Co to jest elektrownia szczytowo pompowa i jak działa?

Elektrownia szczytowo-pompowa jest najważniejszym i najpowszechniej stosowanym magazynem energii w krajowych systemach elektroenergetycznych. Umożliwia przechowywanie ogromnych ilości energii elektrycznej poprzez gromadzenie jej w formie energii potencjalnej wody. Jej działanie opiera się na różnicy wysokości między dwoma zbiornikami wodnymi, co gwarantuje stabilizację dostaw prądu, szczególnie w przypadku niestabilnych źródeł odnawialnych[1][2][4].

Co to jest elektrownia szczytowo-pompowa?

Elektrownia szczytowo-pompowa (ESP) to wyspecjalizowany rodzaj elektrowni wodnej, która pełni rolę magazynu energii dla sieci elektroenergetycznej. Główną zasadą jej działania jest magazynowanie energii poprzez wykorzystanie różnicy poziomów wody w dwóch zbiornikach (górnym oraz dolnym)[1][2][4]. ESP nie wytwarza netto nowej energii, lecz pozwala na bilansowanie pracy sieci, odciążając ją w godzinach szczytowego zapotrzebowania i wykorzystując nadmiary energii przy niskim popycie[2][5]. Rozwiązanie to jest szczególnie istotne w kontekście integracji z odnawialnymi źródłami energii, których produkcja jest zmienna i trudna do przewidzenia[1][3][4].

Jak działa elektrownia szczytowo-pompowa? Zasada funkcjonowania

Podstawowym mechanizmem ESP jest cykliczne przemieszczanie wody pomiędzy dwoma zbiornikami na różnych wysokościach. W fazie ładowania, gdy w sieci energetycznej występuje nadwyżka energii (np. w nocy lub podczas dużej produkcji z OZE), energia elektryczna napędza pompy przenoszące wodę z dolnego do górnego zbiornika. W ten sposób energia elektryczna przekształcana jest w energię potencjalną grawitacji wody[1][2][3][5].

Podczas fazy rozładowywania, woda ze zbiornika górnego jest spuszczana do dolnego, przepływając przez turbiny. Napędzane tym ruchem turbiny generują energię elektryczną, przekazywaną do sieci w godzinach największego zapotrzebowania[1][2][3][5][9]. Sprawność energetyczna tego procesu mieści się w zakresie od 65% do 85%[2][5]. Współczesne ESP są w stanie osiągnąć pełną moc w ciągu kilku minut, najczęściej w mniej niż 5 minut (np. 180 sekund)[2][6].

Najważniejsze elementy konstrukcyjne i techniczne ESP

Kluczowymi elementami każdej elektrowni szczytowo-pompowej są zbiorniki wodne rozmieszczone na różnych poziomach – z reguły górny jest sztucznie wybudowany na wzniesieniu, dolny może być sztuczny lub naturalny[1][4][5][6]. Połączone są one systemem rurociągów ciśnieniowych, przez które przepływa woda podczas obu faz cyklu pracy. Sercem systemu są rewersyjne pompo-turbiny (często typu Francisa), które mogą działać zarówno jako turbina-generator w trybie produkcji prądu, jak i pompa-silnik w fazie ładowania energii[1][5][6].

Ponadto niezbędne są generatory przetwarzające energię mechaniczną w elektryczną oraz złożony układ automatyki, który zarządza przełączaniem trybów pracy i monitoruje stabilności parametrów sieci. Cały układ umożliwia szybkie uruchomienie (black start) po awarii oraz bardzo dynamiczne podnoszenie mocy (rezerwa wirująca), co znacząco poprawia bezpieczeństwo energetyczne sieci[2][6].

Znaczenie ESP dla sieci elektroenergetycznej i nowoczesnych systemów energetyki

ESP odgrywa kluczową rolę w stabilizacji sieci elektroenergetycznej, umożliwiając szybkie bilansowanie podaży i popytu na energię elektryczną. To pozwala lepiej zarządzać zmiennością produkcji z odnawialnych źródeł energii (OZE) takich jak fotowoltaika czy farmy wiatrowe, które generują prąd nierównomiernie w zależności od warunków pogodowych[1][3][4][6]. ESP zapewnia rezerwę mocy, stabilizuje częstotliwość i napięcie w sieci oraz umożliwia arbitraż cenowy (ładowanie energii podczas niskich cen, oddawanie podczas wysokich)[1][2][3][6].

Charakterystyczną cechą ESP pozostaje jej ogromna pojemność w odniesieniu do innych form magazynowania energii, co pozwala na przechowywanie i oddawanie znacznych ilości energii w krótkim lub dłuższym interwale czasowym[4]. Sprawność kształtuje się typowo na poziomie 70-80%[2][5]. Pełna moc dostępna jest w kilkuminutowym czasie rozruchu, co jest kluczowe w przypadku nagłych potrzeb systemu elektroenergetycznego[2][5][6].

Procesy ładowania i rozładowania – szczegółowa analiza

Podczas fazy ładowania (pompowania) energia elektryczna napędza pompy, które przepompowują wodę do zbiornika górnego. Proces zachodzi w okresach nadwyżki energii i niskich cen rynkowych, pozwalając systemowi wykorzystać energię, która w innych przypadkach zostałaby zmarnowana[1][2][3][5][9]. W fazie turbinowania (rozładowania) woda spływa ruchem grawitacyjnym w dół z górnego do dolnego zbiornika, napędzając turbiny i przekształcając energię potencjalną na elektryczną, która jest dostarczana do sieci podczas największego zapotrzebowania[1][3][5][9].

Sprawność całego procesu zależy od efektywności poszczególnych elementów (turbin, generatorów, pomp, rurociągów) oraz różnicy wysokości zbiorników. Czas pełnego rozruchu ESP wynosi zazwyczaj od 180 sekund do 5 minut, co czyni je jednym z najszybszych magazynów energii pod względem dostępności dużych mocy regulacyjnych[2][5][6].

Podsumowanie kluczowych ról elektrowni szczytowo-pompowej

Elektrownia szczytowo-pompowa nie produkuje sumarycznie energii, lecz umożliwia jej przechowanie i oddawanie w momentach, kiedy jest potrzebna najbardziej. Ułatwia zarządzanie siecią elektryczną, integrację z odnawialnymi źródłami energii oraz zwiększa bezpieczeństwo systemu elektroenergetycznego. Dzięki wysokiej pojemności i szybkiemu czasowi reakcji, ESP są obecnie podstawowym magazynem energii dla nowoczesnych krajowych i regionalnych systemów elektroenergetycznych[1][2][3][4][5][6].

Źródła:

• [1] https://polecosystem.pl/artykul/elektrownia-szczytowo-pompowa-czym-jest-zasady-dzialania/
• [2] https://pl.wikipedia.org/wiki/Elektrownia_szczytowo-pompowa
• [3] https://alterga.com/blog/2023/czym-sa-i-jak-dzialaja-elektrownie-szczytowo-pompowe/
• [4] https://leonardo-energy.pl/artykuly/elektrownie-szczytowo-pompowe-przeglad-technologii/
• [5] https://www.odnawialne-firmy.pl/wiadomosci/pokaz/34,elektrownia-wodna-szczytowo-pompowa-zasada-dzialania
• [6] https://savree.com/pl/encyklopedia/elektrownia-szczytowo-pompowa-turbina-francisa
• [9] https://bibliotekanauki.pl/chapters/2138986.pdf