率を有さなければならず、水路は、水の流入および汲み出しの際に過度に高い摩擦損失を生じることなく十分な流速を得られるように、水圧抵抗が十分に小さくなるように設けなければならない。例えば砂利は、空隙率を高めるためにその寸法は可能な限り同一であるべきであるが、充填材として適していると思われる。例えば、次の方法が考えられる。薄肉で外側が平坦であり、その被覆上に目標破断線が引かれた中空体を充填材で充填する。中空体の被覆の上には多少の弾性を有するケーシングが置かれている。ここで、この構造物を高い静水外圧下に置く。一時的な中空体は、少なくとも目標破断線の部分において破断し、それにより、被覆の平坦な要素と充填材間の摩擦接続が生じる。しかし、弾性を有するケーシングは、生じた破断線を密封する。したがって、ケーシングに適度な圧力をかけることを可能にする、機械的に安定した充填材および被覆要素の摩擦接続による配置によって構成される蓄積体が形成されたことになる。
【００５１】
空隙率および通水性は、充填材を有する貯水器の重要な影響要因である。同様に「充填材」から構成され、その通水性を特徴とする帯水層には、通水を容易にする亀裂や割目がある場合がある。技術的な蓄積器においても、水流を方向付けるように所定の領域に特に粗粒の充填材を用いることによって、そのような「亀裂」および「割目」を設けてもよい。
【００５２】
高い静水外圧にもかかわらず、圧力容器２０の内部１８の充填または排水の際には、中空体内の局所的な水柱の静水圧のみが支配している。したがって、充填材によって機械的に安定された中空体においては、充填材が小さいほど、直立の長い構造が好ましい。
【００５３】
図８を参照すると、互いにネットワーク化された複数の消費者１４、および互いにネットワーク化された、主発電所を形成する複数の風力発電設備２および太陽光発電設備３を備える給電ネットワーク４８が示されている。主発電所２、３によって生成された主電気エネルギーは、図２から４による多数の揚水発電所６を用いて中間蓄積される。多数の揚水発電所６は、水中送電線５０のみを用いてネットワーク化されており、需要の際に、回収した電気エネルギーを給電ネットワーク４８の既存部分４５を介して消費者１４に供給する。
【００５４】
上記に説明した実施形態は例として解釈すべきものであり、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明から逸脱することなく様々に変更し得ることが、当業者には明らかである。さらに、本発明の特徴は、それらが明細書、請求項、図面または別の方法で開示されたものであるかに関わらず、他の特徴と併せて説明されている場合においても、個別に本発明の本質的な構成要素を規定することが明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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