Сверхмощные гидроаккумулирующие станции с плавающей фотоэлектрической системой

Аккумулятор Challenger A12-40

Ученые смоделировали установку плавучих солнечных панелей на швейцарской гидроэлектростанции открытого типа с напорным водохранилищем Etzelwerk. Используя 10% площади верхнего водохранилища для размещения солнечных панелей, исследовательская группа смогла увеличить выработку энергии примерно на 20%.

Исследовательская группа из Болонского университета в Италии смоделировала добавление плавучей фотоэлектрической (FPV) установки к существующей гидроаккумулирующей электростанции (HP) в швейцарском предгорном регионе. Эцельверк — это гидроаккумулирующая электростанция с разомкнутым контуром, которая использует перепад высот около 480 м между озером Зиль и озером Цюрих для выработки электроэнергии для Швейцарских федеральных железных дорог (SBB).

«Мы проанализировали влияние гибридной солнечно-гидроэнергетической системы с точки зрения различных дисциплин, уделяя особое внимание последствиям для управления водными ресурсами, — рассказал журналу «pv» автор исследования Доменико Микокки. — Более того, исследование проводилось в течение 38 лет. Это позволило лучше охарактеризовать гидроклиматические условия, влияющие на доступность воды и производство фотоэлектрических систем».

По словам исследователей, в настоящее время электростанция Etzelwerk состоит из семи турбин Пелтона, которые могут перерабатывать до 34 м3/с, обеспечивая установленную мощность 120 МВт. Кроме того, три 5-ступенчатых насоса общей мощностью 54 МВт способны перекачивать воду из Цюрихского озера в озеро Зиль.

В ходе моделирования команда предположила, что установка FPV будет занимать 10% площади озера Зиль. При условии, что монокристаллическая панель с пиковой мощностью 375 МВт и КПД 20,4% будет установлена на площади 0,315 км2, номинальная мощность установки FPV составит 64,12 МВт. Гидрологическая модель была основана на метеорологических данных за период с 1981 по 2018 год, а уровни спроса были предоставлены исследователям Швейцарской федеральной железной дорогой.

«Мы смоделировали работу гибридной установки HP-FPV по трём различным сценариям, — объяснили учёные. — Базовый сценарий — NoPV, без использования PV для поддержки HP. В сценарии PV1 используется установка FPV, и солнечная энергия, когда она доступна, способствует удовлетворению спроса и/или используется для перекачки воды из озера Цюрих в озеро Зиль и/или продаётся в случае избытка. Сценарий PV2 аналогичен сценарию PV1, но предполагает, что 50% воды, сэкономленной благодаря фотоэлектрической генерации, может быть выпущена из водохранилища для поддержания условий ниже по течению в периоды низкого стока.

Результаты моделирования показали, что добавление FPV к установке увеличило общее производство энергии примерно на 20%. В случае отсутствия FPV гидроэлектростанция вырабатывала в среднем 256,6 ГВт·ч в год, PV1 — в общей сложности 319,1 ГВт·ч, а PV2 — 315,2 ГВт·ч. В PV1 мощность ГЭС составила 257,7 ГВт·ч, а мощность фотоэлектрических систем — 61,4 ГВт·ч; в сценарии PV2 эти показатели составили 254,1 ГВт·ч и 61,1 ГВт·ч соответственно.

«Благодаря гибридизации завод не справляется с удовлетворением спроса в гораздо меньшей степени, чем обычный завод HP, — добавила команда. — Индекс дефицита, который связан с надёжностью системы, снижается с 11,28% (сценарий NoPV) до 3,24% (сценарий PV1) и 3,53% (сценарий PV2). Сценарии PV1 и PV2 существенно не отличаются: таким образом, дополнительные мощности, по-видимому, не сильно влияют на надёжность системы».

Анализ также показал, что дополнительный сброс воды в сценарии PV2 увеличивает среднемесячный расход воды ниже по течению с 14% в мае до примерно 50% в период с июня по август. «Наше моделирование показывает, что, по-видимому, существует потенциал для дополнительного сброса воды в нижнем течении реки без существенного ущерба для других преимуществ, уже отмеченных в предыдущих исследованиях, таких как увеличение выработки электроэнергии и повышение надёжности энергоснабжения», — заключил Микокки.

Результаты исследования были представлены в статье «Гибридная гидроэлектростанция с напорным водохранилищем в Альпах и плавучими солнечными фотоэлектрическими батареями: исследование с точки зрения водных ресурсов», опубликованной в журнале «Возобновляемые источники энергии». В исследовании приняли участие учёные из Болонского университета в Италии и Швейцарского федерального института исследований в области леса, снега и ландшафта.