Czy istnieją elektrownie, które zużywają więcej energii niż jej produkują? - Artykuły naukowe

Czy elektrownia musi produkować „prąd” (energię elektryczną)? Odpowiedź na tak postawione pytanie wydaje się oczywista – po to się przecież buduje elektrownie, aby ten „prąd” produkowały.

Jeśli zadamy pytanie tak, jak w tytule, a odpowiedź brzmi – tak, to – czy w takim razie są potrzebne takie elektrownie?

Odpowiedź brzmi – tak, ale wymaga wyjaśnień. Otóż wszyscy producenci energii elektrycznej (elektrownie) i jej użytkownicy (miasta, zakłady przemysłowe, wsie, gdzieś na końcu tej listy znajdują się nasze urządzenia w domach...) są połączone siecią linii przesyłowych, które cały czas znajdują się pod napięciem i ze względów bezpieczeństwa oraz oszczędności energii powinny być w miarę jednakowo obciążone. Jak łatwo sobie wyobrazić, to obciążenie linii przez użytkowników jest bardzo zmienne – wieczorem większe (ze względu na oświetlenie), w nocy i w ciągu dnia mniejsze, w czasie, kiedy pracuje większość fabryk większe, w dni wolne od pracy – mniejsze, w czasie popularnych programów telewizyjnych lub meczów gwałtownie rośnie itd. Producenci powinni więc nadążać za tymi zmianami, zwiększając produkcję w godzinach szczytu i zmniejszając ją, lub magazynując nadmiar energii, w czasie mniejszego zapotrzebowania. I tu właśnie pojawiają się problemy.

Wielkie elektrownie cieplne, które stanowią podstawę systemu energetycznego Polski, są bardzo mało ruchliwe – tzn. uruchamianie i zatrzymywanie bloków energetycznych trwa dni, a nawet tygodnie, a zmiany obciążenia linii zachodzą bardzo szybko – liczone są nawet w minutach. Z drugiej strony nie ma technicznych możliwości magazynowania dużej ilości energii elektrycznej w jej właściwej postaci. Akumulatory zamieniają bowiem energię elektryczną na chemiczną, można w ten sposób „gromadzić” prąd stały (czyli nieodpowiedni do użytku zarówno w instalacjach domowych, jak i wielkich zakładach przemysłowych, gdzie wykorzystywany jest prąd zmienny (przemienny)), ale i tak, jak na warunki przemysłowe – w mikroskopijnie małych ilościach.

I tu pojawia się ratunek w postaci elektrowni szczytowo-pompowych. Są to elektrownie wodne, a więc w założeniu wykorzystujące odnawialne źródło energii – energię kinetyczną wody – jeśli wykorzystują ruch wody w poziomie lub energię potencjalną – (zamienianą na kinetyczną) pochodzącą z różnicy poziomów wody w zbiornikach. Przykładem są elektrownie pracujące przy zbiornikach zaporowych (w Polsce największą taką elektrownią jest Elektrownia Wodna Solina). Zdolność produkcyjna takiej elektrowni zależy od ilości wody zgromadzonej na poziomie wyższym, niż położenie generatorów poruszanych turbinami wodnymi. W tym miejscu kryją się możliwości rozwiązania problemów sygnalizowanych na początku naszej historii – dodatkowego obciążenia linii przesyłowych w czasie obniżonego zapotrzebowania na energię oraz zgromadzenie dodatkowej ilości energii, która będzie mogła być wykorzystana w kolejnym szczycie zapotrzebowania. Schemat takiej elektrowni przedstawia rys. 1.

Rys. 1. Schemat elektrowni szczytowo-pompowej

System elektrowni składa się ze zbiornika dolnego (jezioro naturalne – np. jezioro Kwiecko w elektrowni Żydowo, Jezioro Miedzybrodzkie w elektrowni Żar–Porąbka i zbiornika górnego (jezioro Kamienno w Żydowie i sztuczny zbiornik w elektrowni Żar. Zbiorniki te są połączone potężnymi rurociągami, przez które może przepływać nawet kilkaset m³ wody na sekundę. Kiedy górne zbiorniki są napełnione, wystarczy kilka minut, by otworzyć zawory rurociągów, uruchomić generatory i dostarczyć potrzebną ilość prądu. Kiedy zaś zapotrzebowanie odbiorców maleje, nadmiar prądu, wytwarzany przez wielkie elektrownie cieplne zużywa się na przepompowanie z powrotem wody z dolnego zbiornika do górnego, odbudowując w ten sposób zapas energii (potencjalnej energii zgromadzonej wody) i zachowując ją do czasu wzrostu zapotrzebowania. Ponieważ jednak sprawność turbin pracujących jako pompy jest niższa niż sprawność turbin produkujących energię, więc wpompowanie określonej ilości wody do górnego zbiornika pochłania więcej energii, niż będzie można uzyskać w czasie jej przepływu do dolnego zbiornika.

I tu mamy odpowiedź na nasze pytanie – elektrownia szczytowo-pompowa zużywa więcej energii, niż jej produkuje, ale uzasadnieniem tej „rozrzutności” jest możliwość wykorzystania nadmiaru energii w sieci (tym samym uniknięcie niekorzystnego przeciążenia sieci) i jej zgromadzenie (w postaci energii potencjalnej wody) na czas, kiedy będzie gwałtownie potrzebna. Może ona reagować szybko na zmiany obciążenia w systemie energetycznym i utrzymuje poziom napięcia w sieci na właściwym poziomie.

Tekst: dr Jerzy Giżejewski