Kako osigurati stabilnost elektroenergetskog sustava?

Vrijeme čitanja: 7 min

Uvod

Obnovljivi izvori energije, predvođeni solarnom energijom i energijom vjetra, će u skoroj budućnosti dominirati u ukupnoj proizvodnji elektroenergetskog sustava. No što kada Sunce ne sije i vjetar ne puše? Tad glavnu ulogu igraju skladišta energije.

Litij-ionske baterije postaju sve popularniji oblik skladištenja energije što zbog tranzicije na električna vozila, što zbog svoje široke primijene u potrošačkoj elektronici. Dakako, koriste se i kao skladišta energije na razini električne mreže. Međutim, litij-ionske baterije su u elektroenergetskom sustavu pogodne samo za pohranu energije u kratkom rasponu (od nekoliko sekundi do nekoliko sati). Za dugoročnu pohranu energije moguće rješenje su reverzibilne hidroelektrane.

Načelo djelovanja reverzibilne hidroelektrane

Reverzibilne hidroelektrane pretvaraju električnu energiju u gravitacijsku, potencijalnu energiju te obratno ovisno o potrebama električne mreže.

Ako je proizvodnja električne energije veća od potražnje, tada reverzibilne hidroelektrane rade u crpnom načinu rada gdje prenose vodu iz donje akumulacije u gornju. U crpnom načinu rada se električna energija pretvara u gravitacijsku potencijalnu energiju vode koja je prenesena s niže na višu nadmorsku visinu.

Ako je proizvodnja električne energije manja od potražnje, tada reverzibilne hidroelektrane rade u generatorskom načinu rada tokom kojeg se voda spušta iz gornje akumulacije u donju. U generatorskom načinu rada gravitacijska potencijalna energija vode pretvara se u električnu energiju.

Postoje dvije vrste reverzibilnih hidroelektrana.[2] Kod reverzibilnih hidroelektrana s otvorenom petljom (engl. open-loop pumped storage hydropower; open-loop PSH) donja akumulacija je dio prirodnog toka neke rijeke, kanala i sličnog.[3] RHE Velebit je primjer takve hidroelektrane u Hrvatskoj.[4] Donja akumulacija Hidroelektrane Velebit je bazen Razovac koji je dio toka rijeke Zrmanje. Kod reverzibilnih hidroelektrana sa zatvorenom petljom (engl. closed-loop pumped storage hydropower; closed-loop PSH), gornja i donja akumulacija su odvojene od ostalih vodotokova, poput rijeka i sličnog, slika 1.

Zatvorena ili otvorena petlja?

Uz reverzibilne hidroelektrane sa zatvorenim ili otvorenim petljama, postoji još jedan način skladištenja energije korištenjem hidroenergije. To se postiže nadogradnjom postojećih akumulacijskih hidroelektrana s ciljem promjene njihovih režima rada. Umjesto da rade kontinuirano, ove elektrane se nadograđuju za proizvodnju električne energije u kraćim vremenskim intervalima, ali s puno većom snagom. To znači da se uloga tih modificiranih akumulacijskih hidroelektrana mijenja iz temeljnih u tzv. vršne elektrane.

Za povećanje proizvodnje električne energije u takvim hidroelektranama, potrebno je instalirati dodatne turbine i generatore. Po potrebi, potrebno je nadograditi i branu hidroelektrane kako bi se omogućilo skladištenje veće količine vode u akumulacijskom jezeru. Dodatno, potrebna je nadogradnja popratne infrastrukture, uključujući električne vodove i transformatorske stanice, kojom se spaja nadograđena hidroelektrana na električnu mrežu.

U Hrvatskoj je projekt Senj 2 primjer nadogradnje već postojećeg hidroenergetskog sustava Senj tako da se instalirana snaga poveća sa 238,5 MW na 650,5 MW dok se ukupna prosječna godišnja proizvodnja poveća sa 1,15 TWh na 1,47 TWh. Takvom nadogradnjom hidroenergetski sustav Senj dobit će funkciju vršne elektrane, što će dovesti do smanjenja potrebe za izgradnjom dodatnih spremnika energije.[7]

Postoji nekoliko izazova s ovakvim oblikom skladištenja energije. Jedini izvedivi kandidati za takvu nadogradnju su postojeće akumulacijske hidroelektrane, što značajno ograničava potencijal takvog oblika skladištenja energije.

Dodatno, akumulacijske hidroelektrane ne koriste se isključivo za proizvodnju električne energije, već imaju i druge važne uloge. Često se koriste za kontrolu poplava u područjima s obilnim padalinama, kao i za spremnike pitke vode i vode za navodnjavanje u sušnim regijama. Kod ovakvih akumulacijskih hidroelektrana s više namjena, ostale uloge obično imaju prioritet nad proizvodnjom električne energije. To također ograničava broj akumulacijskih hidroelektrana koje bi se mogle nadograditi za ulogu vršnih elektrana.

Primjer višenamjenske akumulacijske hidroelektrane je Hidroelektrana Tri klanca (engl. Three Gorges Dam) u Kini koja je i najveća akumulacijska hidroelektrana na svijetu prema instaliranoj snazi od 22.500 MW, slika 2. Prvenstvena uloga te hidroelektrane je kontrola poplava te osiguravanje plovnosti rijeke Jangce.

Hooverova brana na rijeci Colorado je primjer akumulacijske hidroelektrane čija je primarna namjena skladištenje pitke vode i vode za navodnjavanje u Jezeru Mead, slika 3. Voda iz Jezera Mead opskrbljuje 18 milijuna ljudi u Arizoni, Nevadi i Kaliforniji te omogućuje navodnjavanje preko 600.000 ha zemlje u Sjedinjenim Američkim Državama i Meksiku.[9]

Reverzibilne hidroelektrane s otvorenom petljom fleksibilnije su s obzirom na potencijalna mjesta izgradnje u odnosu na prenamjenu postojećih akumulacijskih hidroelektrana u vršne elektrane. Međutim, RHE sa zatvorenom petljom su idealnije po tom kriteriju. Jedino ograničenje kod takvih hidroelektrana je pronalaženje dviju lokacija na različitim nadmorskim visinama radi izgradnje gornje i donje akumulacije. To je daleko jednostavnije u odnosu na pronalaženje rijeke i odgovarajuće lokacije za akumulaciju reverzibilne hidroelektrane s otvorenom petljom, a da je pritom u skladu s mogućim drugim ulogama rijeke.

Kod RHE-a sa zatvorenom petljom, razmjena vode između elektrane i okoline je minimalna. To znači da se većim dijelom koristi ista voda, uz nadoknadu one koja ispari iz akumulacija. Godišnje padaline u pravilu nadoknađuju tu isparenu količinu. Uz taj minimalni utjecaj elektrane na okoliš i okoliš ima minimalni utjecaj na rad elektrane. Voda se ne mora toliko pročišćavati prije nego što uđe u cijevi i turbine elektrane, kao kod RHE-a s otvorenom petljom, gdje se voda crpi iz rijeke. Također, kod RHE-a s otvorenom petljom nužno je pročistiti vodu prije otpuštanja u rijeku, što nije slučaj kod RHE-a sa zatvorenom petljom.

Oba tipa RHE-a dijele problem visokih inicijalnih troškova izgradnje. No, povećanje kapaciteta takvih spremnika energije ne dovodi do značajnog porasta troškova. To znači da se s porastom kapaciteta RHE-a poboljšava ekonomičnost elektrane.

Litij-ionske baterije imaju prednost u nižim inicijalnim troškovima izgradnje u usporedbi s RHE-om. Međutim, skaliranje kapaciteta litij-ionskih spremnika energije ne rezultira značajnim poboljšanjem ekonomičnosti izgradnje.[11]

Dodatni izazov kod reverzibilnih hidroelektrana je procjena rizika za financijske institucije. To je zbog toga što se takve elektrane nisu do sada gradile često, što otežava procjenu njihove profitabilnosti.

Unatoč svim izazovima, reverzibilne hidroelektrane sa zatvorenom petljom se izdvajaju kao najizglednije rješenje za skladištenje energije kada se uzmu u obzir sve prednosti i nedostaci u usporedbi s alternativnim načinima. Rast udjela obnovljivih izvora energije u elektroenergetskom sustavu dodatno će potaknuti izgradnju RHE-a sa zatvorenom petljom.

Reverzibilna hidroenergija: danas i sutra

Prema najnovijem izvješću Međunarodnog udruženja za hidroenergiju (engl. The International Hydropower Association; IHA), reverzibilne hidroelektrane čine 90 % ukupnog globalnog kapaciteta skladištenja energije elektroenergetskog sustava.[12]

U 2023. godini svjetski kapacitet reverzibilnih hidroelektrana je porastao za 6,5 GW na ukupnih 179 GW. Većina novih instalacija bila je u Kini, točnije 6,2 GW. Kina planira izgraditi dodatnih 80 GW reverzibilnih hidroelektrana do 2027. godine.[12]

Za bolju prostornu vizualizaciju svih hidroenergetskih projekata, izgrađenih i planiranih, preporučuje se upotreba IHA karte ili GEM karte (engl. Global Energy Monitor)[13][14] Na tim se kartama može, kao primjer, vidjeti RHE Vrdovo kao planiranu reverzibilnu hidroelektranu u Hrvatskoj koja bi, po instaliranoj snazi, bila dvostruko jača od RHE Velebit.[15]

Na popisu od 113 reverzibilnih hidroelektrana s kapacitetom većim od 1 GW koje su trenutno u izgradnji, 107 se nalazi u Kini, dok je ostalih 6 projekata u izgradnji u drugim državama.[16]

Prema posljednjim podacima GEM-a objavljenim u travnju ove godine, trenutno je u svijetu aktivno 168 GW reverzibilnih hidroelektrana s kapacitetom većim od 75 MW. Od toga, 52 GW je instalirano u Kini. Dodatnih 597 GW reverzibilnih hidroelektrana nalazi se u fazi izgradnje, pred izgradnjom ili je najavljeno da će se izgraditi. Od tih 597 GW, 427 GW su projekti u Kini.[17]

Istraživači s Australskog nacionalnog sveučilišta (engl. Australian National University, ANU) izradili su karte s označenim potencijalnim mjestima za izgradnju budućih reverzibilnih hidroelektrana. Pristup kartama je besplatan i javno dostupan na mrežnoj stranici Grupe za 100% obnovljivu energiju (engl. 100% Renewable Energy Group).[18]

Karte se klasificiraju prema tome koriste li se dvije novoizgrađene akumulacije (Greenfield), jedna postojeća akumulacija (Bluefield) uz izgradnju nove, rudarski iskop prenamijenjen u akumulaciju (Brownfield) ili ocean kao donji rezervoar (Ocean).[18]

Na svakoj karti potencijalne lokacije podijeljene su u kategorije prema energetskoj vrijednosti akumulacije (od 2 GWh do 5000 GWh). Kao referenca, RHE Velebit ima energetsku vrijednost akumulacije od 14,8 GWh. Najkvalitetnije lokacije označene su na karti zvjezdicom, manje kvalitetne trokutom, itd. Sve lokacije su prikazane 3D modelima.

Na Greenfield karti označeno je otprilike 616.000 potencijalno izvedivih mjesta s ukupnom mogućnosti skladištenja stotinu puta većom od one potrebne za podršku globalne elektroenergetske mreže izgrađene od 100 % obnovljivih izvora energije.

Simbioza s plutajućim fotonaponskim sustavima

Zahvaljujući drastičnom padu cijena kroz proteklih nekoliko desetljeća, solarni paneli postali su ekonomski isplativi i na lokacijama gdje se to prije nije smatralo mogućim. Jedna od novootvorenih mogućnosti je korištenje plutajućih fotonaponskih sustava na jezerima i drugim vodenim površinama, slika 4.

U znanstvenom članku objavljenom 2023. godine, istraživači su procijenili globalni potencijal plutajućih fotonaponskih sustava na 9.434 TWh godišnje proizvodnje električne energije. To bi se postiglo pokrivanjem 30 % površine 114.555 rezervoara diljem svijeta. Ukupna proizvodnja električne energije na taj način bila bi jednaka trenutnoj godišnjoj proizvodnji Kineskog elektroenergetskog sustava ili zbirnoj proizvodnji elektroenergetskih sustava Europske Unije, Sjedinjenih Država i Indije, slika 5. Dodatna prednost plutajućih fotonaponskih sustava je smanjenje gubitaka vode isparavanjem, što bi moglo dovesti do uštede od 106 km3 vode godišnje.[20]

Instalacija plutajućih fotonaponskih sustava na akumulacijama reverzibilnih hidroelektrana ima brojne prednosti. Voda iz akumulacijskih jezera hladi fotonaponske panele, što dovodi do povećanja njihove proizvodnje električne energije. Razlog tome je što se s porastom temperature smanjuje radna učinkovitost solarnih panela. Dodatno, smanjenje temperature fotonaponskih panela produžuje njihov životni vijek.

Plutajući fotonaponski sustavi ne zahtijevaju korištenje zelenih površina i smanjuju troškove najma ili otkupa tla. Uz to se smanjuje trošak izgradnje infrastrukture kojom bi se fotonaponski sustav spojio na električnu mrežu jer se već izgrađena infrastruktura kojom se hidroelektrana spaja na mrežu može barem djelomično iskoristiti za potrebe spajanja fotonaponskog sustava.

Najveća prednost instaliranja plutajućih fotonaponskih sustava na akumulacijama reverzibilnih hidroelektrana sa zatvorenom petljom je smanjenje gubitaka vode isparavanjem. Neposredna blizina fotonaponskog sustava i reverzibilne hidroelektrane također doprinosi smanjenju gubitaka u prijenosu kada hidroelektrana radi u crpnom načinu rada, a potrebe crpke se djelomično zadovoljavaju energijom generiranom od strane plutajućeg fotonaponskog sustava.

Zaključak

Proizvodnja električne energije u svijetu trebala bi se učetverostručiti do 2050. godine. Jedan razlog je rast svjetske ekonomije, pogotovo u zemljama u razvoju, gdje rast potrošnje električne energije prati razvoj ekonomije. Drugi razlog je elektrifikacija transporta i sektora poput grijanja i hlađenja u borbi protiv klimatskih promjena. Sva ta električna energija mora dolaziti iz obnovljivih izvora energije, posebno solarnih i vjetroelektrana.

S obzirom na isprekidanu dostupnost energije iz obnovljivih izvora energije, javlja se potreba za značajnim količinama skladištenja energije. Litij-ionske baterije i baterije temeljene na drugim tehnologijama su neophodne kao spremnici energije na razini od nekoliko sekundi do nekoliko sati. Međutim, za skladištenje energije preko noći pa sve do nekoliko mjeseci, reverzibilne hidroelektrane predstavljaju ekonomično i tehnološki zrelo rješenje.

Osim skladištenja energije, postoje i drugi načini kojima se može osigurati stabilnost elektroenergetskog sustava u uvjetima visokog udjela obnovljivih izvora energije. Poboljšana međusobna povezanost električnih mreža na razini kontinenta korištenjem HVDC vodova, komplementiranje solarnih elektrana vjetroelektranama te fleksibilna opterećenja koja se mogu dinamički upravljati ovisno o uvjetima opterećenja mreže su samo neki od načina osiguranja stabilnosti sustava.

Energetski sektor prolazi kroz vrlo dinamično razdoblje. Zanimljivo će biti usporediti elektroenergetski sustav za 10 godina s današnjim i procijeniti u kojoj mjeri su se ispunile trenutne projekcije.

Izvori

  1. Cmh at the English-language Wikipedia, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
  2. Pumped Storage Hydropower, Water Power Technologies Office, United States Department of Energy, accessed: 24 June 2024
  3. Hydropower Plant, Energy Encyclopedia, accessed: 24 June 2024
  4. RHE Velebit, Hrvatska elektroprivreda (HEP), accessed: 24 June 2024
  5. Siyuwj, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons; Cropped from original
  6. Funkjoker23, Public domain, via Wikimedia Commons
  7. Hidroenergetski sustav Senj 2, Hrvatska elektroprivreda – HEP, accessed: 30 June 2024
  8. Source file: Le Grand Portage Derivative work: Rehman, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons
  9. Hoover Dam and Powerplant, U.S. Bureau of Reclamation, updated: July 2005, accessed: 30 June 2024
  10. P, Hughes, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons; Cropped from original
  11. Leveraging Hydropower and Pumped-Storage to Fight Climate Change, Y. Xiong, PE, PMP, Fellow ASCE, BGS, Uploaded: 3 February 2024
  12. 2024 World Hydropower Outlook, The International Hydropower Association – IHA, accessed: 24 June 2024
  13. Pumped Storage Tracking Tool, The International Hydropower Association – IHA, updated: 27 June 2022, accessed: 24 June 2024
  14. Global Hydropower Tracker, Global Energy Monitor – GEM, updated: April 2024, accessed: 24 June 2024
  15. SUO RHE Vrdovo, Elektroprojekt, accessed: 24 June 2024
  16. List of pumped-storage hydroelectric power stations under construction, Wikipedia, last edited: 18 June 2024, accessed: 24 June 2024
  17. Global Hydropower Tracker (GHT) Pumped Storage Summary Data, Global Energy Monitor – GEM, last updated: April 2024, accessed: 25 June 2024
  18. Pumped Hydro Energy Storage Atlases, A. Blakers et al., 100% Renewable Energy Group, Australian National University – ANU, accessed: 25 June 2024
  19. Tomio344456, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons / Rotated and cropped from original
  20. Jin, Y., Hu, S., Ziegler, A.D. et al. Energy production and water savings from floating solar photovoltaics on global reservoirs. Nat Sustain 6, 865–874 (2023).
  21. Total electricity generation, CC BY, Our World in Data, last updated: 8 May 2024; Data source: Ember (2024); Energy Institute – Statistical Review of World Energy (2023) – with major processing by Our World in Data. “Total electricity generation – Ember and Energy Institute” [dataset]. Ember, “Yearly Electricity Data”; Energy Institute, “Statistical Review of World Energy” [original data].

Leo Kaliger,  [email protected]

Je li vam ovaj tekst pomogao?
Dislike 0
Pogleda: 73