Pump-hüdroakumulatsiooni elektrijaamad (Taastuvenergiast ilma udujututa)

Pump-hüdroakumulatsiooni elektrijaamad

Pump-hüdroakumulatsiooni elektrijaamad pumpavad odava elektri perioodil vett madalamal asuvast järvest ülalpool asuvasse järve ning toodavad turbiinide abil (just nagu tavalised hüdroelektrijaamad) elektrit ajal, mil see on kallim.

Suurbritannias on neli pump-hüdroakumulatsiooni elektrijaama, mis kokku suudavad salvestada $30 G W h$ energiat (tabel, joonis 26.6). Tavaliselt kasutatakse neid öösel toodetava liigelektri salvestamiseks ning seejärel päevasel ajal, eriti tipptarbimise jooksul, selle elektrivõrku tagasi transportimisel. See on tulukas äri, nagu jooniselt 26.5 ka nähtub.

Tabel 3.9: Pumpelektrijaamad Suurbritannias. Praegune maksimaalne salvestatava energia hulk on ligikaudu $30 G W h$ .

Jaam	Võimsus ( $G W$ )	Veesammas ( $m$ )	Maht (miljonit $m^{3}$ )	Salvestatud energia ( $G W h$ )
Ffestiniog	$0, 36$	$320 - 295$	$1, 7$	$1, 3$
Cruachan	$0, 40$	$365 - 334$	$11, 3$	$10$
Foyers	$0, 30$	$178 - 172$	$13, 6$	$6, 3$
Dinorwig	$1, 80$	$542 - 494$	$6, 7$	$9, 1$

Dinorwigi elektrijaam – hämmastav katedraal Snowdonias asuva mäe sees – kujutab endast teatud mõttes ka kindlustust: hädaolukorras suudab see elektrijaam töösse lükata kogu Suurbritannia elektrivõrgustiku. Dinorwigi on võimalik sisse lülitada (võimsuselt $0$ kuni $1, 3 G W$ ) $12$ sekundiga.

Dinorwig on nende nelja elektrijaama kuninganna. Vaatame lähedalt tema näitajaid. Dinorwigis salvestatav koguenergia on ligikaudu $9 G W h$ . Selle ülemine järv asub alumisest ligi $500$ meetrit kõrgemal ning selle süsteemi töömaht $7$ miljonit $m^{3}$ voolab maksimaalkiirusega $390 m^{3} / s$ , võimaldades viiel järjestikusel tunnil toota $1, 7 G W$ . Selle salvestussüsteemi efektiivsus on $75 %$ .

Llyn Stwlan, Põhja-Walesis asuva Ffestiniog pump-hüdroakumulatsiooni elektriajaama ülemine reservuaar

Kui kõik meie neli pump-hüdroakumulatsiooni elektriajaama korraga sisse lülitada, suudavad need toota $2, 8 G W$ . Nende sisse lülitamine on väga kiire, saades hakkama igasuguse muutuskiirusega, mida tarbimine või tuulemuutused põhjustada võivad. See $2, 8$ gigavatti pole aga piisav, et asendada kogu see $10$ või $33$ gigavatti tuuleenergiat, kui see järsku ära kaoks. Lisaks pole kogu see salvestatav energiahulk ( $2, 8 G W h$ ) isegi mitte ligilähedal sellele $1200$ -le gigavatt-tunnile, mida me sooviksime tuulevaikse perioodiga hakkama saamiseks salvestada. Kas pump-hüdroakumulatsiooni elektrijaamade hulka saaks kõvasti suurendada? Kas saame kujutada ette stsenaariumit, milles lahendame kogu tuulevaikuse probleemi vaid pump-hüdroakumulatsiooni elektriajaamade abil?

Kas me saaksime salvestada $1200 G W h$ energiat?

Me oleme huvitatud palju suuremate salvestussüsteemide ehitamisest – miski, mis võimaldaks meil salvestada kokku $1200 G W h$ (ligikaudu $130$ korda rohkem, kui Dinorwigis võimalik). Ning me soovime, et selle süsteemi võimekus oleks umbes $20 G W$ – ligikaudu $10$ korda rohkem kui Dinorwigis. Siin on pump-hüdroakumulatsiooni elektriajaamu kasutav lahendus: me peame ehitama umbkaudu $12$ uut jaama, millest igaüks suudaks salvestada $1200 G W h$ – ligikaudu $10$ korda rohkem kui Dinorwigis salvestatav energiahulk. Kõigi nende jaamade pumpamise ja elektritootmise võimekus peaks olema sama, mis Dinorwigis.

Kui me eeldame, et generaatorite efektiivsus on $90$ , näitab allolev tabel mõningaid viise $100 G W h$ salvestamiseks erinevate languste korral. (Selle protsessi füüsika paremaks mõistmiseks võite lugeda peatüki lõpus olevaid märkmeid.)

Tabel 3.10: Võimalusi $100 G W h$ salvestamiseks.

Langus ülemisest järvest	Vajatav töömaht (miljonit $m^{3}$ )	Järve pindala ja sügavuse näidissuurus
$500 m$	$40$	$2 k m^{2} \times 20 m$
$500 m$	$40$	$4 k m^{2} \times 10 m$
$200 m$	$100$	$5 k m^{2} \times 20 m$
$200 m$	$100$	$10 k m^{2} \times 20 m$
$100 m$	$200$	$10 k m^{2} \times 20 m$
$100 m$	$200$	$20 k m^{2} \times 10 m$

Pump-hüdroakumulatsiooni elektrijaamade energiasalvestus. Erinevaid võimalusi $100 G W h$ salvestamiseks. Teise tulbaga võrdluseks: Dinorwigi töömaht on $7$ miljonit $m^{3}$ ning Windermere'i järve maht on $300$ miljonit $m^{3}$ . Kolmanda tulbaga võrdlemiseks: Rutlandi järve pindala on $12, 6 k m^{2}$ , Grafhami järve pindala on $7, 4 k m^{2}$ . Carroni oru reservuaari pindala on $3, 9 k m^{2}$ . Suurbritannia suurima järve, Loch Lomondi, pindala on $71 k m^{2}$ .

Kas on usutav, et võiksime leida $12$ sellist kohta? Kindlasti, me võiksime mitmeid Dinorwigi-sarnaseid paikasid leida kasvõi ainult Snowdonia piires. Järgnevas tabelis on toodud kaks alternatiivset asukohta Ffestiniogi läheduses, kuhu oleks olnud võimalus ehitada Dinorwigi-sarnaseid pump-hüdroakumulatsiooni elektriajaamu. Neid asukohti uuriti lisaks Dinorwigile 1970ndatel – me teame, millise paiga kasuks nad otsustasid.

Tabel 3.11: Snowdonia alternatiivsed asukohad pumpelektriajaama ehituseks. Mõlema asukoha jaoks oleks alumine järv pidanud olema kunstlik reservuaar.

Asukoha kandidaat	Võimsus( $G W$ )	Veesammas ( $m$ )	Maht (miljonit $m^{3}$ )	Salvestatav energiahulk( $G W h$ )
Bowydd	$2, 40$	$250$	$17, 7$	$12, 0$
Croesor	$1, 35$	$310$	$8, 0$	$6, 7$

Šotimaale oleks võimalik ehitada Dinorwigist palju suurema tootlikkusega pump-hüdroakumulatsiooni elektriajaamasid, kasutades juba olemasolevaid hüdroelektriehitisi. Šotimaa kaarti uurides näeme, et üks selline asukoht kasutaks ülemise järvena Loch Sloy'd ning alumisena Loch Lomondit. Neid kahte järve ühendab juba praegu olemasolev väike hüdroelektrijaam. Joonisel 26.9 on näidatud need kaks järve ning Dinorwigi järved samas skaalas. Loch Sloy ja Loch Lomondi järvede kõrguste vahe on umbkaudu $270 m$ . Sloy pindala on umbes $1, 5 k m^{2}$ ning seal salvestatakse juba praegu $20 G W h$ . Kui Sloy tammi tõstetaks veel $40$ meetri võrra, oleks salvestatav lisaenergia umbes $40 G W h$ . Veetase Loch Lomondis muutuks ühe tsükli jooksul maksimaalselt $0, 8 m$ . See on vähem kui Loch Lomondi aastane normaalne veetaseme muutus ( $2 m$ ).

Joonis 26.9: Snowdonia Rahvuspargis asuv Dinorwig (kaardid vasakus veerus). Võrdluseks Loch Sloy ja Loch Lomond (parem veerg). Ülemisel kaardil toodud maatüki pindala on $10 k m \times 10 k m$ . Alumisel kaardil olevad sinised ruudud tähistavad $1 k m \times 1 k m$ suurust maatükki. Fotodena on kasutatud Ordnance Survey Get-a-map teenust www.ordnancesurvey.co.uk/getamap. Fotod on prinditud Ordnance Survey loal. © Crown Copyright 2006.

Joonis 26.10: Šotimaal asuvad järved, kuhu oleks võimalik rajada veel pumpelektriajaamasid.

Joonisel 26.10 on näidatud 13 Šotimaal asuvat paika, kus saaks potentsiaalselt kasutada pump-hüdroakumulatsiooni elektriajaamade süsteeme. (Enamuses neist asuvad juba praegu hüdroelektrijaamad.) Kui kümnel neist oleks sama potentsiaal kui eelmises, Loch Sloy näites, saaksime salvestada $400 G W h$ – kolmandiku meie eesmärgiks olnud $1200$ -st gigavatt-tunnist.

Võiksime uurida Suurbritannia kaarti ning leida teisigi asukohti. Parimateks paikadeks oleks suurte tuuleparkide lähedus. Üheks ideeks oleks ehitada uus kunstlik järv rippuvasse orgu, mille suudmesse tuleks ehitada tamm ning mis lõppeks meres (meri oleks meie „alumine järv“).

Joonis 26.11: Okinawa pump-hüdroakumulatsiooni elektriajaam, mille „alumiseks järveks“ on ookean. Salvestatav energiahulk: $0, 2 G W h$ . Foto: J-Power. www.ieahydro.org.

Mõeldes veelkord kastist väljaspool, võiksime ette kujutada, et ei kasuta mitte ainult järvi ja reservuaare, vaid asetaksime pool meie ehitisest maa-alusesse kambrisse. Londoni all, ühe kilomeetri sügavusel asuva pump-hüdroakumulatsiooni elektrijaama idee on juba välja käidud.

Lisa pump-hüdroakumulatsiooni elektrijaamade ehitamise abil saaksime oma maksimaalset energiasalvestussüsteemi suurendada $30$ -lt gigavatt-tunnilt kuni $100$ või isegi $400$ gigavatt-tunnini. Kuid meie soovitud $1200 G W h$ saavutamine paistab väga keeruline.

Õnneks leidub veel üks lahendus.