Гидроаккумулирующие электростанции в закрытых шахтах. Часть 1. Европа
Строительсто гидроаккумулирующих электростанций позволяет хранить электрическую энергию во внепиковые периоды потребляемых мощностей. Поскольку стоимость энергии в такие периоды падает, ее сохранение имеет экономический смысл с тем, чтобы в пиковые периоды потребления продавать энергию по более высоким ценам. Разница цен является источником расходов на строительство и эксплуатацию комплексов хранения.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
С этой целью во время пиковых потребностей в электроэнергии вода из верхнего резервуара пропускается по стволам или туннелям высокого давления, проходит через турбины, генерируя энергию, и попадает в нижний резервуар (рис. 1). Таким образом, сохраняемая за плотиной верхнего резервуара потенциальная энергия воды превращается в кинетическую, а затем в электрическую. Когда потребность в электроэнергии снижается, турбины работают как насосы, и вода из нижнего резервуара возвращается в верхний.
Такая перекачка воды требует большего расхода энергии, чем вырабатывается при работе турбин. Однако нельзя сказать, что работа таких гидроэлектростанций экономически нецелесообразна. Сегодня их эффективность достигает 80 % (коэффициент полезного действия 0,8).
Комплекс гидроаккумулирующей электростанции включает в себя большое количество подземных полостей разного размера и протяженных туннелей. С целью сокращения затрат на их сооружение все большее внимание энергостроителей в последние десятилетия привлекает возможность размещения подземных объектов в шахтах, закрываемых по разным причинам: экологическим или экономическим соображениям, в связи с исчерпанием запасов полезных ископаемых, из-за изменения политических или общественных настроений (рис. 2). Далее даны примеры таких решений.
ЕВРОПА. ГЕРМАНИЯ, РУР. ПРОСПЕР-ДАНИЭЛЬ
C 1980-х гг. в Германии усилился интерес к снижению зависимости от ядерных и ископаемых источников энергии. На передний план стали выходить возобновляемые источники энергии, такие как гидроэнергетика, ветер, биомасса, солнечная энергия. Такая смена интересов отвечает политической позиции правительства и поддерживается специальной нормативно-правовой базой. В результате производство возобновляемой энергии значительно увеличилось за последние годы. Вместе с тем такое развитие вызывает проблемы с точки зрения стабильности сети, поскольку энергия ветра и солнца непостоянна и подвержена сезонным и погодным изменениям. Ежедневно колеблется спрос на электроэнергию. Для обеспечения баланса спроса и предложения требуется сочетание систем выработки электроэнергии, спроса на нее и емкости накопления энергии. Этим объясняется то, что большое внимание в настоящее время уделяется целесообразности размещения под землей в поддерживаемых выработках закрытых шахт гидроаккумулирующих электростанций даже в густонаселенных и промышленных районах (например, в центрах энергетической нагрузки, таких как Рурская область Германии).
Здесь, однако, серьезной проблемой оказываются поиски возможной площадки строительства. Для нее необходимо иметь достаточную высоту между резервуарами для создания нужного напора воды, поступающей в турбины, достаточную емкость резервуаров (особенно нижнего — подземного), удовлетворять комплексным экологическим требованиям, а также реагировать на возможное сопротивление общественности. Последнее привело к прекращению нескольких проектов в прошлом, например на озере Рурзее недалеко от Аахена. В частности, строительство верхнего резервуара на вершине холма или в горной долине обычно требует значительных изменений ландшафта, что часто вызывает эстетические или экологические проблемы, которые выражаются как местным населением, так и природоохранными группами.
Препятствиями для размещения под землей комплекса гидроаккумулирующей станции служат геологические условия и высокая стоимость подземных работ. Во многих случаях целесообразным оказалось использование существующих выработок закрытых шахт. Таким решением предотвращается вторжение в ландшафт, и единственным принципиальным объектом на поверхности будет верхний резервуар, который требуется построить, если нет подходящего естественного водохранилища — реки или озера.
В Германии разработана концепция гидроаккумулирующей станции в районе Рура. Специфической задачей был дизайн подземного резервуара в отработанной угольной шахте. Чем глубже его расположение, тем лучше, поскольку хранимое количество энергии увеличивается с разницей в высоте между резервуарами. Очевидным решением при этом является использование существующих шахтных полостей. При технологии добычи угля длинными забоями, применяемыми в районе Рура, вслед за выемкой угля происходит контролируемое обрушение осадочных пород кровли пласта. После обрушения остаются поддерживаемые горные выработки, пройденные для транспортных и вентиляционных операций во время угледобычи. Эти выработки, однако, не всегда пригодны для размещения в них резервуара.
В Руре очень трудоемка экскавация даже небольших полостей, например, необходимых для угольных бункеров. С увеличением глубины работ растет неустойчивость пород. Не всегда имеется возможность использования сети существующих выработок в качестве емкостей нижнего резервуара, поскольку эти выработки пройдены под разными углами наклона и трудно заранее оценить, будут ли они иметь достаточный и постоянный уклон, чтобы гарантировать обратный поток накопленной воды во время работы турбины.
Альтернативный вариант концептуального проекта использования закрытой шахты для аккумулирующей электростанции — строительство новых горизонтальных выработок круглого сечения, образующих нижний резервуар. Современная технология применения буровых туннельных машин позволяет сделать рентабельным большой объем горных работ. Она позволяет создать оптимальный уклон выработок и соорудить их прочную металлобетонную крепь, предотвращающую водный обмен с окружающими осадочными породами, что уменьшает технические и экологические проблемы (рис. 3).
Наибольшая глубина стволов в Германии достигает 1 600 м, их большинство имеет глубину 500–1 000 м. Технические возможности высоты откачки воды современными турбонасосами составляют примерно 700 м. Этими соображениями определяется расстояние межу верхним и нижним резервуарами. Обычный диаметр стволов 7–8 м.
На рис. 4 показан пример схемы подземной гидроаккумулирующей электростанции, подобный концепт которой разрабатывается для угольной шахты Проспер-Ханиэль в северной части бассейна Рур, Германия. Здесь верхний резервуар располагается на отметке 71 м над уровнем моря, нижний резервуар — между 471 и 450 м ниже уровня моря, машинный зал — на отметке 501 м ниже уровня моря.
Продолжение статьи читайте в сентябрьском номере журнала "Наука и техника" за 2021 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.
В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.
