В США гидроэнергетика с насосными накопителями (PSH) уже обеспечивает 95% всех накоплений энергии коммунального масштаба. Поэтому любые инновации, которые сокращают затраты или расширяют удобство использования PSH, должны быть хорошо восприняты. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) и ее партнеры Obermeyer Hydro, Microtunneling Inc. и малые гидроконсалтинговые компании демонстрируют преимущества небольшого насоса, установленного в вертикальной «скважине», а не в подземной электростанции, что является одной из самых дорогостоящих инвестиций в традиционную PSH. Их исследование показало снижение стоимости проекта на 33%, включая 45%-ную экономию расходов, связанных со строительством. Система является модульной, что облегчает масштабирование по мере того, как спрос на хранение растет по-разному для разных регионов. По мнению исследователей, его гибкость должна сделать разработку проектов PHS в диапазоне от 1 до 100 МВт гораздо более привлекательной.
Компания Obermeyer получила $1,18 млн на разработку усовершенствованной конфигурации PSH с замкнутым контуром в рамках инициативы HydroNEXT управления водных энергетических технологий Министерства энергетики США. Эта инициатива направлена на снижение затрат, повышение производительности и поощрение бережного отношения к окружающей среде в контексте замкнутых систем PSH.
Небольшой, модульный, вертикальный «колодец»
По мере увеличения количества ветра и солнечной энергии в энергосистеме ожидается рост спроса на высокоемкие и длительные хранилища, и оценки, проводимые под руководством NREL, помогают гидроэнергетической отрасли изучить эти возможности хранения энергии в энергосистеме как с технико-экономической, так и с инженерной точки зрения.
Ключ к этой новой конструкции заключается в том, что она не требует подземной электростанции, что является одним из наиболее дорогостоящих, рискованных и экологически вредных аспектов строительства PSH. Исследователи NREL работали с Обернским университетом, чтобы выполнить экономический анализ этого нового дизайна PSH. Исследования группы показали снижение стоимости проекта на 33%, включая 45%-ную экономию затрат, связанных со строительством, при одновременном устранении геологического риска строительства подземных электростанций.
Команда также проверила вычислительный гидродинамический анализ производительности турбины-насоса; прогнозируемая эффективность обратного хода делает эту технологию очень конкурентоспособной в области технологий хранения энергии.
«Мы исследуем способы наилучшего удовлетворения крупномасштабных потребностей в сетевом хранении, а также решаем проблемы, стоящие перед сегодняшним сектором электроэнергетики», — говорит Грег Старк, главный исследователь NREL. «Гидроэнергетическая система Obermeyer с регулируемой скоростью накачки имеет ряд существенных преимуществ — она обладает высокой масштабируемостью, адаптируемостью к ряду типов объектов, а дизайн учитывает стоимость проекта, сроки и риски».
Снижение затрат на строительство
Все реверсивные насосные турбины имеют строгие конструктивные требования к погружению — они требуют установки на глубинах значительно ниже уровня поверхности хвостовой воды, чтобы предотвратить разрушительную кавитацию. Установка турбины погружного насоса в вертикальной «скважине», а не в традиционной подземной электростанции, не только снижает стоимость строительства и риск проекта, но и позволяет устанавливать ее в геологических условиях, не подходящих для подземной электростанции.
Однако это создало соответствующую проблему. Чтобы заменить простой «колодец» на подземную электростанцию, требовалась более компактная насосная турбина. Инновационная конструкция бегунка с 180-градусным меридиональным реверсом потока сделала возможным необходимый компактный форм-фактор.
«Вся проектная группа ожидала штрафа за эффективность из-за этого 180-градусного разворота потока», — говорит Генри Обермейер, Obermeyer Hydro, Inc., президент и главный инженер компании. «Для сравнения, поток в обычном турбинном бегуне насоса Фрэнсиса отклоняется только на 90 градусов. Это новое устройство требовало коаксиального диффузора, который неожиданно превзошел традиционный спиральный диффузор и дал чистый бонус эффективности, а не ожидаемое снижение эффективности».
Этот инновационный подход к насосному хранению делает разработку проектов PSH в диапазоне от 1 до 100 МВт гораздо более привлекательной как с точки зрения выбора площадки, так и с точки зрения экономики проекта, открывая новые возможности для PSH.
Использование существующих плотин
«Только 3% всей инфраструктуры плотин в Соединенных Штатах генерирует электроэнергию», — говорит Кэтрин Обермейер, стратегический менеджер проекта Obermeyer. «Используя наше масштабируемое и универсальное решение для плотин без электроснабжения, мы можем способствовать увеличению объемов хранения возобновляемой энергии по всей стране».
Эта насосно-турбинная конструкция имеет потенциал для использования в широком диапазоне проектов замкнутого и разомкнутого насосных хранилищ, используя комбинации надземных и подземных резервуаров, морской воды и хранения питьевой воды. К нехранилищным применениям относятся высокоэффективные насосы для водоснабжения и транспортировки, а также высокоэффективные скважинные насосы.
