W dziale o autonomicznym budownictwie pisałem już kilka słów na temat magazynowania energii elektrycznej. W przypadku małych obiektów, w rodzaju samochodów kempingowych czy budynków jednorodzinnych, sprawa jest prosta. Jak jednak magazynować energię elektryczną wyprodukowaną w dużej elektrowni?
Wbrew pozorom jest to możliwe, i całkiem opłacalne… I wcale nie potrzeba do tego hali o powierzchni kilku hektarów, całej zastawionej akumulatorami. 😉 Trochę wspomniałem o tym również w podlinkowanym artykule sprzed trzech lat, dzisiaj temat opiszę szerzej. W Polsce prąd magazynuje się najczęściej w elektrowniach szczytowo-pompowych, dlatego od tego zacznę. W kolejnych odcinkach cyklu o magazynowaniu prądu opiszę kolejne wielkoskalowe metody na przechowywanie energii elektrycznej na później.
Energetyka wodna
Elektrownie wodne produkują prąd poprzez zamianę energii potencjalnej spadku wody na energię elektryczną. Niektóre z nich zostały wykonane w celu produkcji prądu przez całą dobę z niemal niezmienną wydajnością (np. Tama Hoovera w USA), ale zasadniczo tego typu obiekty doskonale nadają się do produkcji prądu w sytuacji jego szczytowego zapotrzebowania. Wystarczy przecież nacisnąć przycisk, otworzyć przepływ wody przez turbiny wodne, aby produkcja prądu ruszyła. Trwa to naprawdę kilka chwil, nie trzeba rozgrzewać kotła parowego i turbiny jak w przypadku konwencjonalnej elektrowni cieplnej (co trwa kilkadziesiąt godzin).
Schemat elektrowni szczytowo-pompowej w Elektrowni Szczytowo-Pompowej Raccoon Mountain w USA
Rozszerzeniem tego pomysłu są tak zwane elektrownie szczytowo-pompowe. Szczytowe, bo mają pokryć największe (szczytowe) zapotrzebowanie na prąd. Pompowe, bo oprócz turbin, wyposażone są w pompy. Poza szczytem te pompy podnoszą wodę do górnego zbiornika, z którego spuszczana jest ona gdy potrzebna jest produkcja prądu z tej elektrowni. Typowa elektrownia szczytowo pompowa nie jest elektrownią sensu stricte, bo nie jest w stanie przez dłuższy okres produkować prądu. Ona może tylko zmagazynować prąd pobrany z sieci elektroenergetycznej, niestety nie bez strat. Sprawność pompowania i sprawność produkcji prądu są bowiem rzędu 85%, co daje całkowitą sprawność magazynowania energii elektrycznej rzędu 72%.
Elektrownia Porąbka-Żar
W Polsce elektrowni szczytowo-pompowych jest kilka. Zagadnieniu przyjrzymy się bliżej na przykładzie Elektrowni Porąbka-Żar.
Elektrownia składa się z dwóch zbiorników wodnych. Dolnym jest sztuczne Jezioro Międzybrodzkie, powstałe przez spiętrzenie Soły zaporą w Porąbce. Zaporę oddano do użytku w roku 1937, w wyniku jej uruchomienia powstał zbiornik wodny o łącznej pojemności przekraczającej 26 mln m³ wody. W roku 1979 zakończono budowę górnego zbiornika elektrowni, zbudowanego w całości ręką człowieka na szczycie góry Żar.
Tafla wody jeziora Międzybrodzkiego znajduje się średnio na wysokości ok. 320 metrów nad poziomem morza, podczas gdy lustro zbiornika górnego — ponad 430 metrów wyżej, na wysokości ok. 750 metrów. Pojemność górnego zbiornika wystarczy do pracy w trybie turbinowym (gdy elektrownia spuszcza wodę do dolnego zbiornika produkując prąd) przez około 4 godziny. Napełnienie zbiornika w całości trwa ok. 5,5 godziny.
Zdjęcie przedstawia widok na górny zbiornik Elektrowni Porąbka-Żar z góry Kiczera. Foto: Lihor, na licencji Creative Commons.
Maszynami pracującymi w tej konkretnie elektrowni są cztery tzw. odwracalne pompoturbiny Francisa, czyli maszyny wirnikowe potrafiące pracować zarówno jako pompa, jak i turbina wodna. Ich łączna moc wynosi 500 MW, czyli elektrownia może zmagazynować aż 2 000 MWh energii elektrycznej! W porównaniu do elektrowni ze schematu zaprezentowanego na początku artykułu, ta jest miniaturką. Raccoon Mountain potrafi przez 22 godziny produkować prąd turbinami o łącznej mocy 1 600 MW!
Kaskada dolnej Wisły
W potocznym języku funkcjonuje powiedzenie „nie zawracaj kijem Wisły”, dotyczy ono działań z góry skazanych na niepowodzenie. Tymczasem kaskada dolnej Wisły właśnie miała zawracać jej bieg…
Zwykła elektrownia wodna z zaporą i zbiornikiem ma dwa tryby pracy — może produkować prąd, spuszczając wodę i nie produkować go (przy czym woda może być spuszczana, lub nie). Można więc w niej poniekąd magazynować prąd, gdy zatrzymamy bieg rzeki i wstrzymamy produkcję energii elektrycznej, która będzie w tym czasie realizowana w innych obiektach.
Zwykła elektrownia wodna może też pracować jako elektrownia pompowa, to znaczy może wykorzystywać energię elektryczną do napełniania zbiornika z wodą, przepompowując wodę zza zapory… I tak właśnie miały działać elektrownie wodne z kaskady dolnej Wisły.
Kaskadę stanowić miało aż 8 dużych zapór wodnych, zlokalizowanych co kilkadziesiąt kilometrów, począwszy od Wyszogrodu, przez Płock, Włocławek, Nieszawę, Solec Kujawski, Chełmno i Opalenie aż do Tczewa. Ostatecznie zbudowano tylko zaporę i elektrownię we Włocławku.
Ten wielki kompleks elektrowni wodnych miał ponoć służyć również do magazynowania energii elektrycznej. W dzień, w czasie szczytu zapotrzebowania na prąd, energia miała być produkowana. W nocy, gdy prądu było w systemie elektroenergetycznym zbyt dużo, prąd miał być wykorzystywany do przepompowywania wody w górę zapór. Można więc powiedzieć, że przy takim trybie pracy tych obiektów Wisła w nocy płynęłaby z Gdańska do Warszawy, odwrotnie niż powinna.
Dziś chyba nie ma już szans na takie przedsięwzięcie. Cała dolina Wisły objęta jest programem Natura 2000, co mocno utrudnia realizację tego typu inwestycji. Program nie wyklucza gospodarczego wykorzystania terenów nim objętych, ale zakłada, że obszary chronione zostaną zachowane w stanie nie pogorszonym. Trudno sobie wyobrazić, by spiętrzenie dzikiej Wisły mogło być potraktowane jako nie pogarszające jej dzisiejszego stanu…
Inna sprawa, że tama we Włocławku nie była przewidziana do pracy jako samodzielny obiekt, co powoduje, że od kilku lat ocenia się ją jako zagrożoną katastrofą. Ta katastrofa mogłaby mieć potężne skutki dla przyrody, bo na dnie zbiornika przed tamą znajduje się mnóstwo osadów niespecjalnie przyjaznych dla środowiska…
Zaraz, zaraz, a jak to się ma do domowej autonomii. Nota bene takie zapory wywołują ruchy tektoniczne, stwarzając zagrożenie sejsmiczne, pomijając przy tym ten fakt, że niszczą przez zalanie wielkie obszary przyrody i ziemi ornej, a do tego się szybko zamulają i stanowiących przeszkodę nie tylko dla łososi, ale i dla żeglugi. Lepszy przykład można zaczerpnąć od Norwegów, którzy gospodarkę energetyczną zbudowali na gęstej sieci. małych górskich hydroelektrowni.
@jofistron: do domowej autonomii w małej skali ma się to… nijak. Chociaż mam na oku działkę z różnicą poziomów rzędu 30 metrów. Niestety jest tam tylko źródło wody w dolnej części działki… Ale duży zbiornik na górze do zbierania deszczówki i miałbym fajną elektrownię wodną. 😉
Elektrownia deszczowa! To bardzo romantyczne. Swoją drogą, zastanawiam się jak by w takiej elektrowience użyć kryształki piezoelektrycznych do przetwarzania energi zawartej w kroplach deszczu.