Статьи

Гидро-аккумулирование энергии

4 Июл 2012

Увеличение численности населения в мире и экономический рост ведут к постоянному повышению спроса на энергию, который еще в большей степени возрастает вследствие современного экономического развития таких крупных стран, как Индия и Китай. Озабоченность состоянием окружающей среды и нехваткой ископаемого топлива является главным движущим фактором, заставляющим правительства увеличивать долю возобновляемой энергии в структуре энергетики.

Николай Дроздов , глава Энергетического сектора Alstom Россия

Гидроэлектростанции являются самым важным в мире источником возобновляемой энергии, и здесь существует большой потенциал для дальнейшего развития. В последние годы рынок гидроэлектроэнергии вырос на40 %, и, согласно прогнозам, наблюдаемый рост сохранится на этом высоком уровне. Гидроэлектроэнергия сейчас составляет свыше 16 % мирового производства электроэнергии, при этом используются лишь 33 % потенциально экономически эффективных гидроэнергетических мощностей в мире.

Использование воды для обеспечения запаса энергии

В настоящее время гидроаккумулирование представляет собой самый высокоэффективный, наиболее экономичный и гибкий метод накопления большого количества энергии.

В системах гидроаккумулирования энергии используются два во-дохранилища, сооруженных на разных высотах. Турбонасосы подают воду в верхнее водохранилище, где она хранится во время малозатратного внепикового периода, когда спрос на электроэнергию низкий и используется имеющийся излишек энергии от других электростанций. Когда цены и спрос достигают пика, воду спускают через турбины для генерации гидроэлектрической энергии в нижнее водохранилище, и продажа энергии осуществляется по повышенному тарифу. Благодаря этому электроэнергетические компании получают финансовые преимущества от накопления этой энергии, особенно от источников периодически возобновляемой энергии, таких как солнце и ветер, которая иначе могла быть утеряна.

Гидроэлектроэнергия выводится на полную мощность в течение нескольких минут, что дает возможность быстрого реагирования для поставки энергии в период пиковой нагрузки, и поэтому она является также полезным средством для обеспечения баланса энергосети во время внеплановых отключений других электростанций. В ноябре 2006 г. 20 млн европейских домов остались без света из-за отключения электроэнергии. Альпийские плотины смогли поставить примерно для 5 млн домов 5000 МВт энергии в течение 20 минут, и ГАЭС с регулируемой производительностью в Гранмезон (Изер, Франция) обеспечила от 10 до 20 % этой поставки.

Гидроаккумулирование является целесообразным с точки зрения экономической эффективности, так как обеспечивается трансформация избыточной поставки дешевого электричества во время внепикового периода в дорогостоящую пиковую энергию. Другойважный фактор – это возможность выравнивания колебаний нагрузки в энергосети и балансировка сети. Это помогает снизить общие эксплуатационные расходы на выработку электроэнергии и сглаживает колебания выходной мощности периодических источников энергии.

Обеспечение роста возобновляемой энергии

Переменный характер источников энергии, таких как ветер и солнце, создает новые проблемы вчасти интеграции и оптимизации их вклада в перетоки мощности в сети. Чтобы гарантировать стабильность энергосети, производство должно соответствовать потреблению. По мере увеличения процентной доли источников возобновляемой энергии становится все труднее регулировать частоту сети. Это объясняется тем, что энергия от возобновляемых источников не поддается точному прогнозированию и ее выход может значительно измениться всего за несколько минут. Поэтому количество возобновляемой энергии, которое можно ввести в сеть, ограничено рисками нестабильности, возникающими при этом в электросетях.

Таким образом, для перекрытия перебоев вследствие возрастающей, но переменной мощности от ветряных электростанций и других периодических источников возобновляемой энергии требуется увеличение аккумулирующих емкостей и генерации энергии.

Другой способ, посредством которого гидроаккумулирование может помочь при отходе от использования электростанций на ископаемом топливе, – это накопление избыточной ветряной и солнечной энергии при использовании этих источников. Для эффективного использования зеленой электроэнергии она должна иметься в наличии.

Гидроаккумулирование обеспечивает возможность накопления этой энергии и последующего ввода ее обратно в энергосеть. Гидроаккумулирование энергии повышает общий КПД электростанции и возобновляет около 80 % потребляемой энергии в общем цикле. Гидроаккумулирование также повышает общую эффективность системы, снижая эксплуатационные расходы энергосети за счет того, что обеспечивается продолжение работы базисных электростанций с максимальной производительностью и при этом отпадает или снижается необходимость в пиковых электростанциях, использующих дорогое ископаемое топливо. Электроэнергетические компании могут получать максимальный доход, оптимизировать свое производство и снизить выбросы, а потребители могут получить выгоду от более дешевой и чистой энергии.

Перспективы Гидроаккумулирования энергии

В мире введены в эксплуатацию ГАЭС мощностью свыше 127 ГВт. Гидроаккумулирование энергии вступило в новый этап развития с более гибким рынком энергии, а также с проблемами безопасности и изменения климата, которые вынуждают страны мира в широком масштабе увеличивать производство энергии из возобновляемых источников.

Накопление энергии представляется чрезвычайно важным решением проблем неустойчивости возобновляемых источников. Эта технология облегчает увеличение доли возобновляемой энергии в энергосистеме и считается ключевым фактором отхода от использования электростанций на ископаемом топливе. Она помогает задействовать максимальный потенциал ветряной и солнечной энергии.

В следующие четыре года прогнозируется 60%-й рост рынка гидроаккумулированной энергии, в основном, благодаря ее важности в качестве средства балансировки энергосети – с ежегодным заказом добавленной мощности в среднем 6 ГВт.

Эволюция технологии

Последнее важное новшество в рассматриваемой технологии – это разработка машин с переменной частотой вращения, мощность накачки которых можно регулировать и которые имеют более высокий КПД.

Все турбонасосные агрегаты могут регулировать выходную мощность в турбинном режиме, но только турбонасосы с переменной частотой вращения могут регулировать количество потребляемой энергии в насосном режиме.

На ГАЭС с насосами переменной частотой вращения используют асинхронные электродвигатели-генераторы с регулируемой частотой вращения, которые генерируют или потребляют электричество на частоте сети, но также могут вращаться с другой частотой для регулировки частоты вращения турбонасоса, что облегчает накопление энергии при низком уровне энергии в сети. Их основное преимущество заключается в том, что мощность, поглощаемая при накачке, может изменяться в определенном диапазоне (обычно 30 %), предоставляя оператору электростанции возможность регулирования частоты энергосети даже в насосном режиме.

На традиционных ГАЭС регулировка частоты возможна только в турбинном режиме, что представляет интерес с точки зрения экономичности при высоком спросе на энергию. Операторы электростанций закачивают воду в верхнее водохранилище в периоды низкого потребления мощности, и для того чтобы в эти периоды можно было регулировать частоту в энергосети, операторы должны поддерживать, по крайней мере, один блок в турбинном режиме, когда другие работают в насосном режиме, что приводит к потере части накопленной энергии. Машины с регулируемой частотой вращения позволяют оператору сети выполнять (и с платой за нее) ту же самую функцию (регулирование частоты) в насосном режиме, и при этом проводится наполнение верхнего водохранилища.

Кроме того, такая гибкость позволяет сократить потребление ископаемого топлива, устраняя или снижая необходимость работы каких-либо ТЭС, которые в ином случае должны были бы работать для регулировки частоты энергосети. Это позволяет электроэнергетическим компаниям более экономично эксплуатировать свои мощности, снижая выброс CO2. Благодаря технологии регулирования частоты вращения, электроэнергетические компании могут согласовать поставку с потребностью с точностью до минуты, осуществляя закачку при значительном падении энергопотребления и спуская воду при значительном возрастании энергопотребления. Это позволяет им обеспечить максимальную эффективность потребления топлива и увеличить доходы. Это также означает, что нагрузку можно балансировать с использованием чистого источника возобновляемой энергии, заменив вырабатывающие парниковый газ (и дорогостоящие) ископаемые виды топлива, которые традиционно используются для пиковой нагрузки.

Экономика гидроаккумулирования энергии

В странах с передовыми энергетическими комплексами открытие международных энергетических рынков и введение продажи энергии с немедленной доставкой и немедленным расчетом (покупка и продажа энергии через электроэнергетическую биржу) делают гидроаккумулирование энергии очень прибыльным бизнесом. Электроэнергетические компании могут закачивать воду, когда цены низкие, и спускать воду через турбины и продавать электричество в сеть при максимальном повышении потребления и цен.

Спрос на электричество изменяется в течение дня и от сезона к сезону. На изменение спроса на электричество можно эффективно реагировать путем изменения количества энергии, поставляемого разными источниками. Базисные электростанции, такие как угольные и атомные электростанции, имеют низкие предельные издержки производства электроэнергии, так как у них высокие капитальные расходы и расходы на техобслуживание, но низкие расходы на топливо. Пиковые электростанции, такие как газогенераторные станции, сжигают дорогое топливо, но их изготовление эксплуатация и техобслуживание обходятся дешевле. Для оптимизации общих эксплуатационных расходов на производство электроэнергии, базисная энергия производится в течение большей части времени, а пиковая энергия подается только при необходимости, обычно при пиковом потреблении энергии.

Гидроаккумулирование энергии должно сыграть ключевую роль в обеспечении сбалансированной структуры энергетики, оптимизации эксплуатационных расходов и широкого использования возобновляемой энергии.

Для справки:

Компания Alstom является лидирующим в мире поставщиком гидроэнергетического оборудования и услуг, что подкрепляется долгосрочным удельным весом продукта компании на рынке: в разных странах мира компания установила турбины и генераторы мощностью более 450 ГВт, что составляет около 25 % общей установленной мощности гидроэнергетики в мире.

Концерн изготавливает , устанавливает, обслуживает, восстанавливает и модернизирует все типы гидроэлектростанций, от русловой ГЭС до ГАЭС, и от малогабаритных (5 МВт) до самых крупных в мире гидропроектов. Технология компании является основным фактором для многих бьющих все рекорды известных гидроэлектростанций, включая станцию «Три Ущелья» в Китае, «Ла Гранд» в Канаде и «Итайпу» в Бразилии (поставлено 9800 МВт, 7843 МВт и 7000 МВт, соответственно).

В разных странах мира компания ввела в эксплуатацию или занимается сооружением 139 турбонасосных агрегатов, общей мощностью 22000 МВт. Это делает компанию мировым лидером на рынке поставок оборудования для ГАЭС, изготовившим более 20 % гидроаккумулирующих станций, находящихся в эксплуатации в мире. В период 2000–2009 г. компания выполнила 17 крупных турбонасосных проектов. Из них 11 проектов в Азии, в том числе 8 в Китае и 2 в Европе.

Два последних проекта по турбонасосам в Европе были заказаны концерну для новой гидроаккумулирующей установки 1000 МВт на электростанции Limmern и для электростанции 628 МВт Nant de Drance, обе расположены в Швейцарии.

Источник: Журнал "Энергоэффективность и энергосбережение" № 1-2, 2011 г.

Начало активности (дата): 04.07.2012 11:44:55

← Возврат к списку