Wprowadzenie
Elektrownie szczytowo-pompowe to rodzaj elektrowni wodnych, klasyfikowanych jako forma odnawialnej (zielonej) produkcji energii.
Elektrownie te przekształcają energię potencjalną w energię elektryczną lub odwrotnie. Proces ten odbywa się poprzez przepływ wody z wyższego poziomu na niższy lub pompowanie wody z niższego poziomu na wyższy. Podczas przepływu w dół elektrownia generuje energię elektryczną, a podczas pompowania w górę tworzy magazyn energii potencjalnej. Elektrownie szczytowo-pompowe wykorzystują turbiny Francisa, które mogą działać zarówno jako pompy, jak i turbiny.
Elektrownie szczytowo-pompowe są wykorzystywane do stabilizacji częstotliwości, napięcia i zapotrzebowania na moc w sieci elektroenergetycznej. Często dostarczają dodatkową moc megawatową w okresach szczytowego zapotrzebowania na energię, dlatego nazywane są elektrowniami ‘szczytowymi’.
Wykres zapotrzebowania na moc w sieci elektrycznej
Dzięki możliwości dostarczania energii ‘na żądanie’, elektrownie szczytowo-pompowe charakteryzują się wysoką dyspozycyjnością, co oznacza zdolność do szybkiego dostarczania energii do sieci, gdy jest to potrzebne.
Projekt elektrowni
Niezależnie od lokalizacji, wszystkie elektrownie szczytowo-pompowe wymagają górnego i dolnego zbiornika. Różnica wysokości między nimi, zwana ‘spadem’ (spad ciśnienia), musi być znacząca dla efektywnego działania elektrowni.
Rurociąg ciśnieniowy łączy górny zbiornik z turbiną Francisa w budynku elektrowni, a rura ssąca i kanał odpływowy łączą turbinę z dolnym zbiornikiem.
Układ elektrowni szczytowo-pompowej
Podoba Ci się ten artykuł? Sprawdź nasz kurs wideo o elektrowniach wodnych! Kurs zawiera quiz, podręcznik, a po jego ukończeniu otrzymasz certyfikat. Miłej nauki!
Jak działają elektrownie szczytowo-pompowe
Poniższy film jest fragmentem naszego kursu online o elektrowniach wodnych.
Jak elektrownie szczytowo-pompowe generują energię
Woda przepływa z górnego zbiornika przez rurociąg ciśnieniowy do turbiny Francisa. Gdy woda przepływa przez łopatki wirnika, różnica ciśnień generuje moment obrotowy na wirniku, który zaczyna się obracać.
Wirnik turbiny jest połączony z generatorem elektrycznym. Obracający się wirnik indukuje prąd w uzwojeniach stojana generatora, co powoduje przepływ prądu elektrycznego. Prąd ten jest przesyłany do odbiorców końcowych przez rozdzielnię i transformator.
Sieć elektryczna
Woda opuszczająca turbinę wchodzi do rury ssącej, gdzie część energii kinetycznej jest odzyskiwana i przekształcana w energię potencjalną, a następnie przepływa do kanału odpływowego i dolnego zbiornika.
W tym procesie energia potencjalna wody jest przekształcana przez wirnik turbiny w energię mechaniczną, która następnie jest zamieniana na energię elektryczną przez generator. Proces ten trwa, dopóki górny zbiornik nie zostanie opróżniony.
Jak elektrownie szczytowo-pompowe magazynują energię
Woda jest pompowana z dolnego do górnego zbiornika przez wirnik turbiny Francisa, działający jako pompa. Ścieżka przepływu jest taka sama jak podczas generowania energii, ale kierunek przepływu jest odwrócony.
Ekonomia elektrowni szczytowo-pompowych
Elektrownie szczytowo-pompowe wykorzystują zmienność cen energii elektrycznej do generowania zysków. Wiele elektrowni cieplnych (opartych na węglu, gazie itp.) nie może szybko zmieniać swojej mocy, co powoduje, że produkują one prawie tyle samo energii w nocy, co w ciągu dnia.
W ciągu dnia, gdy zapotrzebowanie i ceny energii są wysokie, elektrownie szczytowo-pompowe sprzedają energię, którą wcześniej kupiły po niższej cenie w nocy, aby pompować wodę do górnego zbiornika.
Przykład 1
Energia jest kupowana po 1ct/kWh, aby pompować wodę z dolnego do górnego zbiornika.
Energia jest sprzedawana po 2ct/kWh, gdy woda przepływa z górnego do dolnego zbiornika.
Elektrownia szczytowo-pompowa generuje 1ct/kWh zysku, ponieważ:
2ct/kWh (sprzedaż) - 1ct/kWh (zakup) = 1ct/kWh (zysk).
Choć elektrownie te działają w ten sposób od lat, wzrost odnawialnych źródeł energii zmienia dynamikę rynku.
Przykład 2
W słoneczny i wietrzny dzień, gdy elektrownie słoneczne i wiatrowe generują dużo energii, ceny energii mogą spaść na tyle, że elektrownie szczytowo-pompowe mogą kupować energię w ciągu dnia.
W takim scenariuszu elektrownie te działają zarówno w dzień, jak i w nocy, aby zrównoważyć nadmiar energii w sieci i dostarczać ją w okresach szczytowego zapotrzebowania. To nowe podejście sprawia, że elektrownie szczytowo-pompowe stają się bardziej zintegrowane z siecią elektroenergetyczną.
Komponenty modelu 3D
Model 3D przedstawia wszystkie główne komponenty typowej elektrowni szczytowo-pompowej, w tym:
- Górny i Dolny Zbiornik
- Rurociąg ciśnieniowy
- Kratka na śmieci
- Zawory odcinające
- Aparatura rozdzielcza
- Wirnik turbiny (Francisa)
- Obudowa spiralna/wolutowa
- Rura ssąca
- Generator
- Transformator elektryczny
- Rozdzielnia na otwartym powietrzu
Dodatkowe zasoby
http://www.wvic.com/content/how_hydropower_works.cfm
https://science.howstuffworks.com/environmental/energy/hydropower-plant.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine