{"id":11612,"date":"2011-02-09T14:39:06","date_gmt":"2011-02-09T13:39:06","guid":{"rendered":"http:\/\/elektrosystemy.pl\/?p=11612"},"modified":"2015-11-05T14:57:33","modified_gmt":"2015-11-05T13:57:33","slug":"nowe-technologie-elektrowni-szczytowo-pompowych","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/?p=11612","title":{"rendered":"Nowe technologie elektrowni szczytowo-pompowych"},"content":{"rendered":"

\"ES_02_2011\"<\/a>Wodne elektrownie szczytowo-pompowe przeznaczone s\u0105 do gromadzenia pobranej energii elektrycznej, a nast\u0119pnie oddawania jej do sieci. W porze niskiego zapotrzebowania na moc, nadmiar energii elektrycznej w systemie s\u0142u\u017cy do pompowania wody do g\u00f3rnego zbiornika. W okresie zwi\u0119kszonego popytu woda sp\u0142ywa z g\u00f3rnego do dolnego zbiornika przez turbin\u0119, generuj\u0105c moc elektryczn\u0105. Odwracalne turbozespo\u0142y dzia\u0142aj\u0105 wi\u0119c na przemian jako silnik-pompa lub turbina-generator.<\/strong><\/p>\n

Uwzgl\u0119dniaj\u0105c ubytek odparowanej wody i straty w turbozespole, przy wytwarzaniu elektryczno\u015bci odzyskuje si\u0119 jedynie 70 do 85% energii pobranej na przet\u0142oczenie wody do g\u00f3rnego zbiornika. G\u0142\u00f3wne zadanie elektrowni szczytowo-pompowych polega na wyr\u00f3wnywaniu bilansu mocy w systemie elektroenergetycznym. Poprawia to ekonomik\u0119 wytwarzania energii, gdy\u017c umo\u017cliwia prac\u0119 najwi\u0119kszych \u017ar\u00f3de\u0142 podstawowych, jak elektrownie cieplne i atomowe ze sta\u0142ym, optymalnym obci\u0105\u017ceniem, zapewniaj\u0105cym najwy\u017csz\u0105 sprawno\u015b\u0107. Eliminuje si\u0119 przy tym konieczno\u015b\u0107 u\u017cycia dodatkowych \u017ar\u00f3de\u0142 w\u0142\u0105czanych kr\u00f3tkotrwale dla pokrycia zapotrzebowania szczytowego. Si\u0142ownie te spe\u0142niaj\u0105 tak\u017ce wa\u017cne zadanie regulacji cz\u0119stotliwo\u015bci z uwagi na szybko\u015b\u0107 reakcji na nag\u0142e zak\u0142\u00f3cenia r\u00f3wnowagi popytu i generacji. Niestety koszty budowy elektrowni szczytowo-pompowych s\u0105 bardzo wysokie.<\/p>\n

\"Rys.

Rys. 1. Schemat pogl\u0105dowy elektrowni CAES:
1 \u2013 spr\u0119\u017carka,
2 \u2013 odwracalny generator-silnik,
3 \u2013 turbina gazowa,
4 \u2013 podziemne zbiorniki powietrza<\/p><\/div>\n

Pierwsze elektrownie szczytowo-pompowe zbudowano ju\u017c w latach 90. XIX wieku. W 2009 r. \u0142\u0105czna moc zainstalowana w elektrowniach szczytowo-pompowych na \u015bwiecie przekroczy\u0142a 127 GW. Przewiduje si\u0119, \u017ce do 2014 r. warto\u015b\u0107 ta wzro\u015bnie do 203 GW. \u015awiatowym liderem s\u0105 Stany Zjednoczone z potencja\u0142em wytw\u00f3rczym 21,5 GW, co stanowi 2,5 % wszystkich mocy zainstalowanych w tym kraju. Warto zwr\u00f3ci\u0107 uwag\u0119, \u017ce praca tych \u017ar\u00f3de\u0142 powoduje wypadkowy pob\u00f3r (czyli strat\u0119) 6288 GWh\/rok energii elektrycznej. Ta niema\u0142a w sensie fizycznym strata jest oczywi\u015bcie z nawi\u0105zk\u0105 kompensowana przez wspomniane korzy\u015bci dla systemu elektroenergetycznego. Natomiast kraje UE dysponuj\u0105 moc\u0105 38,3 GW (2007 r.) z og\u00f3lnej mocy 140 GW zainstalowanych w energetyce wodnej.<\/p>\n

Nowe technologie<\/strong><\/p>\n

Dla podniesienia efektywno\u015bci dzia\u0142ania elektrowni pompowo-szczytowych opracowano szereg udoskonale\u0144 stosowanych rozwi\u0105za\u0144. Wykorzystano podziemne zbiorniki, np. nieczynne kopalnie soli. Roztw\u00f3r soli jest g\u0119stszy od wody s\u0142odkiej o oko\u0142o 20%, dzi\u0119ki czemu wzrasta energia mechaniczna cieczy gromadzonej w g\u00f3rnym zbiorniku. Inny pomys\u0142 polega na wykorzystaniu turbin wiatrowych lub nawet energii s\u0142onecznej do nap\u0119du pomp t\u0142ocz\u0105cych. Obiecuj\u0105ce perspektywy rokuje te\u017c lokalizacja tych si\u0142owni nad morzem, kt\u00f3re s\u0142u\u017cy\u0142oby za dolny zbiornik.<\/p>\n

\"Rys.

Rys. 2. Widok elektrowni Huntorf<\/p><\/div>\n

Potwierdzone w praktyce korzy\u015bci przynios\u0142o wdro\u017cenie nowej koncepcji wykorzystania energii spr\u0119\u017conego powietrza. Technologia nazwana skr\u00f3towo CAES (compressed air energy storage) jest modyfikacj\u0105 tradycyjnego cyklu elektrowni pompowo-szczytowych opartych na turbinach gazowych. Technologia ta wykorzystuje tani\u0105, pozaszczytow\u0105 energi\u0119 elektryczn\u0105 do gromadzenia spr\u0119\u017conego powietrza, kt\u00f3re nast\u0119pnie s\u0142u\u017cy do nap\u0119du turbiny gazowej w porze szczytu. Tradycyjne elementy cykli z turbin\u0105 gazow\u0105 (GT \u2013 gas turbine) i uk\u0142adu turbiny gazowo-parowej (CC \u2013 combined cycle) zosta\u0142y w technologii CAES skonfigurowane odmiennie, w spos\u00f3b zapewniaj\u0105cy ich lepsze wykorzystanie. G\u0142\u00f3wna r\u00f3\u017cnica mi\u0119dzy technologiami CAES, a GT i CC dotyczy stopnia spr\u0119\u017cania. W uk\u0142adzie CAES spr\u0119\u017carka powietrza i turbina gazowa s\u0105 ca\u0142kowicie rozdzielone, natomiast w uk\u0142adach GT i CC urz\u0105dzenia te zainstalowano na wsp\u00f3lnym wale. Konwencjonalna turbina gazowa pracuje dzi\u0119ki spalaniu mieszaniny powietrza z paliwem. Nast\u0119pnie mieszanina ta ulega rozpr\u0119\u017caniu w rozpr\u0119\u017caczu niskoci\u015bnieniowym. Sprawno\u015b\u0107 turbiny gazowej zale\u017cy od przep\u0142ywu masy i temperatury spalin wylotowych. Niezb\u0119dny przep\u0142yw mieszanki zapewnia spr\u0119\u017carka zabudowana na tym samym wale. Moc netto uk\u0142adu GT r\u00f3wna si\u0119 uzyskanej mocy mechanicznej, pomniejszonej o moc nap\u0119dow\u0105 spr\u0119\u017carki. Znaczna ilo\u015b\u0107 ciep\u0142a uchodz\u0105ca do atmosfery obni\u017ca sprawno\u015b\u0107 uk\u0142adu. W uk\u0142adzie CC spaliny wylotowe przep\u0142ywaj\u0105 przez odzysknicowy kocio\u0142 parowy, kt\u00f3ry zasila turbin\u0119 parow\u0105. W tym uk\u0142adzie sprawno\u015b\u0107 wzrasta o wielko\u015b\u0107 odpowiadaj\u0105c\u0105 ciep\u0142u wykorzystanemu w turbinie parowej.
\n\"tab_olsz2\"
\nNatomiast w technologii CAES oddzielny zesp\u00f3\u0142 spr\u0119\u017carek nape\u0142nia w porze pozaszczytowej podziemny zbiornik (np. pieczar\u0119 skaln\u0105) powietrzem o wysokim ci\u015bnieniu. W godzinach szczytu energetycznego zmagazynowane powietrze spr\u0119\u017cone zostaje wypuszczone ze zbiornika i po drodze ulega jeszcze podgrzaniu przez spaliny wylotowe z cz\u0119\u015bci niskopr\u0119\u017cnej turbiny gazowej. Cz\u0119\u015b\u0107 ciep\u0142a zawartego w tym wysokoci\u015bnieniowym strumieniu podgrzanego powietrza zostaje odzyskana w rozpr\u0119\u017caczu wysokiego ci\u015bnienia. Uzyskany strumie\u0144 powietrza ulega nast\u0119pnie wymieszaniu z paliwem. Po zap\u0142onie mieszanina przep\u0142ywa przez cz\u0119\u015b\u0107 niskopr\u0119\u017cn\u0105 konwencjonalnej turbiny gazowej. Znaczna cz\u0119\u015b\u0107 ciep\u0142a pozosta\u0142ego w strumieniu wylotowym s\u0142u\u017cy do podgrzania wysokoci\u015bnieniowego strumienia powietrza wyp\u0142ywaj\u0105cego ze zbiornika. Moc netto uk\u0142adu CAES jest sum\u0105 mocy wytworzonych przez cz\u0119\u015bci wysoko- i niskopr\u0119\u017cn\u0105 turbiny. Energia elektryczna zu\u017cywana do nap\u0119du spr\u0119\u017carek jest pobierana w porze pozaszczytowej. Istotna oszcz\u0119dno\u015b\u0107 wynika w\u0142a\u015bnie z poboru taniej energii elektrycznej do nap\u0119du spr\u0119\u017carek, co umo\u017cliwia wykorzystanie ca\u0142ej wytworzonej mocy w turbinie gazowej do produkcji energii elektrycznej w porze szczytowego zapotrzebowania. Nast\u0119pn\u0105 zalet\u0105 uk\u0142adu CAES jest wykorzystanie zaworu regulacyjnego zapewniaj\u0105cego sta\u0142y wyp\u0142yw powietrza ze zbiornika. Dzi\u0119ki temu cz\u0119\u015bci wysoko- i niskopr\u0119\u017cne turbin uzyskuj\u0105 sta\u0142e, optymalne warunki pracy.
\nWy\u017cszo\u015b\u0107 technologii CAES najlepiej uwidacznia por\u00f3wnanie mocy uzyskiwanych z om\u00f3wionych uk\u0142ad\u00f3w wykorzystuj\u0105cych t\u0119 sam\u0105 turbin\u0119 gazow\u0105 firmy Alstom typu 11NM:
\n\u2022 CAES \u2013 300 MW,
\n\u2022 CC \u2013 130 MW,
\n\u2022 GT \u2013 87 MW.<\/p>\n

Wdro\u017cenia<\/strong><\/p>\n

Dotychczas technologia CAES zosta\u0142a wdro\u017cona w dw\u00f3ch elektrowniach szczytowych: Huntorf (Niemcy) \u2013 290 MW oraz McIntosh Alabama (USA) \u2013 110 MW. Obecnie trwaj\u0105 prace nad realizacj\u0105 si\u0142owni Norton Energy Storage (NES) w stanie Ohio (USA) o docelowej mocy 2700 MW. Elektrownia NES b\u0119dzie wykorzystywa\u0107 tani\u0105, pozaszczytow\u0105 (nocn\u0105) energi\u0119 z niedoci\u0105\u017conych elektrowni podstawowych do wype\u0142niania spr\u0119\u017conym powietrzem podziemnego zbiornika o pojemno\u015bci 10 mln m3<\/sup>. W porze dziennej powietrze uchodz\u0105ce ze zbiornika b\u0119dzie po wymieszaniu z gazem ziemnym nap\u0119dza\u0107 dziewi\u0119\u0107 turbin o mocy 300 MW ka\u017cda.<\/p>\n

\"Rys.

Rys. 3. Rozmieszczenie obiekt\u00f3w elektrowni Huntorf<\/p><\/div>\n

Usytuowana w p\u00f3\u0142nocnych Niemczech E.ON Kraftwerke Huntorf zosta\u0142a uruchomiona w 1978 r. jako pierwsza w \u015bwiecie elektrownia pompowo-szczytowa w technologii CAES. W obiekcie wykorzystano istniej\u0105ce dwie pieczary solne o \u0142\u0105cznej pojemno\u015bci 310 tys. m3<\/sup>, si\u0119gaj\u0105ce g\u0142\u0119boko\u015bci 800 m. Podczas cyklu roboczego ci\u015bnienie gromadzonego powietrza zmienia si\u0119 od 70 do 43 (wyj\u0105tkowo 20) atmosfer, przy czym dopuszczalna szybko\u015b\u0107 jego zmian wynosi 15 atmosfer na godzin\u0119. Przy pracy turbiny gazowej z nominalnym przep\u0142ywem powietrza 417 kg\/s uzyskuje si\u0119 moc netto 290 MW. Spr\u0119\u017carka pobiera 60 MW do wt\u0142aczania 108 kg\/s powietrza. Nape\u0142nianie pieczar zajmuje do 12 godzin, za\u015b ich opr\u00f3\u017cnianie oko\u0142o trzech godzin. Pieczary solne wytrzymuj\u0105 zmiany ci\u015bnienia w bardzo szerokich granicach: od atmosferycznego do 100 atmosfer. Liczba cykli pracy turbozespo\u0142u, czyli spr\u0119\u017cania-rozpr\u0119\u017cania, waha si\u0119 w ci\u0105gu roku od kilkudziesi\u0119ciu do czterystu.<\/p>\n

Piotr Olszowiec<\/strong>
\nna podstawie artyku\u0142u<\/strong>
\n\u201eThe worldwide development <\/strong>
\nand rehabilitation<\/strong>
\nof pumped storage project\u201d,<\/strong>
\nHydroWorld. com 2010<\/strong><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Wodne elektrownie szczytowo-pompowe przeznaczone s\u0105 do gromadzenia pobranej energii elektrycznej, a nast\u0119pnie oddawania jej do sieci. W porze niskiego zapotrzebowania na moc, nadmiar energii elektrycznej w systemie s\u0142u\u017cy do pompowania wody do g\u00f3rnego zbiornika. W okresie zwi\u0119kszonego popytu woda sp\u0142ywa z g\u00f3rnego do dolnego zbiornika przez turbin\u0119, generuj\u0105c moc elektryczn\u0105. Odwracalne turbozespo\u0142y dzia\u0142aj\u0105 wi\u0119c na…<\/p>\n","protected":false},"author":3,"featured_media":11614,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":[],"categories":[688],"tags":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/11612"}],"collection":[{"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/3"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=11612"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/11612\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":11617,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/11612\/revisions\/11617"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/11614"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=11612"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=11612"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=11612"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}