Накопительная гидроэлектростанция

редактировать
Тип системы накопления электроэнергии с использованием двух резервуаров с водой, соединенных с насосом и турбиной

Схема TVA гидроаккумулятор на гидроаккумулирующей станции Raccoon Mountain в Теннесси, США затененный рельеф топографическая карта гидроаккумулирующей станции Taum Sauk в Миссури. Озеро на горе построено на плоской поверхности, поэтому требуется плотина по всему периметру.

Накопительная гидроэлектроэнергия (PSH ) или гидроаккумулирующая энергия (PHES ), представляет собой тип гидроэнергетики накопителя энергии, используемого электроэнергетическими системами для балансировки нагрузки. В способе накапливается энергия в виде гравитационной потенциальной энергии воды, перекачиваемой из более низкого уровня резервуара на более высокий уровень. Для работы насосов обычно используется недорогая излишняя внепиковая электроэнергия. В периоды высокого потребления электроэнергии накопленная вода выпускается через турбины для производства электроэнергии. Хотя потери в процессе перекачки делают станцию ​​нетто-потребителем энергии в целом, система увеличивает доход за счет продажи большего количества электроэнергии в периоды пикового спроса, когда цены на электроэнергию самые высокие. Если верхнее озеро собирает значительные осадки или питается рекой, тогда станция может быть чистым производителем энергии, как традиционная гидроэлектростанция.

Гидроэлектроэнергия с гидроаккумулятором позволяет получать энергию из прерывистых источников (таких как солнечная, ветровая ) и других возобновляемых источников энергии или избыточное электричество из непрерывной базы. - источники нагрузки (такие как уголь или атомная энергия), которые необходимо сохранить на периоды повышенного спроса. Водохранилища, используемые с гидроаккумулятором, довольно малы по сравнению с обычными плотинами гидроэлектростанций аналогичной мощности, а периоды выработки часто составляют менее половины суток.

Насосные аккумуляторы на сегодняшний день являются наиболее мощной формой сетевых аккумуляторов, и по состоянию на 2020 год Глобальная база данных по хранению энергии Министерства энергетики США сообщает, что на долю PSH приходится около 95% всех активных систем хранения с отслеживанием по всему миру, с общей установленной пропускной способностью более 181 ГВт, из которых около 29 ГВт приходится на США, а общая установленная емкость хранения более 1,6 ТВтч, из которых около 250 ГВт-ч приходится на Соединенные Штаты. Энергоэффективность PSH в оба конца варьируется от 70% до 80%, при этом некоторые источники утверждают, что до 87%. Основным недостатком PSH является специализированный характер необходимого участка, требующий как географической высоты, так и наличия воды. Следовательно, подходящие участки могут быть в холмистых или горных регионах и, возможно, в районах выдающейся природной красоты, что делает PSH уязвимым для социальных и экологических проблем. Многие недавно предложенные проекты, по крайней мере, в США, избегают особо уязвимых или живописных районов, а некоторые предлагают воспользоваться преимуществами «заброшенных» мест, таких как заброшенные шахты.

Содержание

  • 1 Обзор
    • 1.1 Основной принцип
    • 1.2 Типы: естественные или искусственные водоемы
    • 1.3 Экономическая эффективность
      • 1.3.1 Маломасштабные объекты
  • 2 История
  • 3 Мировое использование
  • 4 Плотины обратных гидроэлектростанций
  • 5 Возможные технологии
    • 5.1 Морская вода
    • 5.2 Подземные резервуары
    • 5.3 Децентрализованные системы
    • 5.4 Подводные резервуары
    • 5.5 Домашнее использование
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Обзор

Основной принцип

Распределение мощности в течение дня гидроаккумулирующего объекта. Зеленый цвет обозначает мощность, потребляемую при перекачке; красный - вырабатываемая энергия.

В периоды низкого потребления электроэнергии избыточная генерирующая мощность используется для закачки воды в верхний резервуар. При повышенном спросе вода сбрасывается обратно в нижний резервуар через турбину, вырабатывающую электричество. Реверсивные агрегаты турбина / генератор действуют как комбинированный насос и турбогенератор (обычно конструкция турбины Фрэнсиса ). Работа с регулируемой скоростью дополнительно оптимизирует эффективность двустороннего обхода гидроаккумулирующих установок. В приложениях микро-PSH группа насосов и насос как турбина (PAT) могут быть реализованы соответственно для фаз нагнетания и генерации. Один и тот же насос может использоваться в обоих режимах, изменяя направление вращения и скорость: рабочая точка при перекачивании обычно отличается в зависимости от рабочей точки в режиме PAT.

Типы: естественные или искусственные резервуары

В системах с открытым контуром чистые гидроаккумулирующие установки хранят воду в верхнем резервуаре без естественного притока, в то время как в насосных станциях используется комбинация гидроаккумулирующих и обычных гидроэлектростанций с верхним резервуаром, который частично пополняется за счет естественного притока из ручья или реки. Станции, которые не используют гидроаккумуляторы, называются обычными гидроэлектростанциями; обычные гидроэлектростанции, которые обладают значительной емкостью хранения, могут играть ту же роль в электрической сети, что и гидроаккумуляторы, путем отсрочки выработки до момента необходимости.

Экономическая эффективность

Принимая во внимание потери на испарение с открытой поверхности воды и потери преобразования, регенерация энергии может быть достигнута в размере 70–80% или более. Этот метод в настоящее время является наиболее экономичным средством хранения больших объемов электроэнергии, но капитальные затраты и наличие соответствующего географического местоположения являются критическими факторами принятия решения при выборе площадок для гидроаккумуляции.

Относительно низкая удельная энергия насосных систем хранения требует либо больших расходов, либо большой разницы в высоте между резервуарами. Единственный способ сохранить значительное количество энергии - это расположить большой водоем относительно близко, но как можно выше над вторым водоемом. В некоторых местах это происходит естественным образом, в других один или оба водоема созданы руками человека. Проекты, в которых оба водохранилища являются искусственными и в которых естественный приток не связан ни с одним из них, называются системами «замкнутого цикла».

Эти системы могут быть экономичными, поскольку они выравнивают колебания нагрузки в энергосистеме, разрешение тепловым электростанциям, таким как угольные электростанции и атомные электростанции, которые вырабатывают электроэнергию при базовой нагрузке, продолжать работать с максимальной эффективностью, снижая при этом потребность в «пиковых» электростанциях, которые используют то же топливо, что и многие тепловые электростанции с базовой нагрузкой, газ и нефть, но были разработаны для гибкости, а не для максимальной эффективности. Следовательно, гидроаккумулирующие системы имеют решающее значение при координации больших групп разнородных генераторов. Капитальные затраты на гидроаккумулирующие установки относительно высоки, хотя это несколько смягчается их длительным сроком службы до 75 лет и более, что в три-пять раз больше, чем у аккумуляторных батарей для коммунальных предприятий.

Верхний резервуар (Ллин Стулан) и плотина Схема гидроаккумулирования Фестиниог в Северном Уэльсе. На нижней электростанции есть четыре гидротурбины, которые вырабатывают 360 МВт электроэнергии в течение 60 секунд после возникновения потребности.

Наряду с управлением энергопотреблением, гидроаккумулирующие системы помогают контролировать частоту электрической сети и обеспечивать резервное производство. Тепловые установки гораздо менее способны реагировать на внезапные изменения спроса на электроэнергию, потенциально вызывая нестабильность частоты и напряжения. Насосные гидроаккумуляторы, как и другие гидроэлектростанции, могут реагировать на изменения нагрузки в течение нескольких секунд.

Наиболее важным применением гидроаккумулирующих устройств традиционно было уравновешивание электростанций с базовой нагрузкой, но их также можно использовать для уменьшения колеблющегося выхода прерывистых источников энергии. Насосный накопитель обеспечивает нагрузку при высокой выработке электроэнергии и низком потреблении электроэнергии, обеспечивая дополнительную пиковую мощность системы. В некоторых юрисдикциях цены на электроэнергию могут быть близкими к нулю или иногда отрицательными в тех случаях, когда имеется больше электроэнергии, чем имеется доступная нагрузка для ее поглощения; хотя в настоящее время это редко происходит только из-за ветровой или солнечной энергии, усиление ветровой и солнечной генерации повысит вероятность таких явлений. Особенно вероятно, что гидроаккумулирование станет особенно важным как баланс для очень крупномасштабного фотоэлектрического поколения. Повышенная пропускная способность передачи на большие расстояния в сочетании со значительными объемами накопления энергии станет важной частью регулирования любого крупномасштабного развертывания периодически возобновляемых источников энергии. Высокий уровень проникновения неосновной возобновляемой электроэнергии в некоторых регионах обеспечивает 40% годовой выработки, но 60% может быть достигнуто до того, как потребуется дополнительное хранилище.

Малые предприятия

Небольшие гидроаккумулирующие станции не могут достичь такой же экономии от масштаба, чем более крупные, но некоторые из них действительно существуют, включая недавний проект мощностью 13 МВт в Германии. Shell Energy предложила проект мощностью 5 МВт в штате Вашингтон. Некоторые предлагают небольшие гидроаккумулирующие установки в зданиях, хотя они еще не экономичны. Также сложно вписать большие водоемы в городской пейзаж. Тем не менее, некоторые авторы считают технологическую простоту и надежность водоснабжения важными внешними факторами.

История

Первое использование гидроаккумулирующего оборудования было в 1907 году в Швейцарии, в Engeweiher гидроаккумулятор возле Шаффхаузена, Швейцария. В 1930-е годы стали доступны реверсивные гидроэлектрические турбины. Эти турбины могли работать как турбогенераторы, так и наоборот, как насосы с приводом от электродвигателя. Последние достижения в области крупномасштабных инженерных технологий - это машины с регулируемой скоростью для повышения эффективности. Эти машины работают синхронно с частотой сети при генерации, но работают асинхронно (независимо от частоты сети) при перекачке.

Первое использование гидроаккумулирующего оборудования в Соединенных Штатах было в 1930 году компанией Connecticut Electric and Power Company с использованием большого водохранилища, расположенного недалеко от Нью-Милфорда, Коннектикут, для перекачки воды из реки Хаусатоник в водохранилище 70 метров (230 футов) выше.

Использование по всему миру

Комплекс Адама Бека

В 2009 году мировая генерирующая мощность гидроаккумулирующих мощностей составляла 104 ГВт, в то время как другие источники утверждают, что 127 ГВт, что включает подавляющее большинство всех типов аккумуляторов электроэнергии коммунального назначения. ЕС имел чистую мощность 38,3 ГВт (36,8% мировой мощности) из 140 ГВт гидроэнергетики, что составляет 5% от общей чистой электрической мощности в ЕС. Япония имела чистую мощность 25,5 ГВт (24,5% мировой мощности).

В 2010 г. в Соединенных Штатах было 21,5 ГВт генерирующих мощностей с гидроаккумулятором (20,6% мировой вместимость). PSH произвел (нетто) -5,501 ГВтч энергии в 2010 году в США, потому что при перекачке энергии потребляется больше энергии, чем вырабатывается. Паспортная мощность гидроаккумулятора выросла до 21,6 ГВт к 2014 году, при этом гидроаккумулирующая способность составляет 97% энергосистемы США. По состоянию на конец 2014 года действовало 51 проектное предложение с общей номинальной мощностью 39 ГВт на всех этапах процесса лицензирования FERC для новых гидроаккумулирующих гидроэлектростанций в США, но в настоящее время в США строительство новых станций не ведется.

Пять крупнейших действующих гидроаккумулирующих станций перечислены ниже (подробный список см. Список гидроаккумулирующих электростанций ):

СтанцияСтранаМестоположение Вместимость (MW )Ссылка
Насосная станция хранения округа Бат США 38 ° 12′32 ″ с.ш., 79 ° 48′00 ″ з.д. / 38.20889 ° N 79.80000 ° W / 38.20889; -79.80000 (гидроаккумулирующая станция округа Бат) 3,003
ГАЭС Гуандун Китай 23 ° 45′52 ″ с.ш. 113 ° 57 ′12 ″ E / 23,76444 ° N 113,95333 ° E / 23,76444; 113,95333 (Гуанчжоуская гидроаккумулирующая станция) 2400
гидроаккумулирующая электростанция Хуэйчжоу Китай23 ° 16′07 ″ N 114 ° 18′50 ″ E / 23,26861 ° N 114,31389 ° E / 23,26861; 114,313 89 (Хуэйчжоуская гидроаккумулирующая станция) 2400
Окутатараги гидроаккумулирующая электростанция Япония 35 ° 14′13 ″ с.ш., 134 ° 49′55 ″ в.д. / 35,23694 ° с.ш. 134,83194 ° E / 35.23694; 134,83194 (ГЭС Окутатараги) 1,932
ГЭС Лудингтон США43 ° 53′37 ″ с.ш. 86 ° 26′43 ″ Вт / 43,89361 ° с.ш. 86,44528 ° W / 43,89361; -86,44528 (Лудингтонская гидроаккумулирующая электростанция) 1,872
Примечание: в этой таблице показана генерирующая мощность в мегаваттах, как это обычно бывает для электростанций. Однако общая емкость накопления энергии в мегаватт-час (МВтч) является другим внутренним свойством и не может быть выведена из приведенных выше цифр.
Страны с наибольшей мощностью гидроаккумулирующих гидроаккумуляторов в 2017 г.
СтранаГАЗ. мощность (GW )Общая установленная. генерирующая мощность. (GW )ГАЗ /. общая генерирующая. мощность
Китай 32,01646,01,9%
Япония 28,3322,28,8%
США 22,61074,02,1%
Испания 8,0106,77,5%
Италия 7,1117,06,1%
Индия 6,8308,82,2%
Германия 6,5204,13,2%
Швейцария 6,419,632,6%
Франция 5,8129,34,5%
Австрия 4,725,218,7%
Южная Корея 4,7103,04,6%
Португалия 3,519,617,8%
Украина 3,156,95,4%
Южная Африка 2,947,36,1%
Соединенное Королевство 2,894,63,0%
Австралия 2,667,03,9%
Россия 2,2263,50,8%
Польша 1,737,34,6%
Таиланд 1,441,03,4%
Бельгия 1,221.25,7%

В июне 2018 года федеральное правительство Австралии объявило, что в Тасмании было определено 14 площадок для гидроаккумулирующих гидроаккумуляторов, с потенциалом добавления 4,8 ГВт в национальную сеть, если вторая соединитель под проливом Басса был построен.

Обратные плотины гидроэлектростанций

Обычные гидроэлектростанции могут также использовать гидроаккумуляторы в гибридной системе, которая вырабатывает энергию из воды, естественным образом поступающей в резервуар, а также накапливает воду, перекачиваемую обратно в резервуар. водохранилище снизу плотины. Плотина Гранд-Кули в США была расширена за счет системы обратной откачки в 1973 году. Существующие плотины могут быть усилены реверсивными турбинами, тем самым увеличивая время, в течение которого установка может работать на полную мощность. По желанию, к плотине может быть добавлена ​​гидроэлектростанция с обратным насосом, такая как Russell Dam (1992) для увеличения генерирующей мощности. Использование верхнего водохранилища и системы передачи существующей плотины может ускорить реализацию проектов и снизить затраты.

В январе 2019 года Государственная сетевая корпорация Китая объявила о планах инвестировать 5,7 млрд долларов США в пять гидроаккумулирующих станций общей мощностью 6 ГВт, которые будут расположены в Хэбэе, Цзилине, Чжэцзяне., Провинции Шаньдун и в Синьцзянском автономном районе. Китай стремится построить 40 ГВт установленных гидроаккумулирующих мощностей к 2020 году.

Возможные технологии

Морская вода

Гидроаккумуляторы могут работать с морской водой, хотя есть дополнительные проблемы по сравнению с используя пресную воду. 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 можно использовать для закачки большего количества морской воды в резервуар, чем естественным образом принес бы прилив. Это единственная крупномасштабная электростанция в своем роде.

В 1999 г. проект «Янбару» мощностью 30 МВт на Окинаве стал первой демонстрацией перекачки морской воды. С тех пор он был выведен из эксплуатации. Проект с морской водой на основе морской воды мощностью 300 МВт рассматривался для острова Ланаи, Гавайи, а проекты на основе морской воды были предложены в Ирландии. Пара предлагаемых проектов в пустыне Атакама на севере Чили будет использовать 600 МВт фотоэлектрической солнечной энергии (Skies of Tarapacá) вместе с 300 МВт гидроаккумулирующего оборудования (Mirror of Tarapacá) для подъема морской воды на 600 метров (2000 футов) вверх по прибрежной скале.

Подземные резервуары

Было исследовано использование подземных резервуаров. Недавние примеры включают предлагаемый проект Summit в Нортон, Огайо, предлагаемый проект Maysville в Кентукки (подземный рудник известняка) и проект Mount Hope в Нью-Джерси, который должен был использовать бывший железный рудник в качестве нижнего резервуара. В предлагаемом хранилище энергии на участке Каллио в Пюхяярви (Финляндия ) будет использоваться самый глубокий рудник недрагоценных металлов в Европе с перепадом высот 1450 метров (4760 футов).. Было предложено несколько новых проектов подземных насосных хранилищ. Расчетная стоимость киловатта для этих проектов может быть ниже, чем для наземных проектов, если они используют существующее подземное пространство шахты. Существуют ограниченные возможности, связанные с подходящим подземным пространством, но количество подземных хранилищ может увеличиться, если заброшенные угольные шахты окажутся подходящими.

В Бендиго, Виктория, Австралия, Bendigo Sustainability Group имеет предложила использовать старые золотые рудники под Бендиго для накопления гидроэнергии. В Бендиго самая большая концентрация шахт с глубокими стволами в твердой породе в мире: во второй половине XIX века под Бендиго было проложено более 5000 шахт. Самая глубокая шахта простирается на 1406 метров по вертикали под землей. Недавнее предварительное технико-экономическое обоснование показало, что концепция жизнеспособна при генерирующей мощности 30 МВт и продолжительности работы 6 часов с использованием напора воды более 750 метров.

Децентрализованные системы

Небольшие (или микро) приложения для гидроаккумуляции могут быть построены на ручьях и внутри инфраструктуры, такой как сети питьевой воды и инфраструктуры искусственного оснежения. В связи с этим, водосборный бассейн был конкретно реализован как экономичное решение для водохранилища в гидроаккумуляторе с микронасосом. Такие установки обеспечивают распределенное накопление энергии и распределенное гибкое производство электроэнергии и могут способствовать децентрализованной интеграции периодических возобновляемых источников энергии технологий, таких как энергия ветра и солнечная энергия. Резервуары, которые могут использоваться для небольших гидроаккумулирующих электростанций, могут включать естественные или искусственные озера, резервуары внутри других структур, таких как ирригационные системы, или неиспользуемые части шахт или подземные военные сооружения. 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 соответствующих инструментов политики.

Подводных резервуаров

В марте 2017 года исследовательский проект StEnSea (Хранение энергии в море) объявил об успешном завершении четырехнедельных испытаний гидроаккумулирующего подводного резервуара. В этой конфигурации полая сфера, погруженная и закрепленная на большой глубине, действует как нижний резервуар, в то время как верхний резервуар представляет собой вмещающий водоем. Электричество создается, когда вода поступает через реверсивную турбину, встроенную в сферу. В непиковые часы турбина меняет направление и снова откачивает воду, используя «избыточную» электроэнергию из сети. Количество энергии, создаваемой при впуске воды, растет пропорционально высоте водяного столба над сферой, другими словами: чем глубже расположена сфера, тем больше потенциальной энергии она может хранить, которая может быть преобразована в электрическую.. С другой стороны, откачка воды на больших глубинах также требует больших затрат энергии, так как турбинный насос должен воздействовать на один и тот же весь столб воды.

Таким образом, емкость накопления энергии в подводном резервуаре не определяется гравитационной энергией в традиционном смысле, а скорее изменением вертикального давления.

, в то время как тест StEnSea произошла на глубине 100 м в пресной воде Боденское озеро, предполагается, что данная технология будет использоваться в соленой воде на больших глубинах. Поскольку для подводного резервуара требуется только соединительный электрический кабель, глубина, на которой он может использоваться, ограничивается только глубиной, на которой может функционировать турбина, которая в настоящее время ограничена 700 м. Задача проектирования гидроаккумулирующего резервуара соленой воды в этой подводной конфигурации дает ряд преимуществ:

  • Не требуется никакой площади,
  • Никакой механической конструкции, кроме электрического кабеля, не требуется для покрытия расстояния потенциальной энергии разница,
  • При наличии достаточной площади морского дна несколько резервуаров могут неограниченно масштабировать емкость хранилища,
  • В случае обрушения резервуара последствия будут ограничены, за исключением потери самого резервуара,
  • Испарение из верхнего резервуара не влияет на эффективность преобразования энергии,
  • Передача электроэнергии между резервуаром и сетью может осуществляться с помощью расположенной поблизости морской ветровой электростанции ограничение потерь при передаче и устранение необходимости в разрешениях на прокладку кабелей на суше.

Текущая коммерческая конструкция с сферой с внутренним диаметром 30 м, погруженной на глубину 700 м, будет соответствовать мощности 20 МВтч, что с турбиной 5 МВт приведет к 4 -часовое время разряда. Энергетический парк с несколькими такими резервуарами повысит стоимость хранения примерно до нескольких евроцентов за кВтч при затратах на строительство и оборудование в диапазоне от 1200 до 1400 евро за кВт. Чтобы избежать чрезмерных затрат на передачу и потерь, водохранилища следует размещать у глубоководных побережий густонаселенных районов, таких как Норвегия, Испания, США и Япония. С этим ограничением концепция позволит хранить во всем мире электроэнергию примерно на 900 ГВтч.

Для сравнения, традиционный гравитационный насосный накопитель, способный хранить 20 МВтч в водохранилище размером с 30-метровую сферу. потребуется гидравлического напора 519 м с возвышением, натянутым на давление водопроводной трубы, как правило, требует холма или горов для поддержки.

Домашнее использование

Использование насосной системы хранения из цистерн и небольших генераторов, pico hydro также может быть эффективным для дома с «замкнутым контуром». системы производства энергии.

См. также

  • значок Энергетический портал
  • значок Портал возобновляемой энергии
  • значок Водный портал

Ссылки

Внешние ссылки

Найдите гидроаккумулятор в Викисловаре, бесплатном словаре.
Викискладе есть материалы, связанные с к ГАЭС.
Последняя правка сделана 2021-06-02 10:42:44
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте