Стабилизатор по швейцарски. Гидроаккумулятор на 20 млн кВтч

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, которая обошлась Швейцарии в 2 миллиарда евро и строилась 14 лет, запущена 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.