Гидроаккумулирующая гидроэлектростанция ( PSH ) или гидроаккумулирующая электроэнергия ( PHES ) — это тип гидроаккумулирования энергии, используемый электроэнергетическими системами для балансировки нагрузки . Метод запасает энергию в виде гравитационной потенциальной энергии воды, перекачиваемой из более низкого водоема в более высокий. Для работы насосов обычно используется недорогая избыточная электроэнергия в непиковые периоды. В периоды высокого спроса на электроэнергию накопленная вода выпускается через турбины .для производства электроэнергии. Хотя потери в процессе перекачки делают электростанцию в целом чистым потребителем энергии, система увеличивает доход за счет продажи большего количества электроэнергии в периоды пикового спроса , когда цены на электроэнергию самые высокие. Если верхнее озеро собирает значительное количество осадков или питается рекой, то электростанция может быть чистым производителем энергии, как традиционная гидроэлектростанция.
Гидроэлектроэнергия с гидроаккумулированием позволяет экономить энергию из прерывистых источников (таких как солнечная энергия , ветер ) и других возобновляемых источников энергии или избыточную электроэнергию из источников постоянной базовой нагрузки (таких как уголь или ядерная энергия) в периоды более высокого спроса. [1] [2] Водохранилища, используемые для гидроаккумулирования, довольно малы по сравнению с обычными плотинами гидроэлектростанций аналогичной мощности, а период генерации часто составляет менее половины дня.
Насосное хранилище на сегодняшний день является самой большой из доступных форм хранения энергии в сети, и по состоянию на 2020 год глобальная база данных по хранению энергии Министерства энергетики США сообщает, что на PSH приходится около 95% всех активных гусеничных установок хранения во всем мире, с общая установленная пропускная способность более 181 ГВт , из которых около 29 ГВт в США, и общая установленная мощность более 1,6 ТВтч , из которых около 250 ГВт в США. [3] Энергоэффективность PSH в обе стороны варьируется от 70% до 80%, [4] [5] [6] [7] с некоторыми источниками, заявляющими до 87%. [8]Основным недостатком PSH является специализированный характер требуемого участка, требующий как географической высоты, так и наличия воды. Таким образом, подходящие участки, вероятно, будут находиться в холмистых или горных районах и, возможно, в районах с красивой природой, что делает PSH уязвимым для социальных и экологических проблем. Многие недавно предложенные проекты, по крайней мере, в США, избегают очень уязвимых или живописных районов, а некоторые предлагают воспользоваться «заброшенными» местами, такими как заброшенные шахты. [9]
В периоды низкого спроса на электроэнергию избыточные генерирующие мощности используются для закачки воды в верхний резервуар. При повышенном спросе вода сбрасывается обратно в нижний резервуар через турбину , вырабатывающую электроэнергию. Реверсивные агрегаты турбины/генератора действуют как комбинированный блок насоса и турбогенератора (обычно конструкция турбины Фрэнсиса ). [10] Работа с переменной скоростью еще больше оптимизирует эффективность работы гидроаккумулирующих гидроэлектростанций. [11] [12] В приложениях микро-PSH группа насосов и насос-турбина (PAT) могут быть реализованы соответственно для насосной и генерирующей фаз. [13]Один и тот же насос можно использовать в обоих режимах, изменяя направление вращения и скорость: [13] рабочая точка при откачке обычно отличается от рабочей точки в режиме PAT.
В системах с открытым контуром чистые гидроаккумулирующие установки хранят воду в верхнем резервуаре без естественного притока, в то время как гидроаккумулирующие установки используют комбинацию гидроаккумулирующих и обычных гидроэлектростанций с верхним резервуаром, который частично пополняется за счет естественного притока из ручей или река. Установки, не использующие гидроаккумулирующие установки, называются обычными гидроэлектростанциями; обычные гидроэлектростанции, обладающие значительной аккумулирующей способностью, могут играть в электрической сети ту же роль, что и гидроаккумулирующие, за счет отсрочки выдачи до тех пор, пока она не понадобится.
С учетом потерь на испарение с открытой водной поверхности и потерь на преобразование может быть достигнута рекуперация энергии 70–80 % и более. [14] Этот метод в настоящее время является наиболее рентабельным способом хранения больших объемов электроэнергии, но капитальные затраты и наличие подходящей географии являются решающими факторами при выборе площадки для гидроаккумулирующих электростанций.
Относительно низкая плотность энергии гидроаккумулирующих систем требует больших потоков и/или больших перепадов высот между резервуарами. Единственный способ сохранить значительное количество энергии — это разместить большой водоем относительно близко, но как можно выше над вторым водоемом. В одних местах это происходит естественным образом, в других один или оба водоема созданы руками человека. Проекты, в которых оба водохранилища являются искусственными и в которых нет естественного притока ни к одному из водохранилищ, называются системами «замкнутого цикла». [15]
Эти системы могут быть экономичными, потому что они сглаживают колебания нагрузки в энергосистеме, позволяя тепловым электростанциям, таким как угольные электростанции и атомные электростанции , которые обеспечивают базовую нагрузку электроэнергией, продолжать работать с максимальной эффективностью, уменьшая при этом потребность в «пиковом режиме». «электростанции, которые используют те же виды топлива, что и многие тепловые электростанции с базовой нагрузкой, газ и нефть, но были разработаны с учетом гибкости, а не максимальной эффективности. Следовательно, гидроаккумулирующие системы имеют решающее значение при координации больших групп гетерогенных генераторов . Капитальные затраты на гидроаккумулирующие электростанции относительно высоки, хотя это несколько компенсируется их доказанным длительным сроком службы, составляющим десятилетия, а в некоторых случаях и более столетия [16] [17] .что в три-пять раз дольше, чем аккумуляторы общего назначения. Когда цены на электроэнергию становятся отрицательными , операторы насосных гидроэлектростанций могут заработать дважды: «покупая» электроэнергию для перекачки воды в верхний водохранилище по отрицательным спотовым ценам и снова продавая электроэнергию в более позднее время, когда цены высоки.
Наряду с управлением энергопотреблением гидроаккумулирующие системы помогают контролировать частоту электрической сети и обеспечивают резервную генерацию. Тепловые станции в гораздо меньшей степени способны реагировать на внезапные изменения спроса на электроэнергию, что может привести к нестабильности частоты и напряжения . Гидроаккумулирующие установки, как и другие гидроэлектростанции, могут реагировать на изменения нагрузки в течение нескольких секунд.
Наиболее важным применением гидроаккумулирования традиционно было балансирование силовых установок с базовой нагрузкой, но его также можно использовать для уменьшения колебаний выходной мощности прерывистых источников энергии . Аккумулирующая система обеспечивает нагрузку в периоды высокой выработки электроэнергии и низкого спроса на электроэнергию, обеспечивая дополнительную пиковую мощность системы. В некоторых юрисдикциях цены на электроэнергию могут быть близки к нулю или иногда отрицательными в тех случаях, когда имеется больше электроэнергии, чем имеется нагрузка для ее поглощения; хотя в настоящее время это редко связано только с ветровой или солнечной энергией, усиление ветровой и солнечной энергии повысит вероятность таких явлений. [ нужна цитата] Вполне вероятно, что гидроаккумулирование станет особенно важным в качестве баланса для крупномасштабной фотоэлектрической генерации. [18] Увеличение пропускной способности передачи на большие расстояния в сочетании со значительными объемами накопления энергии станет важной частью регулирования любого крупномасштабного развертывания прерывистых возобновляемых источников энергии. [19] Высокое проникновение ненадежной возобновляемой электроэнергии в некоторых регионах обеспечивает 40% годового производства, но 60% может быть достигнуто до того, как потребуется дополнительное хранение. [20] [21] [22]
Меньшие гидроаккумулирующие электростанции не могут обеспечить такой же эффект масштаба , как более крупные, но некоторые из них существуют, в том числе недавний проект мощностью 13 МВт в Германии. Shell Energy предложила проект мощностью 5 МВт в штате Вашингтон. Некоторые предлагали небольшие гидроаккумулирующие установки в зданиях, хотя они еще не экономичны. [23] Кроме того, большие водоемы трудно вписать в городской ландшафт. [23] Тем не менее, некоторые авторы считают технологическую простоту и безопасность водоснабжения важными внешними факторами . [23]
Первое использование гидроаккумулятора было в 1907 году в Швейцарии , на гидроаккумуляторе Engeweiher недалеко от Шаффхаузена, Швейцария. [24] [25] В 1930-х годах стали доступны обратимые гидроэлектростанции. Эти турбины могли работать как в качестве турбогенераторов, так и, наоборот, в качестве насосов с электродвигателем. Последними в крупномасштабных инженерных технологиях являются машины с регулируемой скоростью для большей эффективности. Эти машины работают синхронно с частотой сети при генерации, но работают асинхронно (независимо от частоты сети) при перекачке.
Первое использование гидроаккумулирующих насосов в Соединенных Штатах было в 1930 году компанией Connecticut Electric and Power Company с использованием большого резервуара, расположенного недалеко от Нью-Милфорда, штат Коннектикут, для перекачки воды из реки Хаусатоник в резервуар для хранения на высоте 70 метров (230 футов). . [26]
В 2009 г. мировая мощность гидроаккумулирующих электростанций составляла 104 ГВт [27] , в то время как другие источники утверждают, что она составляет 127 ГВт, что составляет подавляющее большинство всех типов энергоаккумуляторов общего назначения. [28] ЕС имел 38,3 ГВт чистой мощности ( 36,8% мировой мощности) из 140 ГВт гидроэнергии, что составляет 5% от общей чистой электрической мощности в ЕС. У Японии была чистая мощность 25,5 ГВт (24,5% мировой мощности). [27]
В 2010 г. в США было 21,5 ГВт гидроаккумулирующих мощностей (20,6% мировых мощностей). [29] PSH произвела 21 073 ГВтч энергии в 2020 году в Соединенных Штатах, но -5 321 ГВтч (нетто), потому что при перекачке потребляется больше энергии, чем вырабатывается. [30] Паспортная мощность гидроаккумулирующих мощностей выросла до 21,6 ГВт к 2014 г., при этом гидроаккумулирующие мощности составляли 97 % аккумулирующих энергоресурсов в масштабе сети в США. По состоянию на конец 2014 года на всех этапах процесса лицензирования FERC для новых гидроаккумулирующих электростанций в Соединенных Штатах было 51 активное проектное предложение общей мощностью 39 ГВт новой паспортной мощности, но в настоящее время в США не строится ни одна новая электростанция. США того времени. [31] [32]
Ниже перечислены пять крупнейших действующих гидроаккумулирующих электростанций (подробный список см. В разделе «Список гидроаккумулирующих электростанций» ) :
Станция | Страна | Расположение | Максимальная генерирующая мощность ( МВт ) | Емкость хранилища ( ГВтч ) | ссылки |
---|---|---|---|---|---|
ГАЭС Фэннин | Китай | 41 ° 39'58 "с.ш. 116 ° 31'44" в.д. / 41,66611 ° с.ш. 116,52889 ° в.д. / 41,66611; 116.52889 ( ГАЭС Фэннин ) | 3600 | аб. 40 | [33] |
Гидроаккумулирующая станция округа Бат | Соединенные Штаты | 38 ° 12'32 "с.ш. 79 ° 48'00" з.д. / 38,20889 ° с.ш. 79,80000 ° з.д. / 38.20889; -79,80000 ( Гидроаккумулирующая станция округа Бат ) | 3003 | 24 | [34] |
Гидроаккумулирующая электростанция провинции Гуандун | Китай | 23 ° 45'52 "с.ш. 113 ° 57'12" в.д. / 23,76444 ° с.ш. 113,95333 ° в.д. / 23,76444; 113.95333 ( Гуанчжоуская гидроаккумулирующая электростанция ) | 2400 | [35] [36] | |
Гидроаккумулирующая электростанция Хуэйчжоу | Китай | 23 ° 16'07 "с.ш. 114 ° 18'50" в.д. / 23,26861 ° с.ш. 114,31389 ° в.д. / 23.26861; 114.31389 ( Гидроаккумулирующая электростанция Хуэйчжоу ) | 2400 | [37] [38] [39] [40] | |
Аккумулирующая электростанция Окутатараги | Япония | 35 ° 14'13 "с.ш. 134 ° 49'55" в.д. / 35,23694 ° с.ш. 134,83194 ° в.д. / 35.23694; 134.83194 ( Гидроэлектростанция Окутатараги ) | 1932 | [41] | |
Лудингтонская ГАЭС | Соединенные Штаты | 43 ° 53'37 "с.ш. 86 ° 26'43" з.д. / 43,89361 ° с.ш. 86,44528 ° з.д. / 43,89361; -86,44528 ( ГАЭС Лудингтон ) | 1872 | [42] [43] | |
Примечание: в этой таблице указана генерирующая мощность в мегаваттах, как обычно для электростанций. Однако общая емкость хранения энергии в мегаватт-часах (МВтч) является другим внутренним свойством и не может быть получена из приведенных выше цифр. |
Страна | Гидроаккумулирующая генерирующая мощность ( ГВт ) | Суммарная установленная генерирующая мощность ( ГВт ) [45] | Гидроаккумулирующая/ общая генерирующая мощность |
---|---|---|---|
Китай | 32,0 | 1646,0 | 1,9% |
Япония | 28,3 | 322,2 | 8,8% |
Соединенные Штаты | 22,6 | 1074,0 | 2,1% |
Испания | 8,0 | 106,7 | 7,5% |
Италия | 7.1 | 117,0 | 6,1% |
Индия | 6,8 | 308,8 | 2,2% |
Германия | 6,5 | 204.1 | 3,2% |
Швейцария | 6.4 | 19,6 | 32,6% |
Франция | 5,8 | 129,3 | 4,5% |
Австрия | 4.7 | 25,2 | 18,7% |
Южная Корея | 4.7 | 103,0 | 4,6% |
Португалия | 3,5 | 19,6 | 17,8% |
Украина | 3.1 | 56,9 | 5,4% |
Южная Африка | 2,9 | 56,6 | 5,1% |
Соединенное Королевство | 2,8 | 94,6 | 3,0% |
Австралия | 2,6 | 67,0 | 3,9% |
Россия | 2.2 | 263,5 | 0,8% |
Польша | 1,7 | 37,3 | 4,6% |
Таиланд | 1,4 | 41,0 | 3,4% |
Болгария | 1,4 | 12,5 | 9,6% |
Бельгия | 1,2 | 21,2 | 5,7% |
В июне 2018 года федеральное правительство Австралии объявило, что на Тасмании было определено 14 площадок для гидроаккумулирующих гидроэлектростанций с потенциалом добавления 4,8 ГВт к национальной энергосистеме, если будет построен второй соединительный кабель под проливом Басса.
Утверждения были получены для проекта Snowy 2.0, который соединит две существующие плотины в Снежных горах Нового Южного Уэльса, чтобы обеспечить мощность 2000 МВт и емкость хранения 350 000 МВтч. [46]
Обычные плотины гидроэлектростанций также могут использовать гидроаккумуляторы в гибридной системе, которая одновременно вырабатывает энергию из воды, естественно поступающей в водохранилище, а также накапливает воду, перекачиваемую обратно в водохранилище из-под плотины. Плотина Гранд-Кули в Соединенных Штатах была расширена за счет системы обратной откачки в 1973 году. [47] Существующие плотины могут быть модернизированы с помощью реверсивных турбин, что продлит время, в течение которого электростанция может работать на полную мощность. При желании к плотине может быть добавлена насосная электростанция, такая как плотина Рассела (1992 г.) для увеличения генерирующей мощности. Использование верхнего резервуара существующей плотины и системы передачи может ускорить реализацию проектов и снизить затраты.
В январе 2019 года Государственная электросетевая корпорация Китая объявила о планах инвестировать 5,7 млрд долларов США в пять гидроаккумулирующих электростанций общей мощностью 6 ГВт, которые будут расположены в провинциях Хэбэй, Цзилинь, Чжэцзян, Шаньдун и в Синьцзянском автономном районе. Китай стремится построить 40 ГВт гидроэлектростанций к 2020 году. [48]
Насосные гидроаккумулирующие установки могут работать с морской водой, хотя существуют дополнительные проблемы по сравнению с использованием пресной воды, такие как коррозия в соленой воде и рост ракушек. [49] Открытая в 1966 году приливная электростанция Ранс мощностью 240 МВт во Франции может частично работать как гидроаккумулирующая станция. Когда приливы случаются в непиковые часы, турбины можно использовать для закачки в водохранилище большего количества морской воды, чем могло бы попасть естественным образом во время прилива. Это единственная крупномасштабная электростанция в своем роде.
В 1999 году проект Янбару мощностью 30 МВт на Окинаве стал первой демонстрацией аккумулирования морской воды. С тех пор он был выведен из эксплуатации. Проект гидроаккумулирования Ланаи на морской воде мощностью 300 МВт был рассмотрен для Ланаи, Гавайи, и проекты на основе морской воды были предложены в Ирландии. [50] Пара предлагаемых проектов в пустыне Атакама на севере Чили будет использовать 600 МВт фотоэлектрических солнечных батарей (Небеса Тарапаки) вместе с 300 МВт гидроаккумулирующих батарей (Зеркало Тарапаки), поднимающих морскую воду на 600 метров (2000 футов) вверх по прибрежной полосе. утес. [51] [52]
Исследовано использование подземных резервуаров. [53] Недавние примеры включают предлагаемый проект Summit в Нортоне, штат Огайо , предлагаемый проект Maysville в Кентукки (подземная известняковая шахта) и проект Mount Hope в Нью-Джерси , который должен был использовать бывший железный рудник в качестве нижнего резервуара. Предлагаемое хранилище энергии на объекте Каллио в Пюхяярви ( Финляндия ) будет использовать самую глубокую шахту цветных металлов в Европе с перепадом высот 1450 метров (4760 футов). [54]Было предложено несколько новых проектов подземных насосных хранилищ. Оценки затрат на киловатт для этих проектов могут быть ниже, чем для наземных проектов, если они используют существующее подземное шахтное пространство. Возможности использования подходящего подземного пространства ограничены, но количество возможностей подземного гидроаккумулирующего хранилища может увеличиться, если заброшенные угольные шахты окажутся подходящими. [55]
В Бендиго , Виктория, Австралия, Bendigo Sustainability Group предложила использовать старые золотые рудники под Бендиго для хранения гидроэнергии с помощью насосов. [56] Бендиго имеет наибольшую концентрацию глубоких стволов твердых рудников в мире с более чем 5000 стволов, затопленных под Бендиго во второй половине 19-го века. Самая глубокая шахта простирается на 1406 метров по вертикали под землей. Недавнее предварительное технико-экономическое обоснование показало жизнеспособность концепции при генерирующей мощности 30 МВт и времени работы 6 часов при напоре воды более 750 метров.
Американский стартап Quidnet Energy изучает возможность использования заброшенных нефтяных и газовых скважин для гидроаккумулирования. В случае успеха они надеются использовать многие или большую часть из 3 миллионов заброшенных скважин в США. [57] [58]
Небольшие (или микро) приложения для гидроаккумулирования могут быть построены на ручьях и в инфраструктурах, таких как сети питьевой воды [59] и инфраструктура искусственного оснежения. В связи с этим бассейн ливневых стоков был конкретно реализован как экономически эффективное решение для водохранилища в гидроаккумуляторе с микронасосами. [13] Такие электростанции обеспечивают распределенное хранение энергии и распределенное гибкое производство электроэнергии и могут способствовать децентрализованной интеграции прерывистых технологий возобновляемой энергии, таких как энергия ветра и солнечная энергия . Водохранилища, которые можно использовать для малых гидроаккумулирующих электростанций, могут включать:[60] естественные или искусственные озера, резервуары внутри других сооружений, таких как ирригационные сооружения, или неиспользуемые части шахт или подземных военных сооружений. В одном из исследований в Швейцарии было высказано предположение, что общая установленная мощность малых гидроаккумулирующих электростанций в 2011 году может быть увеличена в 3–9 раз за счет предоставления адекватных политических инструментов . [60]
В марте 2017 года исследовательский проект StEnSea (Storing Energy at Sea) объявил об успешном завершении четырехнедельных испытаний подводного резервуара с насосным хранилищем. В этой конфигурации полая сфера, погруженная в воду и закрепленная на большой глубине, действует как нижний резервуар, а верхний резервуар представляет собой объемлющую массу воды. Электричество вырабатывается, когда вода подается через реверсивную турбину, встроенную в сферу. В непиковые часы турбина меняет направление и снова откачивает воду, используя «лишнюю» электроэнергию из сети. Количество энергии, создаваемой при впуске воды, растет пропорционально высоте столба воды над сферой, другими словами: чем глубже расположена сфера, тем плотнее она может запасать энергию.гравитационной энергии в традиционном смысле, а скорее изменением вертикального давления .
В то время как испытания StEnSea проводились на глубине 100 м в пресноводном Боденском озере , предполагается, что технология будет использоваться в соленой воде на больших глубинах. Поскольку для затопленного резервуара требуется только соединительный электрический кабель, глубина, на которой он может использоваться, ограничена только глубиной, на которой может работать турбина, которая в настоящее время ограничена 700 м. Задача проектирования гидроаккумулирующего хранилища соленой воды в такой подводной конфигурации дает ряд преимуществ:
Текущий коммерческий проект со сферой с внутренним диаметром 30 м, погруженной на глубину 700 м, соответствует мощности 20 МВтч, что с турбиной мощностью 5 МВт приведет к 4-часовому времени разряда. Энергетический парк с несколькими такими резервуарами приведет к тому, что стоимость хранения составит около нескольких евроцентов за кВтч, а затраты на строительство и оборудование будут в диапазоне от 1200 до 1400 евро за кВт. Чтобы избежать чрезмерных затрат и потерь при передаче, резервуары следует размещать у глубоководных побережий густонаселенных районов, таких как Норвегия, Испания, США и Япония. С этим ограничением концепция позволит хранить по всему миру около 900 ГВтч электроэнергии. [61] [62]
Для сравнения, традиционному гидроаккумулирующему хранилищу с гравитационным насосом, способному хранить 20 МВтч в водохранилище размером с 30-метровую сферу, потребуется гидравлический напор 519 м, а высота, охваченная водопроводом под давлением , обычно требует холма или горы. для поддержки.
Используя систему гидроаккумулирования, состоящую из цистерн и небольших генераторов, пикогидросистема также может быть эффективна для домашних систем производства энергии с «замкнутым контуром». [63] [64]
С помощью гидравлического разрыва пласта давление может храниться под землей в таких пластах, как сланцы. Используемый сланец не содержит углеводородов. [65]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список редакторов ( ссылка )Шухт говорит, что в регионе, в котором он работает, 42 процента энергоснабжения (по мощности, а не по мощности) приходится на энергию ветра и солнца — примерно столько же, сколько в Южной Австралии.
Шухт считает, что интеграция от 60 до 70 процентов переменной возобновляемой энергии — только ветра и солнца — может быть реализована на немецком рынке без необходимости дополнительного хранения.
Кроме того, потребуется хранилище.
В энергетической отрасли существует определенное количество мифов. Один из них заключается в том, что нам нужно больше гибкости в системе для интеграции возобновляемых источников энергии. , такие как хранение энергии, отключаемые нагрузки или резервные электростанции. Это миф. Мы находимся на правильном пути к созданию системы, которая может использовать 70-80% возобновляемой энергии без необходимости дополнительных вариантов гибкости.