Гидроаккумулирующие станции — мощные хранилища энергии

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.