usina de armazenamento bombeado

Barragem da usina Ottenstein com a casa de força, na qual estão alojadas duas bombas de 9 MW cada e quatro turbinas de 12 MW cada

O Koepchenwerk em Herdecke

Usina bombeada de armazenamento Markersbach - Upper Basin

Uma usina de armazenamento bombeado , também abreviada como Pumpspeicherwerk , PSW , é uma usina de armazenamento , a energia elétrica na forma de energia potencial (energia potencial) em um reservatório . A água é levada para o tanque de armazenamento por bombas elétricas para que depois possa ser usada novamente para acionar turbinas para gerar eletricidade. Em tempos de baixa demanda, eles absorvem um excesso de oferta de energia elétrica na rede elétrica e a liberam de volta na rede em picos de carga . As usinas hidrelétricas bombeadas são a tecnologia dominante para o armazenamento de energia elétrica em grande escala.

história

Predecessores pré-industriais

O princípio básico de armazenamento de água como energia de localização já era utilizado na fase tardia da era solar-agrária - pouco antes do início da industrialização . Os moinhos de vento , que eram mais voláteis na produção do que os moinhos de água , bombeavam água para um reservatório em um nível mais alto, do qual, por sua vez, os moinhos de água eram continuamente alimentados; um processo que v. uma. foi usado na indústria têxtil, onde era particularmente importante que os teares acionados mecanicamente se movessem com regularidade e precisão . Isso permitiu aumentar a capacidade de trabalho da energia hídrica, particularmente valiosa e, portanto, muito utilizada na época, por meio da energia eólica.

Primeiro PSP moderno

Uma das mais antigas usinas de armazenamento reversível foi instalada em Gattikon, no Sihl . Com uma turbina Jonval, o sistema transportava um metro cúbico de água por segundo para o lago da floresta criado artificialmente . Quando o nível da água no Sihl estava baixo, a água era drenada do lago e enviada para uma estação de energia a fio de água de baixa pressão , que acionava mecanicamente as transmissões de uma tecelagem . A usina funcionou de 1863 a 1911. Quando a tecelagem foi conectada à rede elétrica, a operação de bombeamento foi interrompida, os componentes do sistema só foram removidos na década de 1980 para dar lugar a empreendimentos residenciais.

Desenvolvimento desde 1920

Modernas usinas hidrelétricas reversíveis foram construídas pela primeira vez em pequena escala na década de 1920. Um dos engenheiros alemães que desenvolveu a tecnologia para usinas hidrelétricas reversíveis em grande escala como uma conquista pioneira em todo o mundo foi Arthur Koepchen . O PSW Koepchenwerk da RWE AG em Herdecke an der Ruhr , que entrou em operação em 1930, foi batizado em sua homenagem. Uma compilação pode ser encontrada na lista de usinas hidrelétricas reversíveis .

Originalmente, usinas de energia bombeada eram usadas principalmente para o fornecimento de curto prazo de cargas de pico caras e para melhor utilização de usinas de energia de carga de base , como usinas nucleares ou usinas de lignito . Eles fornecem a energia mais constante possível e, além de emergências como redução de carga , só podem ser inicializados e desligados economicamente em horas ou dias. Ao mesmo tempo, existe uma forte flutuação do consumo de energia ao longo do dia e da semana, o que deve ser sempre atendido com exatidão. As usinas hidrelétricas reversíveis ofereciam a possibilidade de z. B. à noite ou às horas do dia, quando as vendas são fracas, para converter a eletricidade de base que estava disponível a preços comparativamente baixos em eletricidade significativamente mais cara para picos de demanda. O preço de venda neste negócio pode ser muitas vezes superior ao preço de compra, o que torna economicamente viável a operação de usinas hidrelétricas reversíveis. Ficou claro desde o início que esse sistema funcionaria tecnicamente, mas o benefício econômico só foi comprovado quando o Koepchenwerk entrou em operação . A existência de usinas bombeadas , portanto, também protegia alguns dos riscos econômicos das usinas de carga de base térmica , que eram capazes de fornecer eletricidade à rede que era praticamente desnecessária à noite.

transição de energia

Com a expansão da energia renovável no curso da transição energética , o padrão operacional das usinas hidrelétricas bombeadas mudou significativamente. Especialmente no verão, quando os fotovoltaicos alimentam grandes quantidades de energia elétrica na rede durante o dia, o pico do meio-dia e muitas vezes também grandes partes da carga média são cobertos por sistemas fotovoltaicos, de modo que os tempos de operação dos sistemas de armazenamento bombeados mudam mais para o manhã e à noite. Ao mesmo tempo, a expansão da energia eólica e solar levará a uma necessidade crescente de armazenamento a longo prazo para poder compensar a geração volátil. Portanto, além do armazenamento local da bateria em sistemas domésticos pequenos, espera-se que as usinas de armazenamento, incluindo usinas de energia bombeada, se tornem cada vez mais importantes.

A necessidade de armazenamento atinge uma dimensão relevante a partir de uma parcela renovável de 60-80% do fornecimento de energia; no caso de proporções menores, opções de flexibilidade como gerenciamento de carga , operação flexível de usinas convencionais e a expansão da rede elétrica são opções economicamente mais convenientes para compensar as flutuações. Técnicas alternativas de armazenamento, por ex. B. o armazenamento eletrotérmico de energia em rocha (vulcânica) está sendo testado. Em 2019, a planta piloto de um sistema de armazenamento de energia eletrotérmica foi colocada em operação em Hamburgo.

tecnologia

funcionalidade

Estrutura básica de uma usina de armazenamento bombeado com uma máquina ternária configurada em gerador ou operação de bomba

Desenho detalhado em corte transversal usando a usina de armazenamento bombeado da Montanha Raccoon como exemplo

Em princípio, cada usina hidrelétrica bombeada consiste em pelo menos uma bacia de armazenamento superior (bacia superior de água) e uma bacia inferior profunda (também chamada de bacia subaquática), conforme mostrado no desenho adjacente. Existem uma ou mais tubulações de pressão entre as duas bacias . No caso mais simples, a sala de máquinas da usina contém uma turbina hidráulica , uma bomba e uma máquina elétrica giratória , que pode funcionar como gerador elétrico ou como motor elétrico e é mostrada em vermelho no desenho. No caso de usinas hidrelétricas bombeadas maiores, há várias dessas unidades em operação paralela.

A turbina, a máquina elétrica e a bomba, incluindo equipamentos auxiliares como embreagens e a turbina de lançamento, são montadas em um eixo comum . Como em outras usinas de energia, a máquina elétrica geralmente é projetada como uma máquina síncrona trifásica com uma excitatriz . Uma vez que máquinas síncronas em operação motorizada para iniciar a operação de bombeamento não podem partir com segurança da paralisação por si mesmas devido ao momento de inércia de massa , dispositivos auxiliares como uma turbina de lançamento menor são fornecidos, dependendo da usina, a fim de poder trazer o motor até a velocidade para operação de bombeamento. Alternativamente, em algumas usinas de armazenamento bombeado, máquinas assíncronas trifásicas dedicadas são fornecidas como motores de acionamento para a operação de bombeamento , que não apresentam problemas de inicialização. A máquina síncrona é então operada exclusivamente como um gerador.

Embora a máquina elétrica possa funcionar tanto no modo gerador quanto no motor, as turbinas geralmente não podem funcionar também como uma bomba. Por esse motivo, a bomba é separada da turbina, projetada como turbina Francis ou turbina de jato livre , como uma unidade independente e, dependendo do modo de operação, conectada à tubulação de pressão por meio de válvulas gaveta . A turbina é à prova de ociosidade, o que significa que no modo de bombeamento a turbina funciona ociosa sem qualquer função. A marcha lenta causaria danos à bomba no modo gerador, razão pela qual a bomba deve ser separada do eixo por meio de um acoplamento no modo gerador .

Para evitar a cavitação , o hall da usina geralmente é fornecido abaixo da altura de sucção geodésica da bacia profunda e projetado como uma chamada usina de caverna , conforme mostrado no segundo esboço usando a usina de armazenamento bombeado da Montanha Raccoon. Em algumas usinas hidrelétricas reversíveis, como a usina hidrelétrica reversível Blenheim-Gilboa , a sala de máquinas está localizada inteiramente na parte inferior da bacia.

Em seguida, vem ao fechar a válvula de gaveta nas linhas de pressão, z. B. ao mudar de gerador para operação de bomba, para picos de pressão . Para compensar isso, é fornecido um bloqueio de água que compensa os picos de pressão e, portanto, evita danos às linhas de pressão. As usinas hidrelétricas reversíveis também podem operar com quedas muito altas de até 2.000 m.

No caso de uma usina de armazenamento, a bacia profunda inferior e o dispositivo de bombeamento não são necessários. Em uma usina de armazenamento, a bacia de armazenamento superior requer inevitavelmente um influxo. No caso de usinas de armazenamento bombeado, é feita uma distinção entre aquelas com uma entrada na bacia de armazenamento superior e aquelas sem uma entrada.

Além desse design clássico, as usinas de turbina bomba também são construídas para produções menores, que são equipadas com as chamadas turbinas bomba em vez da turbina e da bomba . A turbina bomba é uma máquina de fluxo de fluido que pode fluir em ambas as direções e funciona como uma bomba ou turbina, dependendo do sentido de rotação.

A quantidade de energia, normalmente expressa em megawatts-hora neste contexto , depende da quantidade de água que pode ser armazenada e da diferença de altura utilizável entre a bacia superior e a turbina. Em usinas de armazenamento puramente bombeadas, a capacidade de armazenamento é geralmente projetada de forma que os geradores possam produzir energia elétrica em plena carga por pelo menos 4 a 8 horas .

Em algumas usinas de armazenamento de energia, as bacias de armazenamento são ampliadas por um lago natural usando uma barragem ou represa , por exemplo, em Schluchsee . Algumas bacias de armazenamento são lagos naturais sem tais alargamentos, algumas bacias de armazenamento foram criadas exclusivamente artificialmente, por exemplo , a bacia de Hornberg , a bacia de Eggberg e na usina hidrelétrica reversível Geesthacht .

Eficiência

Caverna da usina com turbina (em azul, traseira) e bomba (em azul, frente direita) e máquina elétrica pintada em amarelo

Em princípio, mais eletricidade é necessária para bombear em cada usina de armazenamento bombeado do que pode ser recuperada quando flui para baixo. As perdas ocorrem durante o processo de carga e descarga devido às perdas por atrito da água que flui (os líquidos têm uma resistência ao fluxo ; a água também é conhecida como resistência à água e perdas hidráulicas), através da eficiência da bomba (processo de carga) ou turbina ( de descarga), pela eficiência do motor ou do gerador, bem como pelas perdas do transformador e, em menor escala, também devido às próprias necessidades da usina reversível. A eficiência geral de uma usina de armazenamento bombeado é de 75 a 80%, em casos excepcionais um pouco mais alta. A eficiência geral é menor do que com usinas de armazenamento, uma vez que em uma usina de armazenamento bombeado a eficiência das bombas é adicionada.

Além disso, há mais perdas de transmissão para o transporte de energia elétrica de ida e volta. Estes dependem da distância geográfica entre o produtor de energia, armazenamento bombeado e consumidor de energia.

Densidade de energia

A densidade de energia potencial relacionada ao volume de uma usina de armazenamento bombeado é calculada pela seguinte equação.

${\ displaystyle W = \ rho _ {w} \ cdot g \ cdot h}$

Com a densidade da água , a aceleração da gravidade e a diferença de altitude . ${\ displaystyle \ rho _ {w}}$${\ displaystyle g}$${\ displaystyle h}$

Isso resulta em uma densidade de energia normalizada de ${\ displaystyle 100 \, \ mathrm {m}}$

${\ displaystyle W = 272 \, {\ frac {\ mathrm {Wh}} {\ mathrm {m ^ {3} 100 \, m}}}}$.

Importância no setor de energia

Ciclo diário de uma usina de armazenamento bombeado. Verde significa consumo de energia da rede pelas bombas, vermelho significa saída de energia para a rede pela turbina.

A capacidade das usinas de armazenamento bombeado para absorver e fornecer energia é usada da melhor maneira possível no contexto da otimização do uso das usinas de armazenamento. A alta flexibilidade de seu uso os torna particularmente adequados para fornecer potência de controle . A energia gerada está disponível como usinas hidrelétricas de armazenamento conforme necessário em minutos e pode ser controlada de forma flexível em uma ampla gama. A operação de bombeamento também pode ser adaptada de forma flexível a diferentes excedentes de energia na rede se houver dois riser e downpipes separados ( Schluchseewerk ), o princípio de curto-circuito hidráulico é aplicado ( Kopswerk II ) ou máquinas assíncronas acionam as bombas ( PSW Goldisthal ) .

Graças à sua chamada capacidade de black start , as usinas de armazenamento reversível podem ser usadas para iniciar outras usinas de energia não black start, como usinas movidas a carvão no caso de falhas de energia em grande escala .

Em seu relatório especial "Fornecimento de energia 100% renovável até 2050: favorável ao clima, seguro, acessível" de maio de 2010, o Conselho Consultivo do Governo Federal Alemão para Questões Ambientais assume que as capacidades das usinas de armazenamento de energia, especialmente na Noruega (quase 85  A capacidade da bacia hidrográfica das instalações de armazenamento bombeado (usinas hidrelétricas de armazenamento expansíveis) e a Suécia são de longe suficientes para compensar as flutuações nas energias renováveis ​​que serão alimentadas no futuro. No entanto, isso requer uma expansão considerável da conexão de rede norte-sul. As capacidades atuais na Alemanha (as estimativas mais recentes em conexão com o gás eólico e solar falam de aproximadamente 0,6 TWh) são muito baixas para isso. Os contratos para a construção da primeira ligação direta HVDC de 560 quilômetros entre a Alemanha e a Noruega ( NordLink ) foram adjudicados no início de 2015, e a utilização começou no final de 2020.

As usinas hidrelétricas reversíveis na Áustria desempenham um papel importante no equilíbrio das flutuações na Alemanha. Em 2014, a exportação de eletricidade da Alemanha para a Áustria foi de 39,2 TWh, a importação da Áustria para a Alemanha 17,0 TWh. A capacidade máxima de armazenamento de todas as usinas de energia austríacas (bomba) é atualmente de aproximadamente 3 TWh; Não há dados disponíveis apenas para usinas hidrelétricas reversíveis. Em um estudo realizado pelo Grupo de Economia da Energia da Universidade de Tecnologia de Viena , presume-se que a maioria das instalações da usina de armazenamento nova bomba são apenas extensões / upgrades de sistemas existentes e que nenhum ou apenas um aumento insignificante na capacidade de armazenamento é ser esperado no futuro.

Disponibilidade e lucratividade (Alemanha)

Uso de armazenamento bombeado (azul positivo | azul-transparente negativo) + alimentação solar em comparação com a carga, Alemanha e Luxemburgo, janeiro de 2020

O armazenamento da bomba está disponível apenas de forma limitada na Alemanha. A capacidade instalada é de 9,4 GW (em 2021). O potencial de expansão também é limitado.

Os custos totais de armazenamento de energia elétrica em uma usina hidrelétrica bombeada por um dia são de 3 a 5 centavos / kWh. A duração do armazenamento influencia os custos: quanto mais longo for o armazenamento, maiores serão os custos, quanto mais curto for o armazenamento, menores serão os custos.

Uma vez que o consumo de eletricidade do armazenamento bombeado é avaliado como consumo final no contexto das funções do mercado de energia , as usinas de armazenamento bombeado são atualmente (em agosto de 2014) quase antieconômicas, de acordo com os operadores da usina. No entanto, os sistemas recém-construídos e os sistemas que foram expandidos desde 2011 estão isentos da taxa de uso da rede pelos primeiros 10 anos. Ao mesmo tempo, a receita está caindo, pois a diferença nos preços da eletricidade ao longo do dia é menor do que costumava ser. Por um lado, isso se deve ao desligamento das usinas nucleares, principal causa do excesso de oferta noturna de energia elétrica, e, por outro lado, ao aumento da disponibilidade de energia solar durante o dia.

Veredicto sobre tarifas de rede

Em 2009, o Tribunal de Justiça Federal decidiu : O operador de uma usina hidrelétrica reversível, que retira eletricidade da rede para sua operação, é o consumidor final i. S. do § 3 No. 25 EnWG e, ​​portanto, usuários de rede tributáveis ​​de acordo com o § 14 parágrafo 1 frase 1 StromNEV.

No caso da compra, uma empresa fornecedora de energia havia apresentado uma reclamação. Antes de 2009, as taxas de uso da rede eram devidas apenas para a eletricidade fornecida, não para a energia que era transportada para instalações de armazenamento ao longo da cadeia de produção. Depois que a Federal Network Agency se desviou dessa prática, o caso foi para o BGH; lá, as usinas de armazenamento reversível foram negadas seu status de usinas de energia no nível mais alto.

Isso reduziu drasticamente a relação custo-benefício dos sistemas de armazenamento de eletricidade, que são necessários no decorrer da transição energética para cobrir a carga básica de fontes de energia renováveis.

Desenhos

Usinas de armazenamento bombeado acima do solo

Existem usinas hidrelétricas reversíveis em todo o mundo com uma capacidade instalada de aproximadamente 130 GW. A usina hidrelétrica bombeada mais poderosa do mundo é a Estação de armazenamento bombeado de Bath County, com uma capacidade de 3.003 MW.

Alemanha

As condutas com o Wendefurth bombeado usina armazenamento na barragem Wendefurth nas montanhas Harz

Na Alemanha , uma potência de armazenamento bombeado de cerca de 7 GW (gigawatts) está instalada (consulte as usinas de armazenamento bombeado na Lista da Alemanha ). As usinas são projetadas para fornecer eletricidade de 4 a 8 horas por dia. Isso resulta em uma capacidade total de armazenamento de cerca de 40 GWh (em 2010). Em 2006, as usinas hidrelétricas bombeadas alemãs geraram 4.042 GWh de energia elétrica; isso é uma participação de cerca de 0,65% da geração de eletricidade. Isso contrastou com um trabalho de bombeamento de 5.829 GWh, de forma que a eficiência média ficou em torno de 70%.

Áustria

Uma capacidade de armazenamento de cerca de 7,2 GW (gigawatts) está instalada na Áustria; 3,4 GW deste está disponível na forma de usinas de armazenamento bombeado. (ver lista de usinas austríacas , especialmente usinas de armazenamento bombeado).

Suíça

Na Suíça, o Escritório Federal de Energia distingue entre usinas de armazenamento bombeado e usinas de circulação pura . As usinas de armazenamento bombeado são usinas de energia de armazenamento cujo reservatório pode ser enriquecido com água bombeada adicionalmente. No caso das unidades circulantes puras, há apenas água na bacia superior que foi bombeada da bacia inferior. As maiores usinas de circulação na Suíça são os Limmern sede da usina Linth-Limmern , que entrou em operação em 2016 e tem uma potência de 1 GW, e a usina Veytaux , que armazena a água do Lago de Genebra no Lac de l 'Hongrin . Em 2019, deverá entrar em operação a usina de circulação de Nant de Drance , com potência de 900 MW.

A maioria das usinas de energia que podem bombear são consideradas circuladoras. As únicas duas grandes usinas hidrelétricas bombeadas são a sede Grimsel 2 da KWO e a Tierfehd da usina hidrelétrica Linth-Limmern. Além disso, existe a usina de armazenamento reversível Engeweiher em Schaffhausen , a usina mais antiga da Suíça desde 1909, que foi revisada em 1993 e agora pode fornecer 5 MW.

De acordo com as estatísticas oficiais, das 121 centrais de armazenamento com uma potência superior a 300 kW, apenas as 3 centrais acima mencionadas são consideradas centrais de acumulação reversível e outras 18 centrais de circulação. A capacidade total da bomba instalada é de 3,6 GW.

Projeto especial: armazenamento de bomba de bola sob a água

Artigo principal: Armazenamento de bomba de esfera

A fim de permitir que a energia seja armazenada nas proximidades de parques eólicos offshore no futuro, o Instituto Fraunhofer de Energia Eólica e Tecnologia de Sistema de Energia Kassel está desenvolvendo um sistema de armazenamento de esfera oca de concreto como parte do StEnSEA (Armazenamento de Energia no Mar) projeto. Testes promissores aconteceram no Lago de Constança em 2016.

O princípio é semelhante ao das usinas de armazenamento bombeado convencionais, apenas a diferença de altura entre dois tanques de armazenamento não é usada aqui, mas a diferença entre a pressão da água fora do sistema de armazenamento esférico e o interior vazio da esfera: O fluxo de água impulsiona uma turbina, cujo gerador acoplado gera eletricidade. Se houver excesso de energia elétrica, a água é bombeada para fora da bola novamente. Tanto a potência quanto a quantidade de energia que pode ser armazenada dependem do volume e da profundidade de imersão da esfera oca.

Armazenamento de energia em usinas hidrelétricas bombeadas na Europa

Usina hidrelétrica reversível Coo-Trois-Ponts na Bélgica (2013)

A bacia superior da usina hidrelétrica reversível de Wehr, a bacia de Hornberg no sul da Floresta Negra, vazia, maio de 2008

crítica

Usina de armazenamento bombeado dos EUA Taum Sauk Dammbruch 2005

A construção de centrais hidrelétricas reversíveis significa uma intervenção considerável na ecologia e na paisagem. Os oponentes das usinas de armazenamento bombeado consideram a invasão da natureza e da paisagem injustificável. Uma vez que as bacias de armazenamento têm que suportar o estresse regular e a erosão causados ​​pela mudança dos níveis de água, elas são parcialmente concretadas ou asfaltadas, o que significa que nenhuma vegetação natural pode se formar. As frequentes trocas de água com mistura completa também evitam a formação de uma limnologia natural no corpo d'água. Se as bacias forem represadas por barragens, há pouco risco de rompimento da barragem, como foi o caso da usina hidrelétrica reversível Taum Sauk nos EUA em 2005 . Devido ao grande diâmetro do tubo, uma ruptura do tubo também pode causar danos consideráveis ​​e inundações.

literatura

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• Tópico principal: usinas de armazenamento bombeado. In: Bild der Wissenschaft , fevereiro de 2018; com vários posts

Links da web

• Eletricidade online - usina de armazenamento bombeado
• Plataforma de informações para empresas do setor de energia em usinas hidrelétricas
• Uso de armazenamento bombeado no sudoeste da Vestfália (artigo)
• Usinas de armazenamento bombeado - bloco de construção da transição de energia (PDF)
• Estudo trilateral de usinas de armazenamento bombeado (na Suíça, Áustria e Alemanha), 2014
  • relatório de resumo (PDF; 25 páginas)

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