Skladištenje energije korišćenjem potencijalne energije vode

Akumulacija vode rečnih tokova je osnovni vid eksploatacije potencijalne energije vode Mogu se akumulirati i veštački vodotokovi korišćenjem energije koja je dostupna iz nedovoljno opterećenih generatorskih kapaciteta u EES-u za vreme minimuma potrošnje Na početku prošlog veka sve akumulacione HE su imale izvesno pumpanje vode sa ciljem da se pojača dotok vode u akumulacije i da se ostvari sezonsko skladištenje energije u hidroelektričnom EES-u Prve “čisto” pumpno-akumulacione HE su korišćene kod manufakturnih industrija u Švajcarskoj i Italiji 90-tih godina 18. veka, a početkom 19. veka i u drugim evropskim zemljama za pokrivanje javne potrošnje Kasnije su u pretežno termoelektričnim sistemima građene specijalne HE sa dotokom vode samo iz pumpanja (reverzibilne i pumpno-akumulacione HE) koje su projektovane uglavnom za dnevno i nedeljno skladištenje vode RHE i PAHE su jedini veliki sistemi za skladištenje energije u EES-ima RHE i PAHE decenijama služe za ekonomično korišćenje energije u toku minimuma opterećenja tako što se za vreme minimuma potrošnje voda pumpa u gornju akumulaciju a onda se skladištena potencijalna energija vode koristi kroz turbinu da bi se pokrila vršna potrošnja

Reverzibilne i pumpno-akumulacione HE RHE i PAHE mogu raditi kao izvori električne energije ali i kao potrošači RHE: turbina radi i kao pumpa, PAHE: turbnina i pumpa su posebno izvedene Slika 6.1: a) RHE b) PAHE TR – transformator, G – generator (radi kao motor u pumpnom režimu), T – turbina (kod RHE i pumpa), P – pumpa, K – kvačilo, GA – gornja akumulacija DA – donja akumulacija

Slika 6.2: RHE ili PAHE a) pogled odozgo b) poprečni presek 1- brana pribranske elektrane, 2 – prelivno polje, 3 – mašinska zgrada pribranske elektrane, 4 – cevovod koji povezuje donju akumulaciju sa mašinskom zgradom 5 - mašinska zgrada RHE ili PAHE, 6 - cevovod 7- vodostan, 8 - derivacioni tunel

RHE i PAHE su uglavnom izvedene kao derivacione HE pod pritiskom (H=30-1800 m, Q≤1000 m3/s) Mašinska zgrada RHE i PAHE se obično gradi u blizini branskih ili pribranskih HE Turbinski (generatorski) režim: voda iz gornje akumulacije dotiče u donju akumulaciju i pokreće turbinu, proizvodi se električna energija koja se predaje EES-u Pumpni (motorni) režim: električna energija iz EES-a se koristi za pumpanje vode iz donje u gornju akumulaciju Elektrana se uvodi u pumpni režim zbog smanjene potrošnje u toku noći da bi se izbeglo isključenje TE jer one ne mogu da rade ispod tehničkog minimuma U toku dana RHE i PAHE rade kao izvori i učestvuju u pokrivanju dnevnih maksimuma potrošnje U generatorskom režimu snaga RHE i PAHE je u opsegu (0.3-1) Pn U pumpnom režimu snaga agregata mora biti Pn zbog toga što stepen iskorišćenja pumpe pri smanjenju snage jako opada tako da može doći do prestanka protoka iz donje u gornju akumulaciju

Kod RHE i PAHE postoje gubici energije u toku rada zbog trenja, turbulencije i viskoznosti vode, takođe postoje gubici kod turbine (pumpe), u generatoru (motoru) i transformatoru, korišćena voda zadržava neku kinetičku energiju Energija koja se koristi za pumpanje vode zapremine V, na visinu h, sa efikasnošću pumpnog režima rada η1: Energija koja vode koja se predaje mreži u generatorskom režimu sa efikasnošću generatorskog režima rada η2: Ukupna efikasnost RHE i PAHE je:

Efikasnost RHE i PAHE u pumpnom režimu rada je: gde su: α – koeficijent kojim se uvažava snaga sopstvene potrošnje, α=0.002-0.003 ηC – koeficijent efikasnosti cevovoda, ηC=0.95-0.995 ηP – koeficijent efikasnosti pumpe, ηP≈ηT=0.85-0.945 ηG – koeficijent efikasnosti generatora, ηT=0.94-0.99 ηTR – koeficijent efikasnosti transformatora, ηTR=0.96-0.99 Efikasnost RHE i PAHE u generatorskom režimu rada je: gde su: ηis koeficijent koji uvažava gubitke zbog isparavanja vode, ηC≈0.97 ηT – koeficijent efikasnosti turbine, ηT=0.85-0.945 Ukupna efikasnost RHE i PAHE: η=0.5-0.75

Zapreminska gustina skladištene energije u RHE i PAHE zavisi od visine pumpanja vode h: Za η1=1, ρ=1000kg/m3, g=9.81 m/s2 i h=100 m: Gornja granica vmax za brzinu vode koja ulazi u turbinu (za h=100 m) se može izračunati izjednačavanjem kinetičke i potencijalne energije vode uz zanemarenje gubitaka:

RHE i PAHE moraju imati donje i gornje akumulacije, kao donje akumulacije se koriste akumulacije već izgrađenih branskih ili pribranskih elektrana, kao gornje akumulacije se koriste prirodna ili veštačka jezera u planinskim oblastima ili akumulacije u okviru drugih struktura (npr. navodnjavanja) Izbor mesta izgradnje RHE i PAHE se zasniva na ekonomskoj analizi prema kojoj odnos horizontalnog i vertikalnog rastojanja između gornje i donje akumulacije treba da bude 4:1 (mada, izvesnim slučajevima ovaj odnos može da bude i manji) Jedan od koncepta koji se istražuje je podzemna RHE ili PAHE: - donja akumulacija locirana pod zemljom u čvrstim stenama (veštački rezervoar, delovi napuštenog rudnika, podzemnih vojnih instalacija) - gornja akumlacija može biti prirodni ili veštački rezervoar, zapremina gornje akumulacije ne mora da bude velika ako je velika visinska razlika u odnosu na donju akumulaciju (npr. preko 1000 m) - postoji teorijska mogućnost da se more koristi kao gornji rezervoar

Slika 6.3: Podzemna RHE ili PAHE A- gorna mašinska sala, B-donja mašinska sala, 1- gornja akumulacija, 2 – ulaz u cevovod, 3 – pristupni otvor, 4 – kablovski i ventilacioni otvor 5 - cevovod, 6 – balansni rezervoar , 7- transformator, 8 – generator, 9 – turbina (pumpa)

Sistemi za pumpanje vode koji koriste obnovljive izvore energije Vetrenjače od drveta su se koristile za pumpanje vode još u 13. veku za isušivanje močvarnog zemljišta u Holadniji, zatim u Francuskoj, Španiji i Portugaliji za pumpanje morske vode u cilju dobijanja soli Od polovine 18. veka u Americi se razvijaju i široko primenjuju vetrenjače sa više metalnih lopatica, u svrhe navodnjavanja polja, obezbeđivanja vode za stoku i kućne potrebe Zbog razvoja vetrogeneratora, tehnologija pumpanja vode pomoću vetra sa izvesnim modifikacijama i danas je aktuelna u razvijenim zemljama Energija dobijena iz malih vetrogeneratora se može predati EES-u, može se koristiti za punjenje baterija, za direktno grejanje otpornika i za direktno napajanje AC ili DC elektromotora koji mogu da pumpaju vodu Fotonaponski paneli su pogodni za pumpanje vode u udaljenim područjima, pri tome može da se vrši skladištenje energije u vidu potencijalne energije vode Sistemi za skladištenje energije korišćenjem potencijalne energije vode omogućavaju integraciju obnovljivih izvora energije u EES

Fotonaponski pumpni sistemi (fotonaponske pumpe) Najjednostavniji fotonaponski pumpni sistem se sastoji od PV modula povezanog direktno na DC motor i pumpu, voda koja se ispumpava kada ima Sunca može odmah da se koristi ili skladišti u rezervoaru za kasnije korišćenje PV sistem sa AC motorima zahteva DC/AC invertor (za veće sisteme) U hibridnom PV sistemu koristi se dopunski izvor (dizel ili vetro agregat) Slika 6.4: Sistem za pumpanje vode koji koristi PV panel

Fotonaponski pumpni sistem ima: - električnu stranu u kojoj PV panel stvara napon V , odnosno struju I koja pokreće motor - hidrauličnu stranu u kojoj pumpa stvara pritisak koji pokreće vodu protoka Q kroz cevi do nekog odredišta na visini H Hidraulična strana može da bude zatvorena petlja sa vodom koja cirkuliše nazad kroz pumpu (na slici 6.4) ili otvoren sistem u kome se voda podiže sa jednog nivoa na drugi i onda se ispušta (na slici 6.5) Na električnoj strani sistema, napone i struje isporučene u svakom trenutku određuje presek I – V krive panela i I – V krive motora. U hidrauličkom sistemu, visina na koju se voda podiže H je analogna naponu, dok je protok Q analogan struji, uloga H-Q krive u određivanju hidraulične radne tačka je analogna ulozi I – V krive koja određuje električnu radnu tačku Pumpa treba da da dovoljno energije da se voda podigne na određenu visinu i savlada statički pad, ali i da se pokriju gubici usled trenja koji rastu sa kvadratom protoka, oni zavise od hrapavosti unutrašnjosti cevi, broja kolena cevi i od broja ventila

Slika 6.5: Otvoren hidraulični sistem i njegova sistemska karakteristika sa statičkim padom i ekvivalentnim padom usled trenja

Slika 6.6: H-Q krive hidrauličnih pumpi: zapreminske i centrifugalne Električna I – V kriva i hidraulična Q – H kriva imaju slične osobine, hidraulična snaga (koju pumpa predaje fluidu gustine ρ) je: Kod direktno spregnutih PV modula na pumpu, napon na pumpi će varirati sa promenom iradijacije, menjaće se i kriva pumpe, što znači da će kriva pumpe varirati sa iradijacijom

Slika 6.7: Potapajuća i površinska centrifugalna pumpa Vrste hidrauličnih pumpi: - zapreminske (klipne): potapajuće (membranske) i nepotapajuće (dizalične, ventilske i sa rotirajućim lopaticama) - centrifugalne: potapajuće (spiralne) i nepotapajuće (vertikalne turbinske, plutajuće i površinske) Slika 6.7: Potapajuća i površinska centrifugalna pumpa

Karakteristike zapreminskih pumpi: - izlaz vode zapreminskih pumpi je skoro nezavisan od pada, ali direktno proporcionalan protoku - operativne karakteristike zapreminskih pumpi nisu pogodne za PV pumpne sisteme: motor koji pokreće zapreminsku pumpu zahteva konstantnu struju za dati pad (struja PV panela zavisi od iradijacije) Karakteristike centrifugalnih pumpi: - pogodne za srednje i visoke protoke i pumpanje vode iz bušotina ili iz površinskih rezervoara - projektovane su za fiksni pad, njihova efikasnost se smanjuje kada visina na koju podižu vodu i protok odstupaju od vrednosti za koju je pumpa projektovana - operativne karakteristike prilično odgovaraju karakteristikama proizvodnje PV panela tako da on može direktno da napaja motor ako se pažljivo biraju brzina i napon motora i karakteristike pumpe -elektronska regulacija može da poboljša performanse PV pumpnog sistema za 10-15%, iako oni troše 4-7% od izlazne snage PV panela Pumpe sa spiralnim rotorom rade u širokom opsegu brzina i mogu da pumpaju vodu pri niskim vrednostima iradijacije

Slika 6.8: Vrste motora za hidraulične pumpe Motori za hidraulične pumpe: - DC motori (sa stalnim magnetima i sa namotanim rotorom) - AC motori (indukcioni sa kaveznim i sa namotanim rotorom i sinhroni) Slika 6.8: Vrste motora za hidraulične pumpe

Vetrogeneratorski pumpni sistemi Rotori mehaničkih pumpnih sistema na pogon vetra (vetrenjača) su velike čvrstine i obično koriste zapreminske (klipne) pumpe koje zahtevaju oko tri puta veći moment za pokretanje u odnosu na moment koji je potreban pri radu Centrifugalne pumpe se obično koriste kod električnih motora zbog toga što je polazni moment pumpe manji od momenta u toku rada, zbog toga su vetroturbine pogodne za napajanje centrifugalnih pumpi Ekvivalentna visina pumpanja je visina na koju treba ispumpati vodu da bi ona mogla da se koristi, ona uključuje - visinu pumpanja (od nivoa vode u bunaru do površine zemlje, uključujući i dubinu zaranjanja pumpe) - visinu usled gubitaka zbog trenja - visinu od površine zemlje na kojoj se voda koristi Energija potrebna za pumpanje vode zavisi od dnevnog hidrauličnog ekvivalentnog opterećenja (m4) koji se dobija kao proizvod ekvivalentne visine pumpanja vode i dnevne proizvodnje vode (m3)

Slika 6.8: Mehanički pumpni sistem na pogon vetra (vetrenjača za pumpanje vode)

Snaga rotora vetrenjače pri brzini vetra v, površini koju prebrišu lopatice Ar, efikasnošću rotora ηr gustini vazduha ρ je: Srednja snaga rotora vetrenjače pri srednjoj brzini vetra je: Rotor obično iskoristi 30-50% energije vetra na rotor (turbinu), 25-30% energije rotora se preda vratilu i 92-97% energije vratila se preda pumpi, efikasnost pumpe je 60-75% Snaga pumpnog sistema koji koristi energiju vetra je: gde je ηov ukupna efikasnost pumpnog sistema koji koristi energiju vetra Snaga pumpnog sistema na osnovu srednje brzine vetra je:

Hidraulična snaga ispumpane vode je: gde su ρw gustina vode, g gravitaciono ubrzanje, h ukupna visina pumpanja vode i V je zapremina ispumpane vode Izjednačavanjem snage pumpnog sistema i hidraulične snage pumpnog sistema, dobija se zapremina ispumpane vode: gde je d prečnik turbine, Ar=0.25·π·d2 Zapremina ispumpane vode na osnovu srednje brzine vetra je:

Slično kao kod vetrenjača, energija potrebna za pumpanje vode korišćenjem vetrogeneratora i električnih pumpi zavisi od hidrauličnog ekvivalentnog opterećenja (proizvoda ekvivalentne visine pumpanja i dnevne proizvodnje vode) Zapremina proizvedene vode korišćenjem vetrogeneratora pri brzini vetra v: gde je ηov ukupna efikasnost pumpnog sistema sa vetrogeneratorom Zapremina proizvedene vode korišćenjem vetrogeneratora na osnovu srednje brzine vetra: Efikasnost rotora je nešto ispod 40%, efikasnost prenosa je 90%, efikasnost generatora je oko 90%, efikasnost prilagođenja snage 90% Efikasnost malih vetrogeneratora je 25-30% pri srednjim brzinama vetra v<5.5 m/s

Slika 6.7: Vetrogeneratorski pumpni sistem