Czym są i jak działają elektrownie szczytowo-pompowe?

Elektrownie szczytowo-pompowe (ESP) pozwalają magazynować czystą energię, która jest wytwarzana z odnawialnych źródeł energii (OZE), Zatem jest to idealne rozwiązanie dla sieci elektroenergetycznych zależnych od energii wytwarzanej na farmach fotowoltaicznych i wiatrowych. Technologia ta magazynuje nadmiar energii w okresach niskiego zapotrzebowania i uwalnia ją, gdy zapotrzebowanie jest wysokie.

Jak działają elektrownie szczytowo-pompowe

Magazynowanie elektrowni szczytowo-pompowych polega na wykorzystaniu siły grawitacji do wytwarzania energii elektrycznej przy użyciu wody, która została wcześniej przepompowana z dolnego źródła do górnego zbiornika. Czyli woda jest pompowana do wyższego źródła w okresach wysokiej produkcji energii z OZE i mniejszego zapotrzebowania, kiedy to ceny energii elektrycznej są niskie. Natomiast w okresach dużego zapotrzebowania – wyższych cen prądu – woda jest uwalniana z wyższego zbiornika, napędza turbinę generatora w elektrowni i dostarczania zieloną energię elektryczną do sieci.

Elektrownie szczytowo-pompowe można nazwać bateriami wodnymi do magazynowania energii słonecznej i wiatrowej. Zdolność magazynowania energii w tego typu systemach zależy od wielkości jej dwóch zbiorników (górnego i dolnego), a ilość wytwarzanej energii jest bezpośrednio związana z wielkością turbiny. Dla przykładu obiekt z dwoma zbiornikami o wielkości mniej więcej dwóch basenów olimpijskich i różnicą wysokości 500 metrów między ich poziomami mógłby zapewnić pojemność 3 megawatów (MW) i przechowywać do 3,5 megawatogodzin (MWh) energii elektrycznej.

Rodzaje ESP

Należy zauważyć, że istnieją dwa główne rodzaje elektrowni szczytowo-pompowych. Dzieli się je ze względu na rodzaj obiegu i z tego powodu wyróżniane są:

• Elektrownie z pętlą otwartą, czyli z górnym lub dolnym zbiornikiem, który jest stale połączony z naturalnie płynącym źródłem wody, takim jak rzeka.
• Elektrownie z obiegiem zamkniętym, który występuje „poza rzeką” i wytwarza energię z wody pompowanej do górnego zbiornika bez naturalnego dopływu.

Zalety i wady elektrowni szczytowo-pompowych

Istnieje wiele zalet związanych z wykorzystaniem elektrowni szczytowo-pompowych w porównaniu do zastosowania konwencjonalnych, opierających się na paliwach kopalnych źródłach energii. Warto wśród nich wyróżnić:

1. Niskie koszty eksploatacji i długa żywotność. Po zbudowaniu elektrownie szczytowo-pompowe charakteryzują się długą żywotnością i minimalnymi wymaganiami związanymi z ich utrzymaniem. Zakłada się, że mogą one pracować nawet od 80 do 100 lat, przy minimalnych pracach serwisowych.
   
2. Odnawialne i zrównoważone dla środowiska. Magazyny szczytowo-pompowe można określić jako „zielone baterie”. Są one jedynym realnym sposobem magazynowania energii na tak dużą skalę przy tak niewielkim wpływie na środowisko. Wynika to z faktu, że pracują one dzięki obiegowi wody, który jest napędzany z odnawialnych źródeł energii. Jest to zatem całkowicie odnawialne źródło wytwarzania energii.
   
3. Minimalny wpływ na środowisko. Energia wodna jest czystym źródłem energii. Po zakończeniu budowy nie ma dodatkowych, bezpośrednich produktów odpadowych elektrowni szczytowo-pompowej. Natomiast emisja gazów cieplarnianych w tego typu obiektach jest znikoma w porównaniu z elektrowniami węglowymi i gazowymi, które mają negatywne oddziaływanie na atmosferę.
   
4. Możliwość planowania produkcji energii elektrycznej. W ESP można kontrolować przepływ i wytwarzanie energii elektrycznej. Turbiny można zaprogramować tak, aby pompowały wodę do górnego zbiornika – zużywając nadmiar taniej energii, a potem kiedy jest to potrzebne wytwarzać energię elektryczną, tracąc energię potencjalną wody. Umożliwia to produkcję energii elektrycznej na krótkoterminowe zapotrzebowanie, kiedy ta jest droga.
   
5. Dodatkowe wykorzystanie dużych zbiorników wodnych. Większość instalacji hydroenergetycznych posiada duże górne zbiorniki wodne. Oznacza to możliwość wykorzystania ich dla np. celów rekreacyjnych i turystycznych. Pozwala to efektywnie korzystać z posiadanych przez państwo terenów, zwiększając rozwój gospodarczy sąsiadujących z elektrowniami szczytowo-pompowymi obszarami.
   
6. Zaopatrzenie w wodę i ochrona przeciwpowodziowa. Zbiorniki z zaporami umożliwiają regulację transferu wody. Z jednej strony mogą one stanowić rezerwę wody na wypadek suszy, a z drugiej strony kontrolować jej przepływ w przypadku zagrożenia powodziowego.

Niemniej jednak, istotną kwestią związaną z elektrowniami szczytowo-pompowymi jest brak odpowiednich terenów pod budowę dwóch zbiorników i przepompowni przy znacznej różnicy wysokości. Ten aspekt przede wszystkim generuje szereg problemów przedstawionych poniżej:

1. Wysoki koszt w stosunku do innych technologii. Największym problemem związanym z elektrowniami szczytowo-pompowymi są niezwykle wysokie początkowe koszty związane z ich uruchomieniem.
   
2. Straty energii. Główną wadą dla ogólnej wydajności ESP jest fakt, że w cyklu jej pracy woda musi być przepompowana ze zbiornika dolnego do górnego. W tym celu sama elektrownia zużywa energię elektryczną.
   
3. Wpływ na życie wodne. Na przykład populacja ryb może być zagrożona z powodu przeszkód w ich migracji. Dodatkowo, łączenie wcześniej oddzielnych zbiorników może wprowadzić nowe zwierzęta do przedtem niedostępnych dla nich siedlisk, co zagraża endemicznym gatunkom.
   
4. Wpływ na jakość wód. Zbiorniki hydroenergetyczne i tamy czy podziemne zbiorniki wodne mogą pogarszać jakość i przepływ wody. Obie te kwestie z kolei stają się głównymi przyczynami odtleniania zbiorników wodnych występujących poniżej elektrowni szczytowo-pompowej.
   
5. Zależność od klimatu. Z pewnością elektrownie szczytowo-pompowe są zrównoważonymi źródłami energii, jednakże są one zależne od klimatu np. występowania susz. Oprócz tego, zdolność produkcyjna elektrowni szczytowo-pompowej może spaść ze względu na parowanie i wycieki wody w przypadku gorącego i suchego klimatu.

Elektrownie szczytowo-pompowe w Polsce

Należy zauważyć, że w Polsce od lat działają elektrownie szczytowo-pompowe. Mają one aktualnie 1,9 GW mocy. Należy wśród nich wyróżnić instalacje:

1. Żarnowiec – mająca moc 780 MW i zapewniająca 380 MWh energii. Ukończona w 1983 roku.
   
2. Porąbka-Żar – o 552 MW mocy, zapewniająca 2015 MWh energii. Oddana do użytku w 1979 roku.
   
3. Niedzica – mająca 92 MW mocy i mogąca zapewnić 12 500 MWh energii. Uruchomiona w 1997 roku.
   
4. Żydowo – gdzie zainstalowana moc wynosi 165 MW i może produkować 687 MWh energii. Ukończona w 1971 roku.
   
5. Dychów – o 90 MW mocy, zapewniająca 224 MWh energii. Oddana do użytku w 1936 roku.

Warto tutaj wspomnieć także o siłowni zbiornikowej z pompowaniem w Solinie o mocy 198 MW i możliwości wytwarzania 39 744 MWh. Nie jest to klasyczna elektrownia szczytowo-pompowa, jednakże istnieją założenia jej przebudowy i zwiększenia jej mocy do 520 MW.

Rozbudowa sieci elektrowni szczytowo-pompowych w Polsce

OZE niejako wymusza potrzebę magazynowania energii. Z tego też powodu w Polsce planowane są inwestycje związane z budową nowych ESP o łącznej mocy 2,5 GW. Należałoby w tym miejscu wyróżnić takie projekty jak:

1. Elektrownia Tolkmicko, której moc ma wynieść 1040 MW. Jest to inwestycja PKN Orlen i ma zostać uruchomiona w 2029 roku.
   
2. Elektrownia Młoty. Ma to być druga, ze względu na zainstalowaną moc, po elektrowni Tolkmicko nowa inwestycja w naszym kraju. Elektrownia Młoty to projekt Polskiej Grupy Energetycznej (PGE) o mocy 750 MW, który ma zostać ukończony w 2030 roku.
   
3. Elektrownia Rożnów II to trzecia pod względem mocy po elektrowni Młoty nowa inwestycja, prowadzona przez Tauron, której uruchomienie planowane jest w 2030 roku. Elektrownia Rożnów II będzie miała moc 700 MW.

Jak widać, są to duże projekty o wysokich mocach, które mogą stanowić bezpieczne magazyny energii do szybko rozwijającego się w naszym kraju rynku energii z OZE.

Czy warto inwestować w elektrownie szczytowo-pompowe?

Podsumowując, wskazane jest zastanowić się, czy zasadne jest budowanie nowych ESP. Oczywiście mają one swoje zalety i wady, o których szerzej wspomniano powyżej, czyli będą one miały także swoich zagorzałych zwolenników, jak i prawdopodobnie ze względów na wysokie koszty budowy i aspekty ekologiczne, znajdą się i przeciwnicy tego typu elektrowni. Niemniej jednak energia wodna, szczytowo-pompowa jest najbezpieczniejszym na świecie sposobem magazynowania energii. Stanowi ona ponad 94% zainstalowanej globalnej pojemności magazynowania energii, znacznie wyprzedzając wszystkie magazyny akumulatorowe. Zatem nie mając innych alternatyw, warto korzystać z tej technologii.