Skladištenje energije korišćenjem potencijalne energije vode

       Akumulacija vode rečnih tokova je osnovni vid eksploatacije potencijalne energije vode Mogu se akumulirati i veštački vodeni tokovi 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

1 Slika 6.2:

RHE ili PAHE a) pogled odozgo b) poprečni presek - 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 m 3 /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 kada 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)

P n

U pumpnom režimu snaga agregata mora biti 

P n

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

η

1 :

E

1 

 

1  Energija koja vode koja se predaje mreži u generatorskom režimu sa efikasnošću generatorskog režima rada

η

2 :

E

2

 

2  Ukupna efikasnost RHE i PAHE je:





E

2

E

1

 

1 2

 Efikasnost RHE i PAHE u pumpnom režimu rada je:



1

    

C   P G  TR gde su:

α

– koeficijent kojim se uvažava snaga sopstvene potrošnje,

α

=0.002-0.003

η

C

η

P – koeficijent efikasnosti cevovoda, – koeficijent efikasnosti pumpe,

η

P ≈

η η

C T =0.95-0.995

=0.85-0.945

η

G

η

TR – koeficijent efikasnosti generatora,

η

T =0.94-0.99

– koeficijent efikasnosti transformatora,

η

T =0.96-0.99  Efikasnost RHE i PAHE u generatorskom režimu rada je:



2 is  C   T G  TR gde su:

η

is

η

T koeficijent koji uvažava gubitke zbog isparavanja vode,

η

C ≈0.97

– koeficijent efikasnoti turbine,

η

T =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

:

W h



E

1

V



 

1  Za

ρ

=1000kg/m 3 ,

g

=9.81 m/s 2 i

h

=100 m :

W h





1   6      Gornja granica

v

max za brzinu vode koja ulazi u turbinu (za

h

=100 m ) se može izračunati izjednačavanjem kinetičke i potencijalne energije vode uz zanemarenje gubitaka:

E

k 

E

p 1 2

mv

2 max



v

max  2 44.3 m / s 2

   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 prirodna 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

2 A

- gorna mašinska sala,

B

-donja mašinska sala, – ulaz u cevovod,

3

– pristupni otvor,

4 1

- gornja akumulacija, – 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 elektromotora Fotonaponski paneli su pogodni da se koriste u svrhe pumpanja vode s obzirom da se pri tome ne zahveva drugi sistem za skladištenje energije, energija je skladištena 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 se odmah koristiti ili skladišti u rezervoaru za kasnije korišćenje Slika 6.4:

Sistem za pumpanje vode koji koristi PV panel

       Fotonaponski pumpni sistem ima: električnu stranu u kojoj PV panel stvara napon

V

koja pokreće motor koji stvara struju

I

hidrauličnu stranu u kojoj pumpa stvara pritisak koji pokreće vodu protoka

Q

kroz cevi do nekog odredišta na visini

H

H idraulična strana može da bude zatvorena petlja sa vodom koja cirkuliše nazad kroz pumpu (kao na slici 6.4) ili otvoren sistem u kome se voda podiže sa jednog nivoa na drugi i onda se pušta 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

naponu, dok je protok Q analogan struji, uloga

H-Q

je analogna krive u određivanju hidraulične radne tačka je analogna ulozi električnu radnu tačku

I – V

krive koja određuje Pumpa treba da da dovoljno energije da se voda popne na višu 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 PV sistem sa AC motorima zahteva DC/AC invertor (za veće sisteme) U hibridnom PV sistemu koristi se dopunski izvor (dizel ili vetro agregat)

 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 6.5:

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 6.6:

H-Q krive hidrauličnih pumpi, zapreminske i centrifugalne

  Električna

I – V

kriva i hidraulična

Q – H

kriva imaju slične osobine, hidraulična strana (koju pumpa predaje fluidu gustine ρ) je :

P

 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

 Motori za hidraulične pumpe: - DC motori (sa stalnim magnetima i sa namotanim rotorom) - AC motori (indukcioni sa kaveznim i sa namotanim rotorm i sinhroni) Slika 6.7:

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 (m 4 ) koji se dobija kao proizvod ekvivalentne visine pumpanja vode i dnevne proizvodnje vode (m 3 )

Slika 6.8:

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

 Snaga rotora vetrenjače pri brzini vetra

v

, površini koju prebrišu lopatice

A r

, efikasnošću rotora

η r

gustini vazduha

ρ

je:

P r

2  

r r

3   

P

 2  

r

pumpi, efikasnost pumpe je 60-75%

r

3 Rotor obično iskoristi 30-50% energije vetra na rotor (turbinu), 25-30% energije rotora se preda vratilu i 92-97% energije vratila se preda Snaga pumpnog sistema koji koristi energiju vetra je:

P ov

2  

ov

 

r

2  3 gde je

η ov

ukupna efikasnost pumpnog sistema koji koristi energiju vetra  Snaga pumpnog sistema na osnovu srednje brzine vetra je:

P ov

 2  

ov

 

r

3

 Hidraulična snaga ispumpane vode je:

P h





w

gde su

ρ w

gustina vode, pumpanja vode i

V g

gravitaciono ubrzanje, je zapremina ispumpane vode

h

ukupna visina  Izjednačavanjem snage pumpnog sistema i hidraulične snage pumpnog sistema, dobija se zapremina ispumpane vode:

V

 0.048

 

ov



d

2 

v

3

h

gde je d prečnik turbine,

A

r =0.25·

π

·

d

2  Zapremina ispumpane vode na osnovu srednje brzine vetra je:

V

 0.092

 

ov



d

2 

v

3

h

  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

:

V

 0.048

 

ov



d

2 

v

3

h

 gde je

η ov

ukupna efikasnost pumpnog sistema sa vetrogeneratorom Zapremina proizvedene vode korišćenjem vetrogeneratora na osnovu srednje brzine vetra:

V

 0.092

 

ov



d

2 

v

3

h

  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