Гидроаккумулирующая электростанция ( PSH ) или гидроаккумулирующая электростанция ( PHES ) — это тип гидроаккумулирующей энергии, используемой электроэнергетическими системами для балансировки нагрузки . Система PHS хранит энергию в форме гравитационной потенциальной энергии воды, перекачиваемой из резервуара с более низкой высотой на более высокую. Для работы насосов обычно используется недорогая избыточная электроэнергия вне пикового периода. В периоды высокого спроса на электроэнергию накопленная вода выпускается через турбины для выработки электроэнергии.
Гидроаккумулирующая электростанция позволяет сохранять энергию из непостоянных источников (таких как солнечная , ветровая и другие возобновляемые источники) или избыточную электроэнергию из постоянных источников базовой нагрузки (таких как уголь или атомная энергия) для периодов более высокого спроса. [1] [2] Водохранилища, используемые с гидроаккумулирующей электростанцией, могут быть довольно небольшими по сравнению с озерами обычных гидроэлектростанций аналогичной мощности, а периоды генерации часто составляют менее половины дня.
Круговая эффективность PSH варьируется от 70% до 80%. Хотя потери в процессе перекачки делают завод чистым потребителем энергии в целом, система увеличивает доход, продавая больше электроэнергии в периоды пикового спроса , когда цены на электроэнергию самые высокие. Если верхнее озеро собирает значительное количество осадков или питается рекой, то завод может быть чистым производителем энергии, как традиционная гидроэлектростанция.
Гидроаккумулирование на сегодняшний день является самой мощной формой сетевого хранения энергии , и по состоянию на 2020 год [обновлять]на его долю приходится около 95% всех активных установок хранения в мире, с общей установленной пропускной способностью более 181 ГВт и общей установленной емкостью хранения более 1,6 ТВт·ч . [3]
Гидроаккумулирующая электростанция обычно состоит из двух водохранилищ на разной высоте, соединенных друг с другом. В периоды низкого спроса на электроэнергию избыточная генерирующая мощность используется для перекачки воды в верхний резервуар. Когда спрос выше, вода сбрасывается обратно в нижний резервуар через турбину , вырабатывая электроэнергию. Гидроаккумулирующие электростанции обычно используют обратимые узлы турбины/генератора, которые могут действовать как в качестве насоса, так и в качестве турбогенератора (обычно конструкции турбины Фрэнсиса ). [4] Работа с переменной скоростью дополнительно оптимизирует эффективность кругового цикла в гидроаккумулирующих электростанциях. [5] [6] В приложениях micro-PSH группа насосов и насос как турбина (PAT) могут быть реализованы соответственно для фаз перекачки и генерации. [7] Один и тот же насос может использоваться в обоих режимах путем изменения направления вращения и скорости: [7] рабочая точка при перекачке обычно отличается от рабочей точки в режиме PAT.
В системах с замкнутым контуром чистые насосные станции хранят воду в верхнем резервуаре без естественного притока, в то время как насосные станции используют комбинацию насосного хранения и обычных гидроэлектростанций с верхним резервуаром, который частично пополняется естественным притоком из ручья или реки. Станции, которые не используют насосное хранение, называются обычными гидроэлектростанциями; обычные гидроэлектростанции, которые имеют значительную емкость хранения, могут играть аналогичную роль в электросети, как и насосное хранение, если они соответствующим образом оборудованы.
Принимая во внимание потери на преобразование и потери на испарение с открытой поверхности воды, можно достичь рекуперации энергии в размере 70–80% и более. [8] [9] [10] [11] [12] В настоящее время этот метод является наиболее экономически эффективным способом хранения больших объемов электроэнергии, но капитальные затраты и необходимость соответствующего географического положения являются решающими факторами при выборе мест для гидроаккумулирующих электростанций.
Относительно низкая плотность энергии в системах гидроаккумулирования требует либо больших потоков, либо большой разницы в высоте между резервуарами. Единственный способ хранить значительное количество энергии — иметь большой водоем, расположенный относительно близко, но как можно выше над вторым водоемом. В некоторых местах это происходит естественным образом, в других один или оба водоема были созданы человеком. Проекты, в которых оба водоема являются искусственными и в которых нет естественного притока ни в один из резервуаров, называются системами «замкнутого цикла». [13]
Эти системы могут быть экономичными, поскольку они сглаживают колебания нагрузки в электросети, позволяя тепловым электростанциям, таким как угольные электростанции и атомные электростанции , которые обеспечивают базовую нагрузку, продолжать работать с максимальной эффективностью, одновременно снижая потребность в «пиковых» электростанциях, которые используют то же топливо, что и многие базовые тепловые электростанции, газ и нефть, но были разработаны для гибкости, а не максимальной эффективности. Следовательно, системы гидроаккумулирования имеют решающее значение при координации больших групп гетерогенных генераторов . Капитальные затраты на гидроаккумулирующие электростанции относительно высоки, хотя это несколько смягчается их доказанным длительным сроком службы в десятилетия - а в некоторых случаях более столетия, [14] [15], что в три-пять раз дольше, чем у батарей коммунального масштаба. Когда цены на электроэнергию становятся отрицательными , операторы гидроаккумулирующих электростанций могут заработать дважды - при «покупке» электроэнергии для перекачки воды в верхний резервуар по отрицательным спотовым ценам и снова при продаже электроэнергии в более позднее время, когда цены высоки.
Наряду с управлением энергопотреблением, гидроаккумулирующие системы помогают стабилизировать частоту электрической сети и обеспечивать резервную генерацию. Тепловые электростанции гораздо менее способны реагировать на внезапные изменения в потреблении электроэнергии, которые потенциально вызывают нестабильность частоты и напряжения . Гидроаккумулирующие электростанции, как и другие гидроэлектростанции, могут реагировать на изменения нагрузки в течение нескольких секунд.
Наиболее важным применением гидроаккумулирующих электростанций традиционно было балансирование базовой нагрузки электростанций, но они также могут использоваться для смягчения колебаний выходной мощности непостоянных источников энергии . Гидроаккумулирующие электростанции обеспечивают 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 случаях, когда доступно больше электроэнергии, чем доступна нагрузка для ее поглощения. Хотя в настоящее время это редко происходит из-за только ветровой или солнечной энергии, более широкое использование такой генерации увеличит вероятность таких случаев. [ необходима цитата ]
Вполне вероятно, что гидроаккумулирование станет особенно важным в качестве баланса для очень крупномасштабной фотоэлектрической и ветровой генерации. [16] Увеличение пропускной способности на большие расстояния в сочетании со значительными объемами хранения энергии будет играть решающую роль в регулировании любого крупномасштабного развертывания прерывистых возобновляемых источников энергии. [17] Высокое негарантированное проникновение возобновляемой электроэнергии в некоторых регионах обеспечивает 40% годового производства, но 60% может быть достигнуто до того, как потребуется дополнительное хранение. [18] [19] [20]
Меньшие гидроаккумулирующие станции не могут достичь той же экономии масштаба , что и более крупные, но некоторые существуют, включая недавний проект мощностью 13 МВт в Германии. Shell Energy предложила проект мощностью 5 МВт в штате Вашингтон. Некоторые предложили небольшие гидроаккумулирующие станции в зданиях, хотя они пока неэкономичны. [21] Кроме того, трудно вписать большие водохранилища в городской ландшафт (а колеблющийся уровень воды может сделать их непригодными для использования в рекреационных целях). [21] Тем не менее, некоторые авторы отстаивают технологическую простоту и безопасность водоснабжения как важные внешние факторы . [21]
Основным требованием для PSH является холмистая местность. Глобальный атлас гидроаккумулирующих установок [22] перечисляет более 800 000 потенциальных участков по всему миру с общим хранилищем 86 миллионов ГВт-ч (что эквивалентно эффективному хранению примерно в 2 триллионах аккумуляторов электромобилей), что примерно в 100 раз больше, чем необходимо для поддержки 100% возобновляемой электроэнергии. Большинство из них представляют собой замкнутые системы вдали от рек. Районы с естественной красотой и новые плотины на реках можно обойти из-за очень большого количества потенциальных участков. Некоторые проекты используют существующие водохранилища (названные «bluefield»), такие как схема Snowy 2.0 мощностью 350 ГВт-ч [23], строящаяся в Австралии. Некоторые недавно предложенные проекты предлагают использовать преимущества «brownfield» мест, таких как заброшенные шахты, такие как проект Kidston [24], строящийся в Австралии. [25]
Потребности в воде для PSH невелики: [26] около 1 гигалитра исходной воды на гигаватт-час хранения. Эта вода перерабатывается вверх и вниз между двумя водохранилищами в течение многих десятилетий, но потери от испарения (помимо того, что обеспечивают осадки и любой приток из местных водотоков) должны быть восполнены. Потребности в земле также невелики: около 10 гектаров на гигаватт-час хранения, [26] что намного меньше, чем земля, занимаемая солнечными и ветряными электростанциями, которые может поддерживать хранилище. Замкнутый контур (внеречное) гидроаккумулирующего хранилища имеет самые маленькие выбросы углерода [27] на единицу хранения из всех кандидатов на крупномасштабное хранение энергии.
Гидроаккумулирующие станции могут работать на морской воде, хотя по сравнению с использованием пресной воды существуют дополнительные проблемы, такие как коррозия соленой водой и рост ракушек. [28] Открытая в 1966 году приливная электростанция Rance мощностью 240 МВт во Франции может частично работать как гидроаккумулирующая станция. Когда приливы случаются в непиковые часы, турбины могут использоваться для перекачивания большего количества морской воды в резервуар, чем прилив мог бы принести естественным образом. Это единственная крупномасштабная электростанция такого рода.
В 1999 году проект Yanbaru мощностью 30 МВт на Окинаве стал первой демонстрацией гидроаккумулирования морской воды. С тех пор он был выведен из эксплуатации. Проект гидроаккумулирования морской воды Lanai мощностью 300 МВт рассматривался для Ланаи, Гавайи, а проекты на основе морской воды были предложены в Ирландии. [29] Пара предлагаемых проектов в пустыне Атакама на севере Чили будет использовать 600 МВт фотоэлектрической солнечной энергии (Skies of Tarapacá) вместе с гидроаккумулированием морской воды мощностью 300 МВт (Mirror of Tarapacá), поднимая морскую воду на 600 метров (2000 футов) вверх по прибрежному утесу. [30] [31]
Пресная вода из речных разливов хранится в морской зоне, заменяя морскую воду путем строительства прибрежных водохранилищ . Сохраненная речная вода перекачивается на возвышенности путем строительства ряда насыпных каналов и гидроаккумулирующих станций с целью хранения энергии, орошения, промышленности, муниципального хозяйства, восстановления чрезмерно эксплуатируемых рек и т. д. Эти многоцелевые проекты прибрежных водохранилищ предлагают огромный гидроаккумулирующий потенциал для использования переменной и прерывистой солнечной и ветровой энергии, которые являются углеродно-нейтральными, чистыми и возобновляемыми источниками энергии. [32]
Было исследовано использование подземных резервуаров. [33] Недавние примеры включают предложенный проект Summit в Нортоне, штат Огайо , предложенный 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 участке Callio в Пюхяярви ( Финляндия ) будет использовать самую глубокую шахту по добыче цветных металлов в Европе с перепадом высот 1450 метров (4760 футов). [34] Было предложено несколько новых проектов подземного гидроаккумулирования. Оценки стоимости за киловатт для этих проектов могут быть ниже, чем для поверхностных проектов, если они используют существующее подземное шахтное пространство. Существуют ограниченные возможности, связанные с подходящим подземным пространством, но количество возможностей подземного гидроаккумулирования может увеличиться, если заброшенные угольные шахты окажутся подходящими. [35]
В Бендиго , Виктория, Австралия, Bendigo Sustainability Group предложила использовать старые золотые рудники под Бендиго для хранения гидроаккумулирующей энергии. [36] В Бендиго самая большая концентрация глубоких шахт с твердыми породами в мире: более 5000 шахт были пробурены под Бендиго во второй половине 19-го века. Самая глубокая шахта простирается на 1406 метров вертикально под землей. Недавнее предварительное технико-экономическое обоснование показало, что концепция жизнеспособна с генерирующей мощностью 30 МВт и временем работы 6 часов с использованием напора воды более 750 метров.
Американский стартап Quidnet Energy изучает возможность использования заброшенных нефтяных и газовых скважин для гидроаккумулирования. В случае успеха они надеются расширить масштабы, используя некоторые из 3 миллионов заброшенных скважин в США. [37] [38]
Используя гидравлический разрыв пласта, давление может храниться под землей в непроницаемых слоях, таких как сланец. [39] Используемый сланец не содержит углеводородов. [40]
Малые (или микро) приложения для гидроаккумулирования могут быть построены на ручьях и в пределах инфраструктур, таких как сети питьевого водоснабжения [41] и инфраструктуры искусственного оснежения. В этой связи, бассейн ливневой воды был конкретно реализован как экономически эффективное решение для водохранилища в микронасосном гидроаккумулировании энергии. [7] Такие установки 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 могут быть использованы для малых гидроаккумулирующих электростанций, могут включать [42] естественные или искусственные озера, водохранилища в других структурах, таких как орошение, или неиспользуемые части шахт или подземных военных сооружений. В Швейцарии одно исследование показало, что общая установленная мощность малых гидроаккумулирующих электростанций в 2011 году может быть увеличена в 3–9 раз за счет предоставления адекватных политических инструментов . [42]
Используя систему гидроаккумулирования с цистернами и небольшими генераторами, пико-гидроэлектростанции также могут быть эффективны для «замкнутых» систем генерации энергии для дома. [43] [44]
В марте 2017 года исследовательский проект StEnSea (Storing Energy at Sea) объявил об успешном завершении четырехнедельного испытания подводного резервуара с насосным хранением. В этой конфигурации полая сфера, погруженная и закрепленная на большой глубине, действует как нижний резервуар, в то время как верхний резервуар является вмещающим водоемом. Электричество создается, когда вода поступает через реверсивную турбину, встроенную в сферу. В часы пониженной нагрузки турбина меняет направление и снова выкачивает воду, используя «излишки» электроэнергии 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 хранить энергию. Таким образом, емкость хранения энергии подводного резервуара регулируется не гравитационной энергией в традиционном смысле, а вертикальным изменением давления .
RheEnergise [45] стремится повысить эффективность гидроаккумулирования за счет использования жидкости, которая в 2,5 раза плотнее воды («тонкоизмельченное взвешенное вещество в воде» [46] ), так что «проекты могут быть в 2,5 раза меньше при той же мощности». [47]
Первое использование гидроаккумулирования было в 1907 году в Швейцарии , на гидроаккумулирующей станции Engeweiher около Шаффхаузена, Швейцария. [48] [49] В 1930-х годах стали доступны обратимые гидроэлектрические турбины. Этот аппарат мог работать как в качестве турбогенераторов, так и в обратном направлении как насосы с электродвигателем. Последней новинкой в крупномасштабной инженерной технологии являются машины с переменной скоростью для большей эффективности. Эти машины работают синхронно с частотой сети при генерации, но работают асинхронно (независимо от частоты сети) при перекачке.
Первое использование гидроаккумулирования в Соединенных Штатах было в 1930 году компанией Connecticut Electric and Power Company, которая использовала большой резервуар, расположенный недалеко от Нью-Милфорда, штат Коннектикут, перекачивая воду из реки Хаусатоник в резервуар для хранения на 70 метров (230 футов) выше. [50]
В 2009 году мировая мощность гидроаккумулирования составляла 104 ГВт , [51] в то время как другие источники утверждают о 127 ГВт, что составляет подавляющее большинство всех типов электроаккумулирования коммунального класса. [52] Европейский союз имел 38,3 ГВт чистой мощности (36,8% мировой мощности) из общего количества 140 ГВт гидроэнергии, что составляет 5% от общей чистой электрической мощности в ЕС. Япония имела 25,5 ГВт чистой мощности (24,5% мировой мощности). [51]
Ниже перечислены шесть крупнейших действующих гидроаккумулирующих электростанций (подробный список см. в разделе Список гидроаккумулирующих электростанций ) :
В Австралии 15 ГВт гидроаккумулирующих станций находятся в стадии строительства или разработки. Примеры включают:
В июне 2018 года федеральное правительство Австралии объявило, что в Тасмании определены 14 площадок для строительства гидроаккумулирующих электростанций, которые потенциально могут добавить 4,8 ГВт к национальной энергосистеме в случае строительства второго соединительного трубопровода под Бассовым проливом.
Проект Snowy 2.0 соединит две существующие плотины в Снежных горах Нового Южного Уэльса, чтобы обеспечить 2000 МВт мощности и 350 000 МВт-ч хранения. [67]
В сентябре 2022 года было объявлено о проекте строительства гидроаккумулирующей электростанции (PHES) в Пионер-Бердекин в центральном Квинсленде, которая может стать крупнейшей в мире гидроаккумулирующей электростанцией мощностью 5 ГВт.
Китай обладает крупнейшими в мире мощностями гидроаккумулирующей энергетики.
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 гидроаккумулирующих мощностей к 2020 году. [68]
Существует 9 электростанций, способных перекачивать воду, с общей установленной мощностью 1344 МВт и среднегодовым производством 2247 ГВт-ч. Гидроаккумулирующие электростанции в Норвегии построены немного иначе, чем в остальном мире. Они предназначены для сезонной перекачки. Большинство из них также не могут бесконечно перекачивать воду, а только перекачивать и повторно использовать ее один раз. Причиной этого является конструкция туннелей и высота нижних и верхних водохранилищ. Некоторые, как электростанция Нюгард, перекачивают воду из нескольких речных водозаборов в водохранилище.
Самая большая из них, Saurdal, которая является частью комплекса Ulla-Førre , имеет четыре турбины Фрэнсиса мощностью 160 МВт , но только две из них являются реверсивными. Нижний резервуар находится на более высокой высоте, чем сама станция, и, таким образом, закачиваемая вода может быть использована только один раз, прежде чем ей придется перетекать на следующую станцию, Kvilldal, дальше по системе туннелей. И в дополнение к нижнему резервуару, он будет получать воду, которую можно закачивать из 23 рек/ручьев и небольших водозаборов. Некоторые из которых уже прошли через меньшую электростанцию по пути.
В 2010 году в США было 21,5 ГВт генерирующей мощности гидроаккумулирующих электростанций (20,6% от мировой мощности). [69] PSH выработала 21 073 ГВт-ч энергии в 2020 году в США, но -5 321 ГВт-ч (чистой), поскольку при перекачке потребляется больше энергии, чем вырабатывается. [70] Номинальная мощность гидроаккумулирующих электростанций выросла до 21,6 ГВт к 2014 году, при этом гидроаккумулирующие электростанции составляли 97% от общего объема хранения энергии в масштабе сети в США. По состоянию на конец 2014 года насчитывалось 51 активное проектное предложение с общей мощностью 39 ГВт на всех этапах процесса лицензирования FERC для новых гидроаккумулирующих электростанций в США, но в то время в США не строилось ни одной новой станции. [71] [72]
Обычные гидроэлектростанции могут также использовать гидроаккумулирующее хранилище в гибридной системе, которая как генерирует электроэнергию из воды, естественным образом поступающей в водохранилище, так и хранит воду, закачиваемую обратно в водохранилище из-под плотины. Плотина Гранд-Кули в США была расширена с помощью системы обратного насоса в 1973 году. [73] Существующие плотины могут быть переоснащены реверсивными турбинами, тем самым увеличивая продолжительность времени, в течение которого станция может работать на полную мощность. По желанию, к плотине может быть добавлена электростанция с обратным насосом, такая как плотина Рассела (1992), для увеличения генерирующей мощности. Использование верхнего водохранилища и системы передачи существующей плотины может ускорить проекты и сократить расходы.
Шухт говорит, что в регионе, в котором он работает, 42 процента поставок электроэнергии (по выходу, а не по мощности) поступают от ветра и солнца — примерно столько же, сколько в Южной Австралии. Шухт считает, что интеграция 60–70 процентов переменной возобновляемой энергии — только ветра и солнца — может быть реализована на немецком рынке без необходимости в дополнительном хранении. Помимо этого, хранение будет необходимо.
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, таких как накопители энергии, прерываемые нагрузки или резервные электростанции. Это миф. Мы на верном пути к тому, чтобы иметь систему, которая может вместить от 70 до 80% возобновляемой энергии без необходимости в дополнительных вариантах гибкости.
