Два кристально чистых голубых озера в швейцарском кантоне Вале, Лак-д'Эмоссон и Лак-дю-Вьё-Эмоссон, на первый взгляд выглядят как множество местных ледниковых озёр, окружённых горами и обдуваемых ветрами, дующих со склонов близлежащего Монблана. Но первое впечатление может быть обманчивым: водоёмы-близнецы являются центральными компонентами «Нан-де-Дранс», одной из самых оригинальных батарей в мире.
Такие проекты, известные как гидроаккумулирующие электростанции, которые накапливают электроэнергию в виде потенциальной энергии воды, перекачивая её вверх, приобретают всё большее значение, поскольку страны начинают включать возобновляемые источники энергии в свои энергетические балансы. Возобновляемые источники энергии непостоянны — в изобилии только тогда, когда светит солнце и дует ветер — поэтому, чтобы полностью заменить ископаемые виды топлива, они должны быть в состоянии круглосуточно удовлетворять потребности в энергии и поддерживать хрупкий баланс энергосистемы между спросом и предложением.
Сила воды
Европейский Союз имеет одни из самых высоких амбиций в мире в отношении смягчения последствий изменения климата. Существует жёсткий график почти полного прекращения использования ископаемого топлива и достижения углеродной нейтральности. Это означает, что подавляющее большинство видов личной и экономической деятельности, требующих энергии, должны быть электрифицированы из ВИЭ. По данным Европейской ассоциации хранения энергии (EASE), к концу десятилетия ЕС потребуются мощностью 200 ГВт накопителей энергии, а к 2050 году — 600 ГВт.
Поскольку развитые страны заинтересованы в использовании энергии из ВИЭ, существует необходимость хранения этой энергии, которая производится с перерывами в зависимости от погодных условий и времени суток. В то время как плотные аккумуляторные блоки являются решением проблемы, этим устройствам хранения нужны редкие металлы, такие как никель, кобальт и литий, добыча которых не является экологически чистым.
Учёные во всем мире экспериментируют с другими методами хранения энергии, такими как использование двуокиси углерода или использование грузоподъёмности лифтов в небоскрёбах для быстрого рассеивания энергии при пиковых нагрузках. Хотя они в значительной степени всё ещё являются экспериментальными, использование «водяных батарей» является давно известным рабочим методом. Гидроаккумуляторы являются наиболее ёмким типом накопителей энергии, доступных в настоящее время. Гидроаккумуляторы особенно полезны для хранения избыточной энергии, вырабатываемой прерывистыми источниками энергии, такими как ветер, Солнце и атомная энергия. Энергия перекачивается в верхний бассейн в периоды перепроизводства, а затем может быть высвобождена для производства энергии в периоды высокого спроса.
Примерная схема гидроаккумуляторной станции
Гидроаккумулятор мощностью 900 МВт, который обошёлся Швейцарии в 2 миллиарда евро и строился 14 лет, запущен в работу. Аккумулятор расположен на глубине 600 м под землёй в швейцарских Альпах. Электростанция, построенная компанией Nant de Drance, была введена в эксплуатацию 1 июля 2022 года.
Гидроаккумулятор состоит из двух больших бассейнов с водой, расположенных на разной высоте. Когда выработка электроэнергии высока, избыточная мощность используется для перемещения воды из нижнего бассейна в бассейн повыше, что аналогично зарядке обычной батареи. Когда потребление электроэнергии увеличивается, вода с более высокого уровня спускается и, направляясь в нижний бассейн, проходит через турбины, которые вырабатывают электроэнергию. Это экологическая батарея, которая использует одну и ту же воду снова и снова. Выход составляет более 80 %: на каждый киловатт-час электроэнергии, используемый для перекачки воды вверх по течению, 0,8 подаётся в сеть.
Швейцарская гидроаккумуляторная станция имеет ёмкость хранения 20 миллионов кВтч, что эквивалентно ёмкости батарей от 400 000 электромобилей, и предназначена для стабилизации энергосистемы в Швейцарии и других подключённых сетей в Европе. На станции установлены шесть турбин, которые могут генерировать 900 МВт электроэнергии. Эти турбины-насосы практически не имеют аналогов в мире по своим размерам и используемой технологии. Менее чем за 10 минут можно изменить направление вращения турбин и переключиться с производства электроэнергии на хранение. Такая гибкость является ключевой для быстрого реагирования на потребности электросети и адаптации производства/потребления электроэнергии. В противном случае есть риск обрушения сети и отключения электроэнергии, как это произошло в Техасе в начале 2021 года.
Континентальный выключатель
Батарея построена между водохранилищами Emosson и Vieux Emosson в Вале, кантоне в юго-западной части Швейцарии. Объём воды, проходящей через турбины Нан-де-Дранс, достигает 360 кубических метров в секунду, что примерно соответствует потоку Роны в Женеве летом. Верхний резервуар Vieux Emosson вмещает 25 миллионов кубических метров воды, что соответствует ёмкости хранения 20 миллионов кВтч.
1 — Vieux Emosson, 2 — водозабор, 3 — предохранительные клапаны, 4 — вертикальные затворы, 5 — напорные трубы, 6 — электростанция, 7 — трансформаторная, 8 — предохранительные клапаны, 9 — водозабор, 10 — Emosson
Около 22 миллионов евро было потрачено на 14 проектов, чтобы компенсировать воздействие завода на окружающую среду, в основном на воссоздание определённых биотопов на местном уровне, чтобы стимулировать повторное заселение территории перемещёнными животными и растениями.
В пик строительства на стройплощадке работало 650 рабочих, а реализовывать строительство объединились около 60 компаний. Расположенная в самом сердце горы пещера электростанции длиной 194 м, высотой 52 м и шириной 32 м потребовала выемки 1 700 000 кубических метров породы и бурения 17 км тоннелей и галерей. Плотина Vieux Emosson, расположенная на высоте 2200 м, была поднята на 21,5 м, чтобы удвоить ёмкость водохранилища. При заполнении водохранилище Vieux Emosson может обеспечить около 18 гигаватт-часов электроэнергии.
1 — мостовые краны, 2 — генератор переменного тока, 3 — главный впускной клапан, 4 — турбина, 5 — главный сферический клапан, 6 — дренажный канал, 7 — вентиляция, 8 — частотные преобразователи, 9 — инверторы, 10 — автоматические выключатели, 11 — система управления, 12 — охладители, 13 — выпускная труба
Чтобы доставить строительные материалы на площадку, инженерам пришлось сначала прорыть туннели через Альпы. После того, как эти туннели были построены, строительные материалы и сборные дома можно было перемещать в гору, и этот процесс занял 14 лет. После всей этой тяжелой работы батарея теперь работает и на пике своей мощности способна одновременно обеспечивать электроэнергией 900 000 домов.
Электростанция жизненно важна для обеспечения электроснабжения и стабильности сети, но она «слишком велика для Швейцарии». Это может сыграть роль в стабилизации сети на континентальном уровне. Географически Швейцария находится в центре Европы, и энергетические потоки проходят через всю страну. Например, если в Германии будет перепроизводство ветровой энергии, то в Швейцарии смогут использовать излишки электроэнергии для перекачки и хранения воды. Однако не следует переоценивать роль гидроаккумулятора, которая, прежде всего, напрямую зависит от пропускной способности существующих сетей.
Эта концепция не нова, и использовалась в Италии и Швейцарии ещё в 1890-х годах. США с 1930-х годах также используют этот метод. По состоянию на 2019 год мощность хранения гидроэнергии в мире составляла 158 ГВт. А к 2025 году Китай решил построить гидроаккумулятор на 270 ГВт. Это удовлетворит 23% пикового спроса в стране. Кроме того, для сравнения, это больше, чем совокупная мощность всех электростанций в Японии. Национальное управление энергетики Китая (NEA) оценило потенциал хранения гидроэнергии в стране на уровне колоссальных 680 ГВт.
Испанская компания Iberdrola внесла свой вклад, открыв свою гигабатарею Tâmega в Португалии. По заявлениям компании, это один из крупнейших гидроаккумулирующих проектов в Европе мощностью 1,16 ГВт за последние 25 лет. Tâmega Gigabattery планируется модернизировать до гибридной электростанции путем интеграции двух ветряных электростанций. Она расположена на севере страны между Порту и испанским городом Оренсе. Объект стоит 1,5 миллиарда евро, и он ещё не завершен. Строительство Tâmega Gigabattery началось в 2014 году. Система будет иметь общую ёмкость хранения 40 ГВтч, что эквивалентно потребностям в электроэнергии 11 миллионов жителей в течение 24 часов.
В мире насчитывается около 616 000 потенциальных площадок, где можно было бы построить гидронасосные станции замкнутого цикла с двумя резервуарами. Достаточно построить всего 1 % из них, чтобы решить все проблемы, связанные с хранением прерывистой энергии, говорят в Австралийском национальном университете, основывая свою оценку на чисто географических соображениях.
В будущем будет всё больше необходимо хранить огромные объёмы электроэнергии, поскольку возобновляемые источники постепенно заменяют ядерную и ископаемую энергию. Однако солнечная и ветровая энергия являются энергозависимыми источниками, которые не обязательно производят электроэнергию, когда это необходимо. Поэтому такие системы, как этот швейцарский гидроаккумулятор, так важны, чтобы иметь возможность хранить энергию и поддерживать стабильность сети.
Комментарии (62)
Matshishkapeu
31.07.2022 14:31+29А в чем шокирующая новизна? В мире десятки гидроаккумулирующих станций мощностью более гигаватта. Крупнейшая в России Загорская ГАЭС вообще находится в московской области, не на Кавказе или Сибири. Не все ГАЭС такие красивые как эта, конечно, ибо не все в кантоне Вале. А так вообще занятно, что успехи и хотелки ЕС в области накопления электроэнергии иллюстрируются достижениями Швейцарии, вертевшей этот ЕС на одном месте.
blind_oracle
31.07.2022 22:51+5Я думаю тут интересно именно место строительства и связанные с этим сложности.
А так кроме ЕС в Европе много других союзов, в которые Швейцария входит. Да и ЕС главный торговый партнёр так что их особо не повертишь. Все основные законы ЕС здесь адаптируются обычно.
JPEGEC
31.07.2022 14:46+15прерывистыми источниками энергии, такими как ветер, Солнце и атомная энергия
Атомная энергия в этом списке несколько удивила.
Radisto
31.07.2022 14:50+16Это да. Для АЭС аккумулирующие электростанции нужны по причине неравномерности нагрузки, то есть по прямо противоположной причине
den_rad
01.08.2022 02:44+1Не только АЭС, мощность ТЭЦ тоже нельзя менять быстро.
Sergeant101
01.08.2022 08:36Дяденька, я конечно сварщик не настоящий, но насколько знаю мощностью выработки реакторов маневрировать нельзя вообще в принципе, для этого "рядом" с АЭС всегда есть ТЭЦ.
den_rad
01.08.2022 08:48Я могу ошибаться, но насколько помню, проще всего регулировать выработку ГЭС, ТЭЦ по-сложнее.
qyix7z
01.08.2022 12:28+4Всё регулируется. Вопрос не в «проще», а в «быстрее».
ГЭС (ГАЭС) — быстро.
ТЭС — средне.
АЭС — медленно.
А «проще» с учетом развития АСУ ТП — это одинаково и на ГЭС, и на АЭС, и на ТЭС. Дать новое задание регулятору мощности и он выведет через некоторое время на заданную мощность в соответствии заданными скоростями нагрузки/разгрузки.
blind_oracle
01.08.2022 10:24Графитовые стержни, поглощающие нейтроны, там именно для регуляции цепной реакции насколько помню.
Но это, конечно, не быстро их опустить.
andres1
01.08.2022 13:11+1Посмотри про ксеноновое отравление. Это одна из причин, по которой чернобыль рванул.
BigBeerman
31.07.2022 15:09+7источник то как раз постоянный, но ему нужна постоянная же нагрузка. обеспечить которую и помогают те же ГАЭС
Newm
31.07.2022 18:57+21При просчете экономики проекта ветер и солнце не считали вовсе. В статью они вставлены лишь для красного словца, в реальности их доля в доходах станции чуть выше уровня статистической погрешности.
Станция строилась исключительно потому, что рядом Франция с ее атомной генерацией. И ночью там идет серьезное перепроизводство электроэнергии. Причем КАЖДУЮ ночь. В результате ночью идет закупка энергии за полцены от того, как ее продадут днем.
Всякие солнце и ветер для ГАЭС обычно интереса не представляют, так как солнце обычно сразу же днем и тратится (а если его запасли днем, то ночью его точно не продашь, там от энергии АЭС ночью деваться некуда), а ветер имеет циклы далеко не суточные.
Tarakanator
01.08.2022 10:26+11)Так пики потребления утром\вечером. А пик солнечной энергетики-день.
2)Это пока АЭС перекрывают ночные потребности. А если переход на зеленую энергетику будет продолжаться, то доля АЭС вероятно будет снижаться.
leok
01.08.2022 20:37+22) Я так и не увидел убедительного аргумента против АЭС как части зеленой энергетики. И масштабируются они гораздо лучше.
OstapBender001
02.08.2022 08:08Стоимость. Новые АЭС с последними протоколами безопасности банально дорогие.
leok
02.08.2022 18:20Учитывая плотность энергии трудно поверить, что при дальнейшем росте потребности в электричестве это останется так. К тому же один из факторов стоимости АЭС это то, что их довольно редко строят из-за политических соображений.
artsdarts
31.07.2022 16:09Схема, безусловно, красивая... Но в схеме "Гидроаккумуляторы особенно полезны для хранения избыточной энергии", ключевой вопрос - наличие "избыточной энергии", при возможном отсутствии (или недоступности по причине дороговизны) других источников энергии.
DmitryMurinov
31.07.2022 16:21+3Предположу, что в Альпах вполне можно выбрать участок, где объём накапливаемой воды будет на 2 порядка больше, а зеркало испарения на 1 порядок. При этом можно разместить такую же генерирующую мощность и при необходимости поддерживать генерацию для знаменитых швейцарских бомбоубежищ не один год в экономном режиме и при условии сохранения плотины.
Или спонсировать ту же Германию хоть немного, в случае многодневного штиля.
Вопрос в целесообразности. Как обычно, оценка рисков, прогностические модели... Почему-то мне кажется, что при таком объёме инвестиций в Цюрихе очень хорошо считали деньги, с учётом рисков.
Hardcoin
31.07.2022 16:25+2Да нет тут никакого ключевого вопроса. Электростанции человечество строит сотнями, никакой магии и тайны тут нет. А ваш намек на дорогой газ не в тему, гидроаккумулятор для газовых электростанций не требуется и строится не для них.
artsdarts
31.07.2022 16:30+1И как же я упустил это из внимания... Вот только "избыточную энергию" могут выкупить ещё днём или прямо во время ветрогенерации (минуя процесс заполнения гидроаккумулятора).
cofein51
31.07.2022 17:54+2А могут и не выкупить... А может ветер "как дунуть", а может и "еле дунуть"...
Интересно, если на алюминиевом заводе мега авария и его пришлось обесточить/остановить излишки энергии куда девать.
Firz
01.08.2022 02:28+1Интересно, если на алюминиевом заводе мега авария и его пришлось обесточить/остановить излишки энергии куда девать.
Поэтому ГАЭС строят не ради аккумулирования энергии(ни разу не основная причина почему их строят), а основная их функция такая же как и у ГЭС — маневровая мощность для стабилизации энергосистемы, по сути только они и могут быстро(относительно остальных видов электростанций) регулировать свою генерацию, тем самым стабилизируя резкие изменения в потреблении.
Tarakanator
01.08.2022 10:27Гидроаккумулятор нужен для замены газовых электростанций на зелёные.
Так что в какой-то мере гидроаккумулятор решает проблему нехватки газа.artsdarts
01.08.2022 12:10+3Вы путаете красное с мокрым. Гидроаккумулятор решает проблему наличия "избыточной энергии", безотносительно вида генерации, а тема газа, комментаторами выше, вообще была притянута за уши.
vedenin1980
01.08.2022 12:20ТЭЦ тоже, пока большая часть энергии генерируется ТЭЦ достаточно просто уменьшить выборку и «избыточной энергии» не будет. Поэтому кроме увеличения доли АЭС и зеленой энергетики нужно так же решать проблему «избытка или недостатка энергии», что до этого делала газовая генерация.
iliasam
31.07.2022 16:54+1Так и не понял, зачем строить такую сложную инфраструктуру внутри горы, не проще ли всё построить снаружи?
iig
31.07.2022 18:09+8Прикиньте, какое давление воды. Какие нужно строить трубы. Туннель внутри горы это надёжно.
abutorin
31.07.2022 22:32+1Прикиньте
А чего там прикидывать. Вроде перепад высот там 425 метров. Значит давление 42 атмосферы. Это конечно не как в трубах в квартире, но это меньще чем давление пара на "обычной" электростанции.
iig
01.08.2022 09:58А теперь прикиньте размер этого сооружения, которое нужно смонтировать высоко в горах, защитить от внешних воздействий (суточные/сезонные колебания температуры, лавины, камнепады..), обслуживать как-то.. И всё равно туннель нужен - вода из озера как-то должна попадать в эту мегатрубу.
LinearLeopard
01.08.2022 10:50Зачем прикидывать, вот построили одно, работает, вроде.
Стоит 1/6 туннеля или около 3% бюджета Швейцарии
andres1
01.08.2022 18:47Так требуемая прочность трубя растёт с её диаметром. Тоненькие нержавейки по пять миллиметров диаметром и полмиллмметра толщиной по стопятьдесят атмосфер держат.
VT100
31.07.2022 19:00-5Ctrl+F(КПД) = null
А так — да, интересно и круто.
randomsimplenumber
31.07.2022 19:06+11Пробуйте ctrl+f% :)
VT100
01.08.2022 21:42+1"А чё, так тоже можно было!?"
[sarcasm]
Несколько странно видеть на техническом ресурсе только (гуглоподстрочник?) "Выход составляет более 80 %: на каждый киловатт-час электроэнергии, используемый для перекачки воды вверх по течению, 0,8 подаётся в сеть." вместо "КПД".
Да и величина несколько сомнительна… Принимая КПД турбинного и насосного режимов равными 94% (по БСЭ, а считается это без потерь в трубопроводах) и такой же КПД синхронных двигатель-генераторов — получим всего то минус 2% на потери в трубопроводах, задвижках, изменении потока в генераторном режиме, собственные нужды и т.п. неинтересный матан.
[/sarcasm]
Klenov_s
31.07.2022 21:00-7Это все классно! А потом придет очередной умный дядя и скажет, что такие водные зеркала очень плохо влияют на экологию. Испарение, вода в атмосфере, нагрев, потепление... И начнется новая борьба с ветряными мельницами )))
xordim
01.08.2022 09:01-9Все было бы прекрасно, если бы одновременного с этим не принуждали весь остальной мир следовать зелёной повестке. В том числе с помощью углеродных разных сборов, инвестиционных ограгичений. Западные страны 100 лет коптили небо как не в себя, за это время построили огромное количество инфраструктуры, производств, вытащили множество сфер благодаря дешёвой энергии и дармовым ресурсам из колоний и неоколоний. Надо как то больше справедливости.
LostAlly
01.08.2022 10:52Хм... А я правильно понял, что они накапливают энергию выработанную в большей своей части не "зелёными" методами? Или всё-таки эта штука сможет работать исключительно в комплексе с ветряками и солнечными источниками?
shaggyone
01.08.2022 12:21+4По идее этой штуке всё равно, откуда взялось электричество, которое к ней приходит.
vedenin1980
01.08.2022 12:30+2Ну вообще большинство не зеленых методов вроде сжигания газа, способны довольно быстро динамически менять нагрузку, и такая штука нужна для ветряков, солнечных батарей и АЭС (которые тоже сейчас думают признать более-менее зелеными).
alexhott
01.08.2022 12:40Круто конечно, при удачном стечении обстоятельств, ветер, облака можно стабильно за счет альтернативных источников питаться. Главное чтоб выработка ниже определенного предела на продолжительное время не упала.
vedenin1980
01.08.2022 12:46выработка ниже определенного предела на продолжительное время не упала
Ну для экстренных случаев можно и генерацию на ТЭЦ оставить, если она будут включаться несколько раз в год это не большая проблема для экологии. Не стоит возводить зеленость в абсолют.VT100
01.08.2022 21:47+1Развести пары, провернуть и прогреть турбину, "малый вперёд" и т.д. КМК — пару часов нужно потратить и нажечь сотню нефти. Это не ДГУ с готовностью 2..3 минуты.
Я не настоящий турбинист, я так думаю.vedenin1980
01.08.2022 23:29На самом деле, я тоже не настоящий турбинист, но пара часов иногда вполне нормальное время для предотвращение «блэкаута» как в Калифорнии.
Обычно прогноз погоды известен за дни и иногда за недели и обнаружить, что идет тепловая волна из-за которой все включат кондиционеры, плюс пасмурная погода и штиль из-за чего не будет работать ветрогенераторы и солнечные батареи — можно намного раньше чем за пару часов.
От резких скачков энергии спасут такие гидроаккамуляторы или что-то вроде дизель-генераторов для дата-центров, а для периода часов — ТЭЦ вполне себе быстрые.qyix7z
02.08.2022 06:56+3Время пуска зависит от теплового состояния турбины.
Для паровых турбин из горячего состояния — полчаса.
Из холодного — 2 часа и более.
Газовые турбины меньше зависят от теплового состояния и в полчаса укладываются.
Это время от начала пусковых операций до включения в сеть. Еще примерно столько же надо накинуть до набора полной нагрузки.
Все данные о времени пуска есть у системного оператора и он заранее (если знает про необходимость увеличения нагрузки) отдает команды на пуск.
Как в Калифорнии не знаю, у нас есть два типа команд на пуск:
Пуск к определенному часу — дается заранее. Пускай как хочешь, но ко времени.
Пуск в минимально возможные сроки — получил команду и побежал. Потом сравнят время включения с нормативным и дадут денег/штрафу.
Rumidu
02.08.2022 23:45+1Напомнило : " В задней комнате находилось производство. Там стояли две дубовые бочки с манометрами и водомерными стеклами, одна на полу, другая на антресолях. Бочки были соединены тонкой клистирной кишкой, по которой, деловито журча, бежала жидкость. Когда вся жидкость переходила из верхнего сосуда в нижний, в производственное помещение являлся мальчик в валенках. Не по-детски вздыхая, мальчик вычерпывал ведром жидкость из нижней бочки, тащил ее на антресоль и вливал в верхнюю бочку. Закончив этот сложный производственный процесс, мальчик уходил в контору греться, а из клистирной трубки снова неслось всхлипыванье,жидкость совершала свой обычный путь — из верхнего резервуара в нижний."
"Золотой теленок"
Часть 1. Экипаж Антилопы
Глава 5. Подземное царство
ZekaVasch
А как относится биота в водеме с таким перекачкам. Сомневаюсь что рыбам нравится
yellowmew
у меня вот в этом случае другой вопрос: если вода поступает на накопление, то она не поступает дальше по руслу рек.
как это соотносится с экологией региона?
Это комментарий не про "схема фигня" а про механизм такого хранения в общем
Nikita_64
Судя по первому фото, там каскад из двух водохранилищ. Второе ниже по течению компенсирует расход воды в реке ниже.
Matshishkapeu
Схеме то реально овер сто лет (первая такая станция построена в 1907 году) и с экологией региона она соотносится гораздо лучше чем производство и регулярное захоронение аккумуляторной батареи сравнимой мощности. Не зря же это с отрывом ведущая в мировом масштабе технология накопления энергии по запасаемой емкости, рядом с которой никакие батарейки, маховики, фазовые переходы и прочая экзотика не валялись.
Alex_Mtrskn
А она разве должна поступать дальше по руслу рек? На сколько я понимаю там два замкнутых хранилища (ну может ещё и с доп сливом в реки на всякий случай). И насосы гоняют воду туда и обратно
ZekaVasch
ну лишнее то сливают. От осадков зависит. Одно точно вниз по течению паводки стали реже.
Busla
Интересно: на сколько там гуляет уровень воды и насколько регулярно? - ежедневно?
qyix7z
Будь у меня такая штука в управлении, я каждую ночь поднимал бы уровень до 90% от максимума, а днем спускал до 10% от минимума.
Akr0n
Как правило в высокогорных озерах биоты примерно ноль, в этом плане очень классное решение использовать именно их.
HerrJohan
Как то товарищи на нашем высокогорном озере (~2500м) установили табличку "Лов рыбы запрещен" (стянули с реки километрах в 50-ти). Утром вкопали а вечером спускались (станция где работали находиться ещё выше) - уже народ с удочками сидит. А рыбы там никогда и не было :)