Na wystawie w Cogiteonie. Co się działo, zanim ludzie stworzyli cywilizację? cz.2
Zaczęło się dawno, dawno temu, gdy przodkowie ludzi i szympansów poszli własnymi ewolucyjnymi...
Jak działa elektrownia szczytowo-pompowa? Jezioro w roli magazynu energii
- Tekst: Gabriela Zielińska
Zbiorniki wodne, oprócz tego, że są ważnym elementem ekosystemu przyrodniczego oraz stanowią atrakcyjne miejsca wypoczynku, mogą też pełnić rolę „gigantycznych magazynów energii”. Umożliwiają one przechowywanie nadwyżek energii elektrycznej oraz ich odzyskiwanie w czasie zwiększonego zapotrzebowania. Jak to możliwe? Z orzeźwiającym pluskiem wody w tle, zapraszamy na opowieść o pewnym genialnym rozwiązaniu technicznym.
Energia elektryczna powstaje w wyniku przetworzenia innych rodzajów energii. Można ją wytworzyć z energii chemicznej paliw kopalnych, uwalnianej poprzez ich spalanie. Może być też uzyskana między innymi z energii kinetycznej turbin wiatrowych i wodnych lub energii rozszczepienia atomu.
Przetwarzanie energii
Pozyskana w ten sposób energia jest wykorzystywana do wygenerowania napięcia elektrycznego (np. w naszych domowych gniazdkach elektrycznych wynosi ono 230 V). Tu jednak pojawia się problem: energii elektrycznej nie można zmagazynować, musi zostać powtórnie przetworzona na inny rodzaj energii.
Energia elektryczna trafiająca do sieci dystrybucyjnej może służyć jedynie na pokrycie bieżącego zapotrzebowania. Jednak zużycie energii w ciągu doby nie jest jednakowe, częściowo wynika to z naszych zwyczajów i potrzeb, ale także z warunków klimatycznych [1], [2].
Najczęściej w ciągu doby występują dwa piki zwiększonego poboru prądu – poranny i popołudniowo-wieczorny, kiedy działa oświetlenie oraz wiele urządzeń domowych, w tym energochłonne urządzenia grzewcze. W tym czasie chwilowe zapotrzebowanie odbiorców może przekroczyć możliwości elektrowni, co groziłoby spadkami napięcia. Są też takie momenty, głównie w nocy, kiedy produkcja energii przewyższa jej zużycie. Nadwyżki te muszą być jednak przetworzone w inny rodzaj energii, aby mogły zostać przechowane i powtórnie uwolnione do sieci energetycznej w momencie, kiedy pojawi się zapotrzebowanie. Dzięki temu produkcja energii z elektrowni nie musi być stale dostosowywana do chwilowego zużycia, co byłoby strategią bardzo kosztochłonną i technologicznie nieefektywną.
Nadwyżki energetyczne mogą być między innymi przechowywane w akumulatorach i bateriach lub posłużyć do elektrolizy wody, w wyniku której powstaje wodór wykorzystywany jako paliwo w silnikach spalinowych i ogniwach chemicznych. Energia może być też wykorzystana do wprawienia w ruch wirowy kół zamachowych, tak aby odzyskać ją przy ich zahamowaniu. Jednak najbardziej efektywnymi i pojemnymi magazynami energii spośród obecnie stosowanych rozwiązań są elektrownie szczytowo-pompowe [3].
Największa w Polsce elektrownia – Bełchatów. Energia elektryczna pozyskiwana jest tam ze spalania węgla brunatnego. Fot. PGEGiEK, CC BY-SA
Ostatnio dodane do Rozoom
Elektrownia, która nie wytwarza prądu, tylko go przechowuje
Elektrownia szczytowo-pompowa jest szczególnym typem elektrowni wodnej. Jej zasada działania polega na naprzemiennym zużyciu i uwalnianiu energii w ciągu doby. Elektrownie te składają się z dwóch dużych zbiorników wodnych położonych na różnych wysokościach terenu i połączonych rurociągiem. Najczęściej są to sztuczne jeziora lub akweny stworzone przez spiętrzenie rzeki zaporą. Drugą, nie mniej ważna składową elektrowni jest budowla hydrotechniczna mieszcząca zespół turbin. To one są sercem elektrowni.
Nadwyżki energii z sieci dystrybucyjnej kierowane są do elektrowni szczytowo-pompowej. Tu energia elektryczna jest przetwarzana na energię mechaniczną wprawiającą w ruch turbiny. Wirujące łopatki turbin przetłaczają wodę pod górę. Woda wpływa do górnego zbiornika, który działa jako magazyn energii.
Woda zmagazynowana w górnym zbiorniku posiada wysoką energię potencjalną, którą będzie mogła oddać spływając swobodnie w dół zgodnie z grawitacją. Energia ta nie jest zgromadzona w wodzie, ale wynika z wysokości, na jakiej znajduje się górny zbiornik w stosunku do otaczającego go terenu.
W momencie wzrostu zapotrzebowania energetycznego rozpoczyna się zrzut wody w celu uwolnienia energii. Otwierane są zawory w górnym zbiorniku, a woda spływając przez rurociąg wprawia w ruch łopatki turbin. Uruchomiony turbogenerator produkuje energię elektryczną, która następnie trafia do sieci dystrybucyjnej i pokrywa zwiększone zapotrzebowanie na energię. W tym przypadku „szlak przekształcania energii” biegnie w przeciwnym kierunku: od energii potencjalnej wody spływającej w dół, poprzez energię mechaniczną turbin, do wytwarzanej przez nie energii elektrycznej. [4], [5]
Istnieją różne rodzaje turbin, o odmiennej konstrukcji (np. turbiny Francisa, Peltona, Kaplana, Deriaza). Jednak w elektrowniach szczytowo-pompowych używane są głównie te, które mogą działać jako maszyny odwracalne, czyli takie, które umożliwiają wykorzystanie tej samej turbiny jako pompy tłoczącej wodę w górę, jak i tradycyjnej turbiny używanej do generowania prądu przy zrzucie wody. Z tego właśnie względu najpowszechniej stosowane w tym typie elektrowni są turbiny Francisa [6].
Technologia przyszłości?
Elektrownie szczytowo-pompowe nie mogą istnieć oderwane do reszty systemu energetycznego. Ze względu na zasadę działania są uzależnione od nadwyżek energii z innych elektrowni.
Same elektrownie szczytowo-pompowe nie generują zanieczyszczeń powietrza. Jednak nie można już tego powiedzieć o tradycyjnych elektrowniach spalających paliwa kopalne. A to właśnie z nich w dużej mierze pochodzi energia magazynowana w rezerwuarach wodnych elektrowni szczytowo-pompowych. Dlatego ekologiczne elektrownie szczytowo pompowe warto łączyć z innymi ekologicznymi źródłami energii, na przykład z elektrowniami wiatrowymi lub farmami paneli fotowoltaicznych, tak aby rozwiązania te uzupełniały się. Taki zintegrowany system farm wiatrowych i elektrowni szczytowo-pompowych zamierzają wprowadzić na szeroką skalę Australijczycy na Tasmanii, wykorzystując naturalne uwarunkowania i rzeźbę terenu tej wyspy. [7]
Turbina Francisa, fot. Qurren, CC BY-SA
Ostatnio dodane w Rozoom
Turbiny wiatrowe nie powodują żadnych zanieczyszczeń powietrza, ale ich efektywność jest uzależniona od kaprysów pogody i siły wiatru. Z tego względu doskonale sprawdzają się jako rozwiązanie dopełniające system energetyczny, jednak nie mogą być jego głównym filarem. Drugim elementem układanki są właśnie elektrownie szczytowo-pompowe, działające jak magazyny energii. Nadwyżki energii produkowanej przez turbiny wiatrowe mogą służyć do przepompowywania wody do zbiorników elektrowni. A kiedy wiatr ustaje i potrzebne jest dodatkowe zasilanie, wystarczy zrzucić wodę z górnych zbiorników elektrowni i wyprodukować prąd. W ten sposób zachowywana jest ciągłość dostaw energii, a co najważniejsze – energii pozyskiwanej bez emisji dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych.
Na terenie Polski również znajduje się kilka elektrowni szczytowo-pompowych. Wśród obecnie działających można wymienić Elektrownię Wodną Żarnowiec, Elektrownię Porąbka-Żar, Zespół Elektrowni Wodnych Solina-Myczkowce, Elektrownię Żydowo oraz położony w województwie małopolskim Zespół Elektrowni Wodnych Niedzica.
Zdjęcie w nagłówku: widok z góry na hiszpańską elektrownię Cortes-La Muela.
Po prawej górne jezioro, po lewej rzeka, z której pobierana i do której oddawana jest woda.
Fot. www.nsenergybusiness.com
* * *
Bezpośrednią inspiracją dla tego artykułu są treści, które opracowujemy dla Was tworząc wystawę stałą Cogiteonu.
Uchylając rąbka tajemnicy, już teraz możemy powiedzieć, że znajdziecie u nas eksponat przybliżający zasadę działania elektrowni szczytowo-pompowej.
Źródła:
- [1] How Energy Use Varies with the Seasons, pjm.com
- [2] Torriti J. (2017) – Understanding the timing of energy demand through time use data: Time of the day dependence of social practices, Energy Research & Social Science, Vol. 25
- [3] Magazynowanie energii elektrycznej, Wikipedia
- [4] Pumped Hydro Storage, GE Renowable Energy
- [5] Pumped Storage Hydropower, Energy.gov
- [6] Francis turbine, Energy Education
- [7] Battery of the Nation, HydroTasmania
Infografika prezentująca zasadę działania elektrowni szczytowo-pompowej. Ilustr. Gabriela Zielińska
