Гидроаккумулирующие электростанции: ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ • Большая российская энциклопедия

ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ • Большая российская энциклопедия

• В книжной версии

  Том 7. Москва, 2007, стр. 72

• Скопировать библиографическую ссылку:

  ---

Авторы: В. И. Лелеков

ГИДРОАККУМУЛИ́РУЮЩАЯ ЭЛЕК­ТРО­СТА́НЦИЯ (ГАЭС), на­сос­но-ак­ку­му­ли­рую­щая гид­ро­элек­тро­стан­ция, ко­то­рая пе­ре­ка­чи­ва­ни­ем во­ды из ниж­не­го бас­сей­на в верх­ний на­ка­п­ли­ва­ет (ак­ку­му­ли­ру­ет) из­бы­точ­ную энер­гию, вы­ра­ба­ты­вае­мую дру­ги­ми элек­тро­стан­ция­ми, ко­гда спрос на элек­трич. энер­гию мал (напр., но­чью), и пре­об­ра­зу­ет по­тен­циаль­ную энер­гию за­па­сён­ной во­ды в элек­три­че­скую (во­да из верх­не­го бас­сей­на че­рез гид­ро­аг­ре­га­ты пе­ре­те­ка­ет в ниж­ний) в ча­сы пи­ко­вых на­гру­зок в энер­го­сис­те­ме. ГАЭС бы­ва­ют двух ви­дов – со­вме­щён­ные и не­со­вме­щён­ные. По­след­ние по­лу­чи­ли наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние в ми­ре, их тех­но­ло­гич. схе­ма вклю­ча­ет: два бас­сей­на или во­до­хра­ни­ли­ща (ес­те­ст­вен­но­го ли­бо ис­кус­ст­вен­но­го ти­па), рас­по­ло­жен­ных один над дру­гим для соз­да­ния не­об­хо­ди­мо­го пе­ре­па­да вы­сот (на­по­ра), на­пор­ные во­до­во­ды (тру­бо­про­вод) и зда­ние ГАЭС, где раз­ме­ща­ет­ся не­об­хо­ди­мое энер­ге­тич. обо­ру­до­ва­ние. Гид­ро­аг­ре­га­ты, ус­та­нов­лен­ные в зда­нии ГАЭС у ниж­не­го кон­ца тру­бо­про­во­да, мо­гут быть трёх­ма­шин­ны­ми, со­стоя­щи­ми из со­еди­нён­ных на од­ном ва­лу об­ра­ти­мой элек­трич. ма­ши­ны (дви­га­тель-ге­не­ра­тор), гид­ро­тур­би­ны и на­со­са, или двух­ма­шин­ны­ми. Гид­ро­аг­ре­га­ты совр. ГАЭС (двух­ма­шин­ные) со­сто­ят из об­ра­ти­мых на­со­са-тур­би­ны и дви­га­те­ля-ге­не­ра­то­ра. При спа­де на­груз­ки в энер­го­сис­те­ме, ра­бо­тая в ре­жи­ме на­со­са, гид­ро­аг­ре­га­ты за­ка­чи­ва­ют во­ду из ниж­не­го бас­сей­на в верх­ний (ак­ку­му­ля­тор), по­треб­ляя энер­гию из се­ти. В пе­рио­ды пи­ко­вой на­груз­ки во­да из верх­не­го бас­сей­на по тру­бо­прово­ду под­во­дит­ся к гид­ро­аг­ре­га­там ГАЭС, вклю­чён­ным на ра­бо­ту в тур­бин­ном ре­жи­ме; вы­ра­бо­тан­ная при этом элек­тро­энер­гия от­да­ёт­ся в сеть энер­го­сис­те­мы, а во­да на­ка­п­ли­ва­ет­ся в ниж­нем во­до­ёме. Ко­ли­че­ст­во ак­ку­му­ли­ро­ван­ной элек­тро­энер­гии оп­ре­де­ля­ет­ся ём­ко­стью бас­сей­нов и ра­бо­чим на­по­ром ГАЭС. По кон­ст­рук­тив­ным осо­бен­но­стям раз­ли­ча­ют два осн. ти­па ГАЭС: элек­тро­стан­ции, ко­то­рые ис­поль­зу­ют для про­из-ва энер­гии толь­ко во­ду, по­дан­ную из ниж­не­го в верх­нее во­до­хра­ни­лище, и элек­тро­стан­ции, ис­поль­зую­щие как пе­ре­ка­чан­ную во­ду, так и ес­теств. сток ре­ки. Вре­мя пус­ка и сме­на ре­жи­мов ра­бо­ты ГАЭС из­ме­ря­ют­ся не­сколь­ки­ми ми­ну­та­ми.

ГАЭС – наи­бо­лее эф­фек­тив­ный тип ма­нёв­рен­ных элек­тро­стан­ций, по­вы­шаю­щих на­дёж­ность и эко­но­мич­ность ра­бо­ты энер­го­сис­те­мы, что край­не важ­но для те­п­ло­вых или атом­ных элек­тро­стан­ций, обо­ру­до­ва­ние ко­то­рых весь­ма чув­ст­ви­тель­но к рез­ким из­ме­не­ни­ям на­груз­ки. ГАЭС це­ле­со­об­раз­но стро­ить вбли­зи цен­тров по­треб­ле­ния элек­тро­энер­гии, т. к. со­ору­же­ние про­тя­жён­ных ли­ний элек­тро­пе­ре­да­чи для крат­ко­вре­мен­но­го ис­поль­зо­ва­ния эко­но­ми­че­ски не­вы­год­но.

Пер­вая ГАЭС мощ­но­стью 1 МВт бы­ла по­строе­на в Ита­лии (1908). К 1940 в ми­ре на­счи­ты­ва­лось 40 ГАЭС, в 1965 – 110, в 2000 – ок. 300, об­щей мощ­но­стью 100 ГВт. Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние ГАЭС по­лу­чи­ли в Ев­ро­пе. В США и Ка­на­де ГАЭС рас­про­стра­не­ны мень­ше, т. к. эти стра­ны рас­по­ла­га­ли боль­ши­ми за­па­са­ми гид­ро­энер­го­ре­сур­сов. Од­на­ко за по­след­ние го­ды в США и Ка­на­де так­же по­вы­сил­ся ин­те­рес к ГАЭС.

В Рос­сии ра­бо­та­ет рас­по­ло­жен­ная вбли­зи Мо­ск­вы (г. Сер­ги­ев По­сад) ГАЭС, обо­ру­до­ван­ная аг­ре­га­та­ми по 200 МВт. Пер­вый гид­ро­аг­ре­гат был смон­ти­ро­ван и вве­дён в экс­плуа­та­цию в 1987. По­сле вво­да по­след­не­го, шес­то­го, гид­ро­аг­ре­га­та (2000) сум­мар­ная мощ­ность со­ста­ви­ла 1200 МВт, го­до­вая вы­ра­бот­ка элек­тро­энер­гии 1,7 млрд кВт·ч, кпд – 73%.

Сте­пень влия­ния ГАЭС на при­ро­ду (строи­тель­ст­во во­до­хра­ни­лищ) зна­чи­тель­но мень­ше обыч­ных ГЭС. По­сколь­ку раз­ме­ры на­зем­ных во­до­ёмов ГАЭС, как пра­ви­ло, не­зна­чи­тель­ны, то их соз­да­ние со­про­во­ж­да­ет­ся от­но­си­тель­но не­боль­шим изъ­я­ти­ем с.-х. и лес­ных уго­дий, прак­ти­че­ски не вле­чёт из­ме­не­ний ме­ст­но­го кли­ма­та, не про­во­ци­ру­ет по­яв­ле­ния или уси­ле­ния сейс­ми­че­ской ак­тив­но­сти.

Гидроаккумулирующие электростанции, принцип действия ГАЭС, устройство

ГАЭС (гидроаккумулирующие электростанции) служат для накопления электроэнергии во время низкого потребления сетями электричества (в ночной период) и отдачи её во время пиковых нагрузок, уменьшая тем самым необходимость изменения мощности в течение суток основных электростанций (атомных, тепловых). Тепловые и атомные станции не способны быстро снижать свою мощность во время значительного спада потребления, поэтому ночью себестоимость электроэнергии существенно возрастает и электростанции работают в значительной степени вхолостую.

История использования гидроаккумулирующих электростанций

Чтобы улучшить качество энергоснабжения и увеличить эффективность всей системы, были разработаны ГАЭС. Первые подобные станции были построены в конце 19 века в Западной Европе, в частности в 1882 г. в Швейцарии была запущена установка Леттем мощностью 103 кВт. Аналогичное сооружение через 12 лет было запущено на одной из прядильных фабрик Италии. До 20 столетия функционировало всего 4 ГАЭС, к 60-м гг. 20 века насчитывалось уже 72 работающие установки, к 2010 г. их число достигло 460.

Принцип действия

У гидроаккумулирующих электростанций есть два периода работы — насосный и турбинный. Во время первого режима ГАЭС является потребителем электроэнергии, которая подаётся от тепловых электростанций во время минимальной нагрузки на последние (обычно примерно 7-12 часов в сутки). При этом на ГАЭС происходит перекачка воды в верхний аккумулирующий бассейн из нижнего питающего водохранилища (станция запасает энергию). В турбинном режиме ГАЭС отдаёт накопленную энергию обратно в сеть во время максимальной нагрузки на неё (2-6 часов в сутки). Вода в этот период из верхнего бассейна направляется обратно в питающее водохранилище, вращая при этом турбину генератора.

Верхний бассейн может не иметь естественной приточности, работая исключительно на запасённой в наносный период воде. Такие ГАЭС принято называть «чистыми». Также функционируют «смешанные» гидроаккумулирующие станции, верхний бассейн которых имеет дополнительную естественную приточность. При этом в турбинном режиме используется и аккумулированная, и поступающая естественным образом вода.

Принцип действия насосно-аккумулирующих электростанций заключается в преобразовании энергии воды. В таких инженерных сооружениях есть два периода работы: насосный и турбинный. В первый период электростанция является потребителем энергии от других видов, например, тепловых электростанций. В это время с помощью насосов вода перекачивается в верхний бассейн (происходит зарядка). Во время турбинного режима работы вода вращает турбины, попадая в нижнее хранилище, с помощью чего запасённая энергия отдаётся потребителю (разрядка).

Делается это для того, чтобы обеспечить города, промышленность необходимой мощностью во время пикового энергопотребления.

Устройство

Кроме верхнего бассейна и питающего водохранилища в состав ГАЭС входит здание электростанции, железобетонный или металлический напорный водопровод, водоприёмник, который служит для подачи воды в верхний бассейн во время работы станции в насосный период и для забора воды из него в турбинный период. В самом здании электростанции устанавливается турбина, генератор-электродвигатель и насос либо только генератор-электродвигатель и обратимая турбина (турбина-насос).

Чаще всего ГАЭС устанавливаются рядом с мощными потребителями энергии недалеко от мощных тепловых или атомных электростанций там, где этому способствуют топографические, гидрологические и геологические условия. Необходимо, чтобы на местности имелась возможность устроить верхний бассейн и нижнее водохранилища рядом друг с другом. КПД гидроаккумулирующих станций колеблется в диапазоне 0,6 — 0,7. Обычно для работы используются уже существующие водохранилища и озёра или те места, где верхний бассейн имеет естественную приточность.

Разделяют «чистые» гидроаккумулирующие станции и «смешанные». В первом случае верхний бассейн не обладает естественной приточностью, таким образом энергия вырабатывается только за счёт запасённой заранее воды. В смешанных электростанция используется кроме аккумулированного объёма ещё и приточный сток. КПД подобных сооружений составляет 60-70%. Обычно устанавливаются вблизи мощных электростанций, там где возможно организовать нижнее водохранилище и верхнее хранилище близко друг к другу.

Другой вид аккумулирующих электростанций — ветряные. В них используется простой принцип, когда ветер вращает ветряное колесо, а энергия запасается в аккумуляторной батарее. Они намного меньше гидроаккумулирующих электростанций по размеру. Сейчас активно развиваются конструкции малой мощности, направленные на обеспечение энергией отдельных домов и фермерских хозяйств. Мощность их составляет 300 Вт — 20 кВт. Ветрогенераторы средней мощности могут снабжать электричеством небольшие удалённые населённые пункты с общим потреблением 20 — 600 кВт. Мощные аккумулирующие станции выдают более мегаватта.

В связи с постоянным повышением тарифов на электроэнергию подобные сооружения получили большое распространение в Европе. Сейчас они устанавливаются повсеместно, в том числе и в черте города. К недостаткам можно отнести создаваемый шум на уровне 45 дБ и выше. Также во многих странах запрещается их использование в сезон миграции птиц.

Гидроаккумулирующие станции — перспективы и проблемы

Источник: http://www.resilience.org/stories/2015-11-30/for-storing-electricity-utilities-are-turning-to-pumped-hydro, автор John Roach, 24 ноября 2015 г.

Сообщения о новых разработках высокотехнологичных аккумуляторов заполняют заголовки. Но энергопредприятия от Испании до Китая, стремясь преодолеть непостоянство ветровых и солнечных источников энергии, все больше внимания уделяют гидроаккумулирующим электростанциям (ГАЭС), впервые появившимся в 1890-х годах.

В последнее десятилетие использование энергии ветра в Испании существенно возросло, поднявшись с 6 процентов производства электроэнергии в стране в 2004 году почти до 20 процентов сегодня. Хотя это, конечно, хорошая новость для сторонников чистой энергии, увеличение использования возобновляемых источников сопровождается проблемой, заключающейся в том, что электроэнергия должна быть доступна, когда она нужна клиентам, а не только тогда, когда дует ветер.

Для того, чтобы решить эту проблему, испанские энергосети обратились не к высокотехнологичным разработкам 21 века, а к проверенной временем технологии 19-го века — гидроаккумулирующим станциям. Такие хранилища энергии обычно оборудованы генераторами и насосами, перекачивающими воду между нижним и верхним резервуарами. Эти насосы используются в периоды наличия избыточной энергии, получаемой, например, от ветровых станций в ветреные ночи, для закачки воды из нижнего в верхний резервуар. Когда ветер утихает или потребность в энергии возрастает, вода из верхнего резервуара используется для вращения турбин ГАЭС.

ГАЭС Cortes-La Muela в Испании

Именно эту технологию в 2013 году использовала испанская компания Iberdrola при строительстве гидроузела Cortes-La Muela стоимостью 1,3 миллиарда долларов. Компания использует избыток электроэнергии для закачки воды из реки Хукар (Júcar) в большой резервуар, который находится на 1700 футов выше уровня реки. Когда потребность в энергии возрастает, вода используется для генерации электроэнергии. Это самый большой в Европе комплекс такого рода мощностью 1 762 мегаватта, способный обеспечивать энергией 500 000 домов ежегодно.

В то время как больше всего шума относительно хранилищ энергии сегодня связано с развитием инновационных аккумуляторных технологий, по данным Владимира Коритарова (Vladimir Koritarov), сотрудника департамента энергии Национальной лаборатории в Аргонне (Argonne National Laboratory), штат Иллинойс, более 98 процентов действующих хранилищ энергии в мире фактически являются гидроаккумулирующими комплексами. Сегодня, когда мир увлечен солнечной и ветровой энергией, которые призваны помочь бороться с глобальным потеплением, ГАЭС вновь в центре внимания как средство балансировки потребности и предложения в энергосистемах от Италии до Китая.

«Среди всех технологий хранения энергии», замечает Коритаров, «гидроэккумулирующие комплексы единственные являются зрелыми, надежными, опробованными и коммерчески доступными для использования в качестве хранилищ больших объемов энергии».

В мире на настоящее время работает 292 гидроаккумулирующих комплекса, общей мощностью 142 гигаватта. Еще 46 проектов общей мощностью 34 гигаватта находятся в стадии строительства (данные из Global Energy Storage Database Департамента Энергетики США).

Химические аккумуляторы обычно устанавливаются на уровне распределения электричества, где они в дополнение к функции накопления энергии выполняют и другие задачи, такие как борьба с кратковременными перерывами в энергоснабжении, измеряемыми миллисекундами, отмечает  Ruud Kempener, аналитик Международного агентсва возобновляемой энергии в Бонне, Германия. Емкость таких батарей обычно измеряется единицами или десятками мегаватт.

В отличие от них, емкость гидроаккумулирующих станций составляет сотни и тысячи мегаватт, что обеспечивает надежность и гибкость энергосистемы в целом. Важность этой их функции, говорит Kempener, будет только возрастать в будущем. Kempener является одним из основных авторов недавно вышедшего отчета, в котором утверждается, что необходимая мощность гидроаккумулирующих электростанций должна вырасти с сегодняшних 150 гигаватт до 325 гигаватт к 2030 году, чтобы обеспечить удвоение доли возобновляемой энергетики в мировом энергетическом балансе.

Недавняя реформа энергетической политики в Испании привела к остановке взрывного роста возобновляемой энергетики в этой стране. Несмотря на это, несколько новых проектов ГАЭС недавно запущены в Испании, и еще больше разрабатывается в Германии, Австрии и Италии. В Италии швейцарская энергокомпания Repower  намерена получить разрешение на строительство гидроаккумулирующей электростанции Campolattaro примерно в 55 милях к северо-востоку от Неаполя. Эта станция будет перекачивать воду из искусственного озера во вновь построенный резервуар на близлежащих холмах.

ГАЭС Tiahuangping с подземным зданием, Китай.

Быстрее всего гидроаккумулирующие электростанции развиваются в Китае. Новые ГАЭС вступают в строй каждые несколько месяцев. Сейчас строятся от 10 до 15 таких станций и каждая имеет мощность от 1 гигаватта или больше.

Китай с его 22 гигаваттами мощностей ГАЭС недавно превзошел США, где суммарная мощность ГАЭС составляет 21 гигаватт и в 2018 году перегонит сегодняшнего мирового лидера Японию, где эта величина равна 27 гигаваттам. Строящаяся гидроаккумулирующая станция Fengning в провинции Хэбэй после ее запуска в 2022 году будет самой большой в мире.

В Соединенных Штатах Америки Федеральная комиссия по регулированию в области энергетики (Federal Energy Regulatory Commission) лицензировала в 2014 году два проекта, оба в Калифорнии. Проект ГАЭС Айова Хилл (Iowa Hill) в муниципальном районе Сакраменто стоимостью 800 миллионов долларов и проектной мощностью 400 мегаватт предполагает строительство резервуара на 1200 футов выше водохранилища Слэб Крик (Slab Creek) вместе с подземной электростанцией и туннелем, соединяющим два водоема.  Компания Eagle Crest Energy намерена построить ГАЭС Eagle Mountain стоимостью 1,4 миллиарда долларов и мощностью 1300 мегаватт. Проект включает строительство верхнего и нижнего резервуаров на месте старого железного рудника вблизи Национального Парка Joshua Tree.

Еще несколько других проектов в США находятся в стадии планирования и предварительных исследований. Один из них — проект ГАЭС JD Pool стоимостью 2,5 миллиарда и мощностью 1200 мегаватт в штате Вашингтон, который предполагает размещение пары верхних резервуаров между рядами ветровых турбин на плато Колумбия, и нижнего резервуара, расположенного на 2400 футов ниже в заброшенном алюминиевом заводе неподалеку от плотины John Day Dam. Предполагается тесная координация полтины на реке Колумбия, большого массива ветровых турбин и строящейся ГАЭС, которая будет запасать воду в ветреные дни и использовать этот запас в безветренные периоды.

Впервые гидроаккумулирующие станции использовались в 1890-х годах в Швейцарии, Австрии и итальянских Альпах для обеспечения большей гибкости в управлении водными ресурсами. Технология широко применялась в 1960-х, 70-х и 80-х годах для сглаживания нагрузок и обеспечения необходимой генерации электрической энергии в пиковые часы за счет периодов низкого потребления. Эта техника позволяла энергетическим компаниям оптимально использовать мощности атомных и угольных электростанций, которые не могут быстро изменять свою мощность. Избыточные мощности таких электростанций используются для наполнения резервуаров; когда потребность в энергии возрастает, вода используется для дополнительной генерация энергии. Но когда атомные и угольные электростанции перестали строиться, накопительные ГАЭС прекратили использоваться тоже.

Сегодня гидроаккумулирующие ГЭС растут быстрее всего там, где ограничен доступ к недорогим «пиковым станциям» на природном газе, которые построены специально для запуска во время высокого спроса, например, ближе к вечеру в жаркие летние дни. Пиковые станции используются также для покрытия провалов в энергопоставках, когда нет ветра или облака закрывают солнце. ГАЭС могут решать те же самые задачи. Кориватов говорит, что дополнительным бонусом, предоставляемым такими станциями, является способность поглощать избыточную электроэнергию. Ветровая генерация, к примеру, максимальна по ночам, когда потребность в энергии минимальна и электроэнергия просто не нужна в больших количествах.

Но ГАЭС требуют больше энергии, чем могут вернуть, то есть эта технология имеет смысл только в энергосистемах, которые имеют излишки генерации в течение некоторых периодов времени и недостаток — в другие периоды.

Кроме того, эта технология имеет недостатки в смысле влияния на окружающую среду. Работа ГАЭС сопровождается изменениями уровня воды в верхнем и нижнем резервуарах. «Вы можете иметь искусственное наводнение в течение 4 часов, а затем засуху на 20 часов, а потом снова наводнение», говорит Питер Боссхард (Peter Bosshard), заместитель исполнительного директора экологического сообщества International Rivers, базирующегося в Беркли, Калифорния. Такие колебания порождают хаос в экологически богатых районах, где перекрываются наземные и пресноводные экосистемы.

«Мы видим, что есть другие, более интересные способы хранения электроэнергии, в частности хранения в распределенных системах аккумуляторных батарей», говорит Боссхард.

ГАЭС Ладингтон, США.

Строительство новых ГАЭС встречает массу препятствий, особенно в США. Государственная и частная поддержка сектора химических батарей перевешивает заинтересованность в гидроаккумулирующих станциях. Другие проблемы включают в себя сотни миллионов долларов вложенного капитала, длинные сроки строительства и недостаточное значение, которое придается устойчивой работе энергосистемы в пиковые периоды.

Эти обстоятельства воспрепятствовали усилиям районной энергосети округа Klickitat построить ГАЭС JD Pool на реке Колумбия.  Однако интерес к проекту возрождается, как утверждает Randy Knowles, который продвигает этот проект уже более 10 лет. HydroChina Corp., крупная строительная фирма из Китая, занимающаяся возведением ГАЭС, подписала в октябре этого года с округом меморандум о намерениях, на предмет сотрудничества в проекте. «Они имеют интерес к проникновению на рынок США и это реально привлекательный проект, учитывая его размеры», говорит Knowles.

Начиная с 2000 года в штатах Вашингтон и Орегон было построено 47 ветровых электростанций в пределах 50 миль от предполагаемого места строительства ГАЭС. Ветровые турбины имеют суммарную мощность 4 695 мегаватт и производят достаточно энергии, чтобы обеспечить 800 000 домохозяйств. Силовые линии доставляют это электричество от ветровых станций до высоковольтных линий электропередачи, которые идут от плотины John Day Dam.

Большую часть времени плотина и другие источники в бассейне реки Колумбия работают в согласии с ветровыми станциями. Когда ветер слабеет, например, операторы энергосистемы увеличивают напор воды, проходящей через плотину, чтобы выработка энергии соответствовала потребностям. Когда ветер усиливается, поток воды через плотину уменьшается, чтобы сохранить водные запасы для тех случаев, когда они будут необходимы. В некотором смысле плотина работает как гигантский аккумулятор, который компенсирует неравномерность ветра, обеспечивая светом пространство от Сиэтла до Лос-Анжелеса.

Но, как утверждает Knowles, возможности гидротехнической плотины почти исчерпаны. Весной 2011 года, к примеру, федеральное агентство, которое управляет плотиной, приказало многим ветровым станциям прекращать генерацию энергии на несколько часов в день, чтобы согласовать ее с пропусками воды (и излишками генерации плотиной), что требовалось для обеспечения безопасного прохода мигрирующих рыб.

Как утверждает Knowles, предлагаемый 1200-мегаваттный проект ГАЭС уменьшит зависимость ветровых электростанций от плотины, позволит разместить больше ветровых турбин на плато Колумбия и поможет Соединенным Штатам достичь долговременных целей уменьшения атмосферных выбросов.

«Откровенно говоря, мы просто раньше других осознали проблему», говорит он. «Через какое-то время все это поймут и проект будет реализован.»

ГАЭС TaumSauk в США. Несмотря на небольшую мощность известна всему миру благодаря верхнему бассейну в форме сердца.

Гидроаккумулирующие электростанции Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №4/2016 ISSN 2410-6070_

газотурбинных установок. // Энергетика Татарстана. — 2015. — № 3 (39). — С. 20-25.

3. Калимуллина Д.Д., Гафуров А.М. Влияние тепловых электрических станций на окружающую среду. // Инновационная наука. — 2016. — № 3-3. — С. 91-93.

4. Калимуллина Д.Д., Гафуров А.М. Потребности в водоснабжении и водоотведении на тепловых электрических станциях. // Инновационная наука. — 2016. — № 3-3. — С. 98-100.

© Хакимуллин Б.Р., Багаутдинов И.З., 2016

УДК 621.311.214

Б.Р. Хакимуллин

студент института теплоэнергетики, кафедры «ТЭС»

И.З. Багаутдинов младший научный сотрудник научно-исслед.

лаборатории госбюджетных НИР Казанский государственный энергетический университет

Г. Казань, Российская Федерация

ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Аннотация

В статье рассматриваются основные особенности и режимы работы гидроаккумулирующих электростанций.

Ключевые слова

Аккумулирование энергии, нижний и верхний бассейн, гидроагрегаты

Особую роль в современных энергосистемах выполняют гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), которые являются разновидностью гидроэлектростанций (ГЭС). ГАЭС служат для аккумулирования электрической энергии во время низкого потребления сетями электричества (в ночной период) и отдачи её во время пиковых нагрузок, уменьшая тем самым необходимость изменения мощности в течение суток основных электростанций — атомных (АЭС) и тепловых (ТЭС).

Тепловые и атомные электростанции не способны быстро снижать свою мощность во время значительного спада электрических нагрузок, поэтому часть мощности ТЭС или АЭС может быть использовано на ГАЭС.

Принцип действия гидроаккумулирующей станции основан на ее работе в двух режимах: насосном и турбинном.

В насосном режиме вода из нижнего водохранилища (бассейна) ГАЭС перекачивается в вышерасположенный верхний бассейн на высоту несколько десятков или сотен метров с помощью гидроагрегатов (рис. 1). Во время работы в насосном режиме (обычно в ночные часы, когда нагрузка в энергосистеме снижается) ГАЭС потребляет электрическую энергию, вырабатываемую другими электростанциями энергосистемы. В часы, когда в энергосистеме образуется дефицит генерирующей мощности, преимущественно — в утренние и вечерние часы, гидроагрегаты ГАЭС начинают работать в турбинном режиме, используя энергию потока воды из верхнего бассейна на вращение гидротурбины соединенной с электрогенератором. Поэтому на ГАЭС удобно использовать так называемые обратимые гидроагрегаты, которые могут работать и как турбины, и как насосы [1].

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №4/2016 ISSN 2410-6070

Рисунок 1 — Общая схема гидроаккумулирующей электростанции.

Учитывая высокую маневренность гидроэнергетического оборудования, число пусков обратимых гидроагрегатов ГАЭС, в отличие от обычных ГЭС, достигает нескольких сот (500-700) в месяц, а иногда составляет около 30 пусков в сутки. Таким образом, применение ГАЭС помогает выравнивать график нагрузки энергосистемы, что повышает экономичность работы тепловых и атомных электростанций.

Если верхний бассейн не имеет естественной приточности, ГАЭС работает только на аккумулированной воде («чистая» гидроаккумулирующая электростанция). В отличие от нее, «смешанная» гидроаккумулирующая электростанция имеет дополнительную естественную приточность и, таким образом, работает на приточном стоке и аккумулированном объеме или в каскаде гидроэлектростанций. В последнем случае в здании станции устанавливают дополнительно к основным турбинным агрегатам обратимые турбины или насосы для подкачивания воды в верхний бьеф водохранилища из нижнего. В процессе перекачки воды снизу вверх и обратно неизбежны потери, КПД ГАЭС составляет около 75%, то есть фактически ГАЭС не является электростанцией как таковой, поскольку она потребляет электроэнергии больше, чем вырабатывает [2].

На территории России работает Загорская ГАЭС, входящая в десятку крупнейших электростанций страны. Она расположена на реке Кунья в Московской области. На настоящий момент это самая крупная ГАЭС России. Мощность Загорской ГАЭС — 1200/1320 МВт (в турбинном / насосном режимах). В здании ГАЭС установлено 6 обратимых гидроагрегатов радиально-осевого типа мощностью по 200/220 МВт, работающих при расчётном напоре 100 м [3].

Список использованной литературы:

1. Деривационные гидроэлектростанции. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://studopedia.org/7-168187.html.

2. Аккумулирующие электростанции. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://pue8.ru/gidroenergetika/376-akkumuliruyushchie-elektrostantsii.html.

3. Объекты РусГидро: Загорская ГАЭС. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://olymp.hydroschool.ru/info/articles/11/.

© Хакимуллин Б.Р., Багаутдинов И.З., 2016

Общие сведения

Загорская ГАЭС – крупнейшая гидроаккумулирующая электростанция России. Расположена на реке Кунья вблизи поселка Богородское Сергиево-Посадского района Московской области. Один из наиболее значимых энергообъектов Объединенной энергосистемы Центра.

К основным задачам Загорской ГАЭС относится производство электроэнергии, выравнивание суточной неоднородности графика нагрузок в энергосистеме Центра, участие в регулировании частоты и перетоков мощности в регионе. Благодаря высокой маневренности гидроэнергетического оборудования, станция используется как быстровводимый резерв мощности при различных возмущениях в энергетической системе.

Технический проект Загорской ГАЭС разработан научно-исследовательским институтом «Гидропроект».

Уникальность станции заключается в том, что она способна не только производить, но и аккумулировать электроэнергию. Ночью, когда спрос на электроэнергию падает, гидроагрегаты ГАЭС работают как насосы, перекачивая воду из нижнего бассейна станции в верхний, тем самым забирая излишки из энергосистемы. В часы максимальных нагрузок вода через гидроагрегаты срабатывается обратно, обеспечивая дополнительную выработку электроэнергии. Таким образом, Загорская ГАЭС выполняет важную регулирующую функцию по сглаживанию пиков нагрузки и заполнению провалов в московской энергосистеме. Кроме этого, гидроагрегаты станции работают в режиме синхронного компенсатора для регулирования напряжения в прилегающей сети 500 кВ.

Установленная мощность Загорской ГАЭС в турбинном режиме составляет 1200 МВт, в насосном режиме – 1320 МВт. Среднегодовая выработка электроэнергии – 1 900 млн киловатт-час. В машинном зале станции установлены 6 обратимых гидроагрегатов.

В 2017 году Загорская ГАЭС отметила 30-летие со дня пуска первого гидроагрегата. За 30 лет эксплуатации станция выработала почти 42 млрд киловатт-час электроэнергии.

Генерирующие мощности

Накопительная гидроэлектроэнергия — Pumped-storage hydroelectricity

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

«Hydro-storage» перенаправляется сюда. Для хранения воды для других целей см. Резервуар .

Схема гидроаккумулятора TVA на гидроаккумулирующей станции Raccoon Mountain

Накачиваемая гидроэлектроэнергия ( PSH ) или гидроаккумулятор ( PHES ) — это тип накопителя гидроэлектрической энергии, используемый электроэнергетическими системами для балансировки нагрузки . Этот метод сохраняет энергию в виде гравитационной потенциальной энергии воды, перекачиваемой из более низкого 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 установку в целом нетто-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 значительные осадки или питается рекой, тогда станция может быть чистым производителем энергии, как традиционная гидроэлектростанция.

Гидроэлектроэнергия с гидроаккумулятором позволяет сохранять энергию из непостоянных источников (таких как солнце , ветер ) и других возобновляемых источников энергии или избыточную электроэнергию из источников постоянной базовой нагрузки (таких как уголь или атомная электростанция) в 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 накопители на сегодняшний день являются наиболее мощными из имеющихся сетевых накопителей энергии , 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 общая установленная пропускная способность превышает 181  ГВт , из которых около 29 ГВт находится в Соединенных Штатах, а общая установленная мощность хранения превышает 1,6  ТВтч , из которых около 250 ГВт-ч приходится на США. Туда-обратно эффективность использования энергии в PSH колеблется от 70% -80%, при этом некоторые источники утверждают , до 87%. Основным недостатком PSH является специализированный характер необходимого участка, требующий как географической высоты, так и наличия воды. Следовательно, подходящие места, вероятно, будут находиться в холмистых или горных регионах и, возможно, в районах выдающейся природной красоты, и, следовательно, существуют также социальные и экологические проблемы, которые необходимо преодолеть. Многие недавно предложенные проекты, по крайней мере, в США, избегают особо чувствительных или живописных районов, а некоторые предлагают воспользоваться преимуществами «заброшенных» мест, таких как заброшенные шахты.

Обзор

Основной принцип

Распределение мощности в течение суток гидроаккумулирующего объекта. Зеленый цвет обозначает мощность, потребляемую насосом; красный — вырабатываемая энергия.

В периоды низкого спроса на электроэнергию избыточная генерирующая мощность используется для закачки воды в верхний резервуар. Когда есть более высокий спрос, вода сбрасывается обратно в нижний резервуар через турбину , вырабатывая электричество. Реверсивные узлы 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 micro-PSH группа насосов и насос как турбина (PAT) могут быть реализованы соответственно для фаз откачки 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 водоемы.

В системах с открытым контуром чистые гидроаккумулирующие установки хранят воду в верхнем водохранилище без естественного притока, в то время как гидроаккумулирующие установки используют комбинацию гидроаккумулирующих и обычных гидроэлектростанций с верхним водохранилищем, который частично пополняется естественными притоками из ручей или река. Станции, которые не используют гидроаккумуляторы, называются обычными гидроэлектростанциями; обычные гидроэлектростанции, которые обладают значительной емкостью хранения, могут играть в электрической сети ту же роль, что и гидроаккумуляторы, путем отсрочки выработки до тех пор, пока она не понадобится.

Экономическая эффективность

Принимая во внимание потери на испарение с открытой поверхности воды и потери преобразования, можно достичь 70–80% и более рекуперации энергии . Этот метод в настоящее время является наиболее экономичным способом хранения больших объемов электроэнергии, но капитальные затраты и наличие соответствующего географического местоположения являются критическими факторами принятия решения при выборе площадок для гидроаккумулирующих станций.

Относительно низкая плотность энергии насосных систем хранения требует либо больших потоков и / или 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 резервуара являются искусственными и в которых естественные притоки не связаны ни с одним из резервуаров, называются системами «замкнутого цикла».

Эти системы могут быть экономичными, поскольку они выравнивают колебания нагрузки в энергосистеме, позволяя тепловым электростанциям, таким как угольные электростанции и атомные электростанции , вырабатывающие электроэнергию при базовой нагрузке, продолжать работать с максимальной эффективностью, снижая при этом потребность в «пиковом» «электростанции, которые используют то же топливо, что и многие тепловые электростанции с базовой нагрузкой, газ и нефть, но спроектированы для гибкости, а не 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 3-5 раз больше, чем у аккумуляторных батарей для коммунальных предприятий.

Верхний резервуар (Llyn Stwlan) и плотина системы гидроаккумулирования Ffestiniog в Северном Уэльсе . Нижняя электростанция имеет четыре гидротурбины, которые вырабатывают 360 МВт электроэнергии в течение 60 секунд после возникновения потребности.

Наряду с управлением энергопотреблением, гидроаккумулирующие системы помогают контролировать частоту электрических сетей и обеспечивать генерацию резервов. 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 также их можно использовать для уменьшения колебаний выходной мощности 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 благодаря ветровой или солнечной энергии, усиление ветровой и солнечной генерации повысит вероятность таких явлений. Особенно вероятно, что гидроаккумулятор станет особенно важным в качестве баланса для очень крупномасштабной фотоэлектрической генерации. Повышенная пропускная способность передачи на большие расстояния в сочетании со значительными объемами накопления энергии будет важной частью регулирования любого крупномасштабного развертывания периодически возобновляемых источников энергии. Высокий уровень проникновения возобновляемой электроэнергии в некоторых регионах обеспечивает 40% годового производства, но 60% может быть достигнуто до того, как потребуется дополнительное хранилище.

Малые объекты

Небольшие гидроаккумулирующие станции 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 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 безопасность водоснабжения важными внешними факторами .

История

Впервые гидроаккумулятор использовали в 1907 году в Швейцарии , на гидроаккумулирующем предприятии Engeweiher около 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 перекачивания воды из реки Хаусатоник в водохранилище на высоте 70 метров (230 футов) над уровнем моря. .

Использование по всему миру

Комплекс Адама Бека

В 2009 году мировая генерирующая мощность гидроаккумулирующих аккумуляторов составляла 104 ГВт , в то время как другие источники заявляют о 127 ГВт, что составляет подавляющее большинство всех типов аккумуляторов электроэнергии коммунального назначения. ЕС было 38,3 ГВт чистой мощности (36,8% от мирового объема) из в общей сложности 140 ГВт гидроэлектростанций и составляет 5% от общей чистой электрической мощности в ЕС. Чистая мощность Японии составляет 25,5 ГВт (24,5% от мировой).

В 2010 г. в США было 21,5 ГВт гидроаккумулирующих мощностей (20,6% от мировой мощности). 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 США в настоящее время строительство новых станций не ведется. в это время.

Ниже перечислены пять крупнейших действующих гидроаккумулирующих станций (подробный список см. В Списке гидроаккумулирующих электростанций ) :

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

Насосные плотины гидроэлектростанций

В обычных плотинах гидроэлектростанций также может использоваться гидроаккумулятор в гибридной системе, которая вырабатывает электроэнергию из воды, естественным образом поступающей в резервуар, а также накапливает воду, перекачиваемую обратно в резервуар из-под плотины. Гранд-Кули в США был расширен с насосом-обратно система в 1973 г. существующих плотин может быть repowered с реверсивным турбины , таким образом увеличивая длину времени завод может работать на полную мощность. По желанию, к плотине может быть добавлена гидроаккумулирующая станция, такая как плотина Рассела (1992 г.), 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 провинциях Хэбэй, Цзилинь, Чжэцзян, Шаньдун и в Синьцзянском автономном районе. Китай стремится к 2020 году построить 40 ГВт гидроаккумулирующих мощностей.

Возможные технологии

Морская вода

Насосные гидроаккумуляторы могут работать с морской водой, хотя существуют дополнительные проблемы по сравнению с использованием пресной воды. 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 гидроаккумулирующего оборудования для морской воды. С тех пор он был выведен из эксплуатации. На Ланаи, Гавайи, был рассмотрен проект гидроаккумулирования 300 МВт с морской водой для Ланаи, Гавайи, а в Ирландии были предложены проекты с морской водой. Пара предлагаемых проектов в пустыне Атакама на севере Чили будет использовать 600 МВт фотоэлектрической солнечной энергии (Skies of Tarapacá) вместе с 300 МВт гидроаккумулятора (Mirror of Tarapacá), поднимающего морскую воду на 600 метров (2000 футов) на прибрежный утес.

Подземные резервуары

Исследовано использование подземных резервуаров. Недавние примеры включают предлагаемый проект Summit в Нортоне, 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. Предлагаемое хранилище энергии на объекте Каллио в Пюхяярви ( Финляндия ) будет использовать 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. Возможности использования подходящего подземного пространства ограничены, но количество подземных хранилищ с насосом может увеличиться, если заброшенные угольные шахты окажутся подходящими.

В Бендиго , Виктория, Австралия, Группа устойчивого развития Бендиго предложила использовать старые золотые рудники 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 в инфраструктурах, таких 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 электростанции обеспечивают распределенное хранение энергии и распределенное гибкое производство электроэнергии и могут способствовать децентрализованной интеграции технологий прерывистой возобновляемой энергии , таких как энергия ветра и солнечная энергия . Резервуары, которые могут использоваться для небольших гидроаккумулирующих электростанций, могут включать естественные или искусственные озера, резервуары внутри других сооружений, таких как ирригационные системы, или неиспользуемые части шахт или подземные военные сооружения. В одном исследовании 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 инструментов политики .

Подводные водоемы

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 является вмещающим 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 затопленного резервуара определяется не гравитационной энергией в традиционном смысле, а скорее вертикальным изменением давления .

Хотя испытание StEnSea проводилось на глубине 100 м в пресноводном Боденском озере , предполагается, что эта 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 гидроаккумулятора соленой воды в этой подводной конфигурации дает ряд преимуществ:

• Земельный участок не требуется,
• Никакая механическая структура, кроме электрического кабеля, не должна перекрывать расстояние разности потенциальной энергии,
• 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 водохранилищем и сетью может быть налажена с близлежащей морской ветряной электростанции, что ограничивает потери при передаче и устраняет необходимость в разрешениях на прокладку наземных кабелей.

Текущий коммерческий проект со сферой с внутренним диаметром 30 м, погруженной на глубину 700 м, будет соответствовать мощности 20 МВтч, что с турбиной 5 МВт приведет к 4-часовому времени 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, традиционному гравитационному насосному хранилищу, способному хранить 20 МВтч в водохранилище размером с 30-метровую сферу, потребуется гидравлический напор 519 м с высотой, перекрываемой водопроводной трубой под давлением, обычно требующей холма или горы. для поддержки.

Домашнее использование

Используя систему гидроаккумуляции цистерн и небольших генераторов, пикогидро может также быть эффективным для домашних систем выработки энергии с «замкнутым циклом».

Смотрите также

Ссылки

внешние ссылки

ГАЭС | Министерство энергетики

Аргоннская национальная лаборатория возглавила несколько новаторских разработок в области моделирования гидроаккумулирующих мощностей.

Гидроэнергетика с гидроаккумулятором: преимущества для надежности сети и интеграции возобновляемых источников энергии (2014)

Дальнейшая поддержка разработки новых блоков PSH и модернизации существующих блоков PSH с регулируемой скоростью внесет вклад в надежность сети и будет способствовать увеличению расширение переменных возобновляемых источников энергии.Дальнейшее развитие PSH можно стимулировать за счет упрощенного лицензирования, как это было предложено HREA в 2013 году для проектов с обратной связью. Более того, ключевые действия, которые могут помочь ускорить развитие PSH в США, включают: (1) разработку инструментов, позволяющих владельцам / операторам гидроаккумулирующих электростанций оценивать возможность перехода от технологий с фиксированной скоростью к технологиям с регулируемой скоростью; и (2) исследовать рыночные механизмы, которые точно компенсировали бы гидроаккумулирующую энергию за полный спектр ценных услуг, предоставляемых энергосистеме.

Моделирование и анализ ценности передовых гидроаккумулирующих гидроаккумуляторов в США (2014)

Целью данного исследования было разработать подробные имитационные модели передовых технологий гидроаккумулирования с целью анализа их технических возможностей для предоставления различных сетевых услуг и оценить ценность этих услуг при различных рыночных структурах и для разных уровней возобновляемых источников энергии, интегрированных в энергосистему. Основными задачами были:

• Улучшить моделирование усовершенствованных PSH и традиционных гидроэлектростанций (CH) в моделях энергосистем и рынка электроэнергии
• Количественно оценить технические возможности передовых PSH-станций для предоставления различных сетевых услуг
• Проанализировать ценность этих услуг при различных рыночных условиях и уровнях переменной возобновляемой генерации (ветровой и солнечной) в энергосистеме
• Предоставьте информацию о полном спектре преимуществ и стоимости электростанций PSH.

Большая часть из 22 гигаватт (ГВт) PSH в стране была введена в эксплуатацию в середине-конце 1970-х годов. Проекты были экономически оправданы для ежедневного энергетического арбитража, основанного на высокой стоимости пиковой генерации, работающей на нефти и природном газе, дешевой угольной и атомной энергии в непиковые периоды, а также капитальных затратах, аналогичных затратам на электростанции с комбинированным циклом. Сегодня, когда природный газ в большинстве случаев остается на грани, а также с повышенной эффективностью и снижением относительных капитальных затрат, связанных с турбинами внутреннего сгорания и парогазовыми установками, энергетического арбитража обычно недостаточно для оправдания новых гидроаккумулирующих установок.Однако хранение обеспечивает дополнительные преимущества гибкости для энергосистемы, и потребность в такой гибкости становится еще больше в результате увеличения переменной ветровой и солнечной генерации. Более того, реструктуризация привела к тому, что Федеральная комиссия по регулированию энергетики (FERC) четко определила A / S, которые помогают количественно определить и оценить требования к гибкости.

Моделирование возможности вторичного регулирования частоты с помощью усовершенствованной технологии PSH и его применение в системе SMUD (2013)

Это один из нескольких отчетов, разработанных для исследования Министерства энергетики США Моделирование и анализ ценности усовершенствованной гидроаккумулирующей гидроэнергетики в США .Исследование проводится Аргоннской национальной лабораторией в сотрудничестве с Siemens PTI, Energy Exemplar, MWH Americas и Национальной лабораторией возобновляемой энергии. Объем работ для исследования состоит из двух основных компонентов: (1) разработка моделей динамического моделирования, не зависящих от поставщиков, для передовых гидроаккумулирующих технологий и (2) анализ производственных затрат и доходов для оценки ценности PSH в энергосистеме.

Было выполнено множество симуляций с использованием системы, примерно основанной на муниципальном коммунальном округе Сакраменто (SMUD).Намерение состояло в том, чтобы использовать систему SMUD в качестве типичного балансирующего органа и члена проектной группы, чтобы протестировать модели передовой гидроаккумулирующей технологии, разработанной в ходе проекта Министерства энергетики, и продемонстрировать потенциальные преимущества этой технологии. Моделирование показало, что передовые технологии накопления насосов могут улучшить возможности вторичного регулирования частоты. Были продемонстрированы преимущества как тройной, так и регулируемой технологии.

Тестирование моделей динамического моделирования для различных типов усовершенствованных гидроаккумулирующих гидроагрегатов (2013)

Этот отчет является одним из нескольких отчетов, разработанных для исследования Министерства энергетики США Моделирование и анализ ценности усовершенствованных гидроаккумулирующих гидроагрегатов в США .Исследование проводится Аргоннской национальной лабораторией в сотрудничестве с Siemens PTI, Energy Exemplar, MWH Americas и Национальной лабораторией возобновляемой энергии. Объем работ для исследования состоит из двух основных компонентов: (1) разработка независимых от поставщика динамических моделей моделирования для передовых гидроаккумулирующих технологий и (2) анализ производственных затрат и доходов для оценки значения PSH в энергосистеме. .

В ходе этого проекта были разработаны и испытаны следующие новые модели динамического моделирования:

• Модель гидроаккумулирующего гидроагрегата с регулируемой скоростью (AS PSH), работающего как турбина
• Модель AS PSH установка, работающая как насос
• Комбинированная модель тройной установки PSH, которая может быть использована для моделирования любого из трех режимов работы данного типа установки, а именно:
  • Как обычная гидротурбина
  • Как обычный гидронасос
  • Как тройной агрегат, работающий в режиме гидравлического короткого замыкания.

Было проведено три испытания, которые продемонстрировали, что новые модели работают хорошо и могут использоваться для типичного анализа динамического моделирования, необходимого при планировании и исследованиях взаимосвязей. Испытания также продемонстрировали новые возможности, доступные в этих моделях (например, использование гидроаккумулирующей установки с регулируемой скоростью для предоставления услуг регулирования в насосном режиме), и показали улучшенные возможности оборудования, такие как более быстрая реакция на системные события. Эти новые модели удовлетворяют основную потребность в деятельности по объединению передающих систем в отношении исследований динамических характеристик системы для новых гидроаккумулирующих установок с регулируемой скоростью или тройных гидроаккумулирующих установок.Эти модели будут очень полезны в исследованиях, посвященных изучению того, как эти технологии могут быть реализованы, чтобы помочь решить проблемы, связанные с растущей интеграцией возобновляемых источников энергии ветра и солнца.

Моделирование тройных гидроаккумулирующих установок (2013)

Это один из нескольких отчетов, разработанных для исследования Министерства энергетики США «Моделирование и анализ ценности современной гидроаккумулирующей гидроаккумулирующей энергии в США» . Исследование проводится Аргоннской национальной лабораторией в сотрудничестве с Siemens PTI, Energy Exemplar, MWH Americas и Национальной лабораторией возобновляемой энергии.Объем работ для исследования состоит из двух основных компонентов: (1) разработка независимых от поставщика динамических моделей моделирования для передовых гидроаккумулирующих технологий и (2) анализ производственных затрат и доходов для оценки значения PSH в энергосистеме. .

Цель этого отчета — предложить структуру модели динамического моделирования энергосистемы для тройного блока PSH, использующего отдельную турбину и насос на одном валу с генератором / двигателем. В сопутствующем отчете предлагается модельная структура для блока PSH с регулируемой скоростью, использующего индукционную машину с двойной подачей (DFIM).

Моделирование гидроаккумулирующих гидроагрегатов с регулируемой скоростью, использующих индукционные машины с двойной подачей (2013)

Это один из нескольких отчетов, разработанных для исследования Министерства энергетики США «Моделирование и анализ ценности перспективных гидроаккумулирующих гидроагрегатов в Соединенных Штатах ». Исследование проводится Аргоннской национальной лабораторией в сотрудничестве с Siemens PTI, Energy Exemplar, MWH Americas и Национальной лабораторией возобновляемой энергии. Объем работ для исследования состоит из двух основных компонентов: (1) разработка независимых от поставщика динамических моделей моделирования для передовых гидроаккумулирующих технологий и (2) анализ производственных затрат и доходов для оценки значения PSH в энергосистеме. .

Цель этого отчета — предложить модельную структуру гидроаккумулирующей гидроагрегата с регулируемой скоростью, использующей индукционную машину с двойным питанием (DFIM).

Обзор существующих имитационных моделей гидроэлектрических турбин и регуляторов (2013)

Это один из нескольких отчетов, разработанных для исследования Министерства энергетики США «Моделирование и анализ ценности передовых гидроаккумулирующих гидроэлектростанций в США ». Исследование проводится Аргоннской национальной лабораторией в сотрудничестве с Siemens PTI, Energy Exemplar, MWH Americas и Национальной лабораторией возобновляемой энергии.Объем работ для исследования состоит из двух основных компонентов: (1) разработка независимых от поставщика динамических моделей моделирования для передовых гидроаккумулирующих технологий и (2) анализ производственных затрат и доходов для оценки значения PSH в энергосистеме. .

Этот отчет включает обзор подходов к исследованиям устойчивости энергосистемы; краткое описание моделирования генераторов, систем возбуждения и турбин-регуляторов; описание конкретных моделей, извлеченных из стандартных библиотек различных программных платформ; а также обсуждение подхода к моделированию обычных агрегатов и установок PSH.

Роль гидроаккумулирующих гидроресурсов на рынке электроэнергии и работе систем (2013)

Наиболее распространенной формой системы хранения энергии для коммунального предприятия является гидроаккумулирующая система. Первоначально эти типы систем хранения были построены для обеспечения генерации в часы пик за счет энергии, которую они накапливали при перекачке в ночное время, а также в качестве резервной копии для атомных электростанций. Недавние тенденции изменения структуры рынка электроэнергии и увеличения объемов переменной возобновляемой генерации позволили гидроаккумуляторам предоставлять другие услуги для поддержки энергосистемы и получать дополнительный доход.Несмотря на то, что темы рыночного дизайна развивались с момента их появления, все еще существуют способы, которыми можно улучшить конструкции, чтобы лучше оценить все возможности, которые могут предложить гидроаккумуляторы, при сохранении справедливой и беспристрастной перспективы. В этом документе представлены некоторые вопросы, которые могут ограничить возможность полностью оценить гидроаккумулирующие гидроаккумуляторы на сегодняшних рынках, и предложены некоторые решения этих проблем.

Большая часть национальных электростанций PSH была запущена в середине-конце 1970-х годов, в то время, когда они могли помочь в обеспечении дешевой электроэнергией в периоды пиковой нагрузки, которую они хранили в течение недорогих ночных периодов.В Соединенных Штатах с этого раннего периода не было значительных добавлений PSH. PSH может предоставлять энергосистеме множество услуг, которые не охвачены современной структурой рынка, такие как повышенная гибкость, первичная частотная характеристика, последующие резервы и оперативные резервы регулирования. Похожая проблема заключается в том, что PSH обычно не адекватно представлен во время оптимизации формулировок обязательств и диспетчеризации на большинстве реструктурированных рынков электроэнергии. Эти вопросы обсуждались вместе с текущим состоянием проектов рынка электроэнергии и тем, как PSH является частью этих проектов.Было показано нынешнее состояние рынка и то, как PSH вписывается в эту структуру рынка. Наконец, в этой статье были представлены и обсуждены потенциальные рыночные изменения, которые могут помочь PSH на сегодняшних реструктурированных рынках.

.

Насосная гидроэнергетика — Ассоциация накопителей энергии

Гравитация — это мощная, неизбежная сила, которая окружает нас во все времена, и она также лежит в основе одной из самых известных технологий хранения энергии — гидроэнергетики. В настоящее время наиболее распространенным типом накопления энергии являются гидроэлектростанции с гидроаккумулятором, и мы использовали эту технологию самотечного накопления в коммунальном масштабе большую часть прошлого века в Соединенных Штатах и ​​во всем мире.

Плотина гидроэлектростанции зависит от протекания воды
турбина для производства электроэнергии, которая будет использоваться в сети.Чтобы хранить
энергии для использования в более позднее время, существует ряд различных проектов, которые
использовать насосы для подъема воды в удерживаемый бассейн за плотиной — создавая
источник энергии по запросу, который можно быстро запустить. Когда больше энергии
необходимо в сети, вода из этого бассейна проходит через турбины для производства
электричество.

Из-за огромного масштаба, достигаемого с помощью этих приложений, это наиболее распространенный тип накопителей энергии на уровне сети, основанный на установленных сегодня мегаваттах.

Накопительная ГЭС

Накачиваемые гидроаккумуляторы хранят энергию в виде воды в верхнем резервуаре, перекачиваемой из другого резервуара на более низкой отметке. В периоды высокого спроса на электроэнергию энергия вырабатывается за счет выпуска накопленной воды через турбины таким же образом, как на обычной гидроэлектростанции. В периоды низкого спроса (обычно по ночам или в выходные дни, когда электричество также стоит дешевле), верхний резервуар пополняется за счет использования более дешевой электроэнергии из сети для перекачки воды обратно в верхний резервуар.

Реверсивные агрегаты насос-турбина / мотор-генератор могут работать как насосы, так и турбины. Насосные гидроаккумулирующие станции отличаются от традиционных гидроэлектростанций тем, что они являются чистым потребителем электроэнергии из-за гидравлических и электрических потерь, возникающих в цикле перекачки из нижнего резервуара в верхний. Однако эти установки обычно очень эффективны (КПД в оба конца превышает 80%) и могут оказаться очень полезными с точки зрения балансировки нагрузки в рамках всей энергосистемы.Насосные хранилища могут быть очень экономичными из-за разницы в ценах в пиковые и внепиковые периоды, а также из-за их способности предоставлять важные вспомогательные сетевые услуги.

Как работает гидроаккумулятор

Проекты гидроаккумулирующих гидроэлектростанций обеспечивали дополнительные возможности накопления энергии и передающие сети в США и Европе с 1920-х годов. Сегодня, по данным Управления энергетической информации (EIA), 43 проекта гидроаккумуляторов, действующих в Соединенных Штатах, обеспечивают около 23 ГВт (по состоянию на 2017 год), или почти 2 процента от мощности системы электроснабжения.

Гидроэнергетика с гидроаккумулятором может обеспечивать балансирование энергии, стабильность, емкость хранения и вспомогательные сетевые услуги, такие как управление частотой сети и резервы. Это связано со способностью гидроаккумулирующих станций, как и других гидроэлектростанций, реагировать на потенциально большие изменения электрической нагрузки в течение нескольких секунд. Исторически сложилось так, что гидроаккумулятор использовался для балансировки нагрузки на систему, что позволяло крупным ядерным или тепловым источникам работать с максимальной эффективностью. Проект гидроаккумулирующего хранилища обычно рассчитан на 6-20 часов хранения гидравлического резервуара для работы на.За счет увеличения мощности электростанции с точки зрения размера и количества блоков генерация гидроаккумулирующих аккумуляторов может быть сконцентрирована и сформирована так, чтобы соответствовать периодам наибольшего спроса, когда они имеют наибольшую ценность.

Проекты гидроаккумуляторов также обеспечивают дополнительные преимущества, такие как повышение мощности и резервов (как дополнительных, так и уменьшающихся), реактивная мощность, возможность пуска с нуля и резерв вращения. В режиме генерации турбогенераторы могут очень быстро реагировать на отклонения частоты, как и обычные гидрогенераторы, тем самым повышая общую балансировку и стабильность сети.Как в режиме турбины, так и в режиме насоса, возбуждение электродвигателя генератора можно изменять, чтобы вносить вклад в нагрузку реактивной мощности и стабилизировать напряжение. При отсутствии генерации и откачки машины также могут работать в режиме синхронного конденсатора или могут работать для обеспечения резерва вращения, обеспечивая возможность быстрого набора нагрузки или уравновешивания избыточной генерации. Накопительное хранилище в масштабе энергосистемы может обеспечить этот тип преимущества балансировки нагрузки для временных интервалов от секунд до часов с помощью регуляторов турбин с цифровым управлением и больших резервуаров для воды для накопления энергии.

.

типов гидроэлектростанций | Министерство энергетики

Вы находитесь здесь

Главная »Типы гидроэлектростанций

Есть три типа гидроэнергетических сооружений: водохранилище, отвод и гидроаккумулятор.Некоторые гидроэлектростанции используют плотины, а некоторые нет. На изображениях ниже показаны оба типа гидроэлектростанций.

Многие плотины были построены для других целей, позже были добавлены гидроэлектроэнергии. В США около 80 000 плотин, из которых только 2400 вырабатывают энергию. Остальные дамбы предназначены для отдыха, прудов / хозяйств, защиты от наводнений, водоснабжения и орошения.

Гидроэлектростанции различаются по размеру от небольших систем для дома или деревни до крупных проектов по производству электроэнергии для коммунальных служб.Размеры гидроэлектростанций описаны ниже.

Водохранилище

Самым распространенным типом гидроэлектростанций является водохранилище. Водохранилище, обычно крупная гидроэнергетическая система, использует плотину для хранения речной воды в резервуаре. Вода, выпущенная из резервуара, проходит через турбину, вращая ее, которая, в свою очередь, приводит в действие генератор для производства электроэнергии. Воду можно выпускать либо для удовлетворения меняющихся потребностей в электроэнергии, либо для поддержания постоянного уровня в резервуаре.

ОТВОД

Водозабор, иногда называемый руслом реки, ведет часть реки через канал или водозабор. Это может не потребовать использования плотины.

НАСОСНОЕ ХРАНЕНИЕ

Другой тип гидроэнергетики, называемый гидроаккумулятором, работает как аккумулятор, накапливая электричество, вырабатываемое другими источниками энергии, такими как солнечная, ветровая и ядерная, для дальнейшего использования.Он накапливает энергию, перекачивая воду вверх в резервуар на более высоком уровне из второго резервуара на более низкой высоте. Когда спрос на электроэнергию низкий, гидроаккумулирующее предприятие накапливает энергию, перекачивая воду из нижнего резервуара в верхний резервуар. В периоды высокого потребления электроэнергии вода сбрасывается обратно в нижний резервуар и вращает турбину, вырабатывая электричество.

РАЗМЕРЫ ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

По размеру сооружения варьируются от крупных электростанций, снабжающих электроэнергией многих потребителей, до малых и микростанций, которые люди используют для собственных нужд в энергии или для продажи энергии коммунальным предприятиям.

Большая гидроэнергетика

Хотя определения различаются, Министерство энергетики определяет крупную гидроэнергетику как объекты мощностью более 30 мегаватт (МВт).

Малая гидроэнергетика

Хотя определения различаются, Министерство энергетики определяет малую гидроэнергетику как проекты, вырабатывающие 10 МВт или меньше энергии.

Микрогидроэнергетика

Микрогидроэлектростанция имеет мощность до 100 киловатт. Небольшая или микрогидроэнергетическая система может производить достаточно электроэнергии для дома, фермы, ранчо или деревни.

Подписаться на The Water Wire

Электронный информационный бюллетень Water Power Technologies Office сообщает о возможностях финансирования, мероприятиях, публикациях и мероприятиях прямо на ваш почтовый ящик.

.

ВЕРБУНД гидроаккумулирующих электростанций

• Отношения с инвесторами

• английский
  Сменить язык или страну

• Suche

• Бизнес-клиенты
  • Поставщики энергии
    • Платформа для клиентов
    • Гидро Консалтинг
    • Контакты и загрузки
  • Операторы завода
    • Малая гидроэнергетика
    • Сила ветра
    • Энергетические услуги
    • Платформа для клиентов

.