S rastućim udjelom povremenih obnovljivih izvora energije stabilnost mreže može se održati, a fleksibilnost poboljšati primjenom crpnih hidroelektrana za pohranu energije. ALPHEUS će poboljšati tehnologiju reverzibilne pumpe/turbine (RPT) i susjedne građevinske strukture potrebne kako bi pumpna hidro akumulacija bila ekonomski održiva u plitkim morima i obalnim okruženjima s ravnom topografijom.

Razmotrit će se tri obećavajuće tehnologije:

* Suprotno rotirajući propeler promjenjive brzine pogonjen osovinom RPT – izbjegavanje vodećih lopatica u dvosmjernom uređaju poboljšava ukupnu učinkovitost;
* Suprotno rotirajući propeler promjenjive brzine s obodnim pogonom – konfiguracija s obodnim pogonom izbjegava složenost sklopa osovine, smanjuje buku, vibracije, vrijeme prebacivanja i troškove održavanja;
* RPT s pozitivnim istisninom – jeftina tehnologija pogodna za ribe i otporna na morsku vodu.

ALPHEUS planira postupni razvoj, počevši od potvrđivanja trenutnih pretpostavki u laboratoriju i optimizacije učinkovitosti pomoću numeričkih simulacija. Na temelju rezultata odabrat će se dvije od ovih tehnologija i demonstrirati funkcionalnost za radne modele u realnim okolnostima. Konačno, obrazložena i kvantificirana procjena ove dvije tehnologije bit će dostavljena za daljnji razvoj u prototip punog razmjera. Kombinirajući trenutno stanje tehnike i stručnost partnera, ALPHEUS očekuje postizanje povratne RPT učinkovitosti od 0,7 do 0,8. Obrađivat će se otpornost na zamor strojarskih i civilnih instalacija, koja se javlja pri prebacivanju između načina pumpanja i turbiniranja unutar 90-120 sekundi. ALPHEUS će se pozabaviti ekološkim aspektima, uključujući pogodnost za ribu, krajolik i korištenje zemljišta, uz sposobnost decentraliziranog pumpnog hidro pohranjivanja da stabilizira mrežu u nizu vremenskih razdoblja i stoga omogući veći prodor povremene opskrbe obnovljivom energijom. To će rezultirati metodologijom za procjenu potencijalnih mjesta za skladištenje energije s niskim i ultra niskim padom.

Europski ciljevi
Europski ciljevi za smanjenje emisija stakleničkih plinova zahtijevaju povećanje obnovljivih izvora energije koji se koriste u električnoj mreži. Danas su najrazvijenije tehnologije obnovljivih izvora energije vjetroelektrane, solarne i hidroelektrane. Kapacitet energije vjetra i sunca posljednjih je godina u velikom porastu. Međutim, prirodna nepredvidivost ovih izvora energije zahtijeva dodavanje dodatnih značajki u mrežu.

Zamislite zimski dan bez vjetra: vjetroelektrane i solarne stanice ne mogu proizvoditi energiju. Trenutno, kada se to dogodi, za proizvodnju električne energije koriste se neobnovljivi izvori energije. Kako bi se izbjegla uporaba zagađujućih izvora energije, postoje dvije glavne alternative (trenutačno):

* Povećanje prijenosnog kapaciteta mreže: uzmite u obzir prethodno spomenuti zimski dan bez vjetra. Vjerojatno u nekoj drugoj regiji postoji višak energije sunca ili vjetra koji premašuje potrošnju te regije. U tom slučaju, s povećanjem dalekovoda, električna energija koja nije lokalno potrošena može se transportirati do mjesta gdje je potrebna.
* Pohranjivanje energije: ovo omogućuje lokalno pohranjivanje viška proizvodnje obnovljive energije, na primjer tijekom ljetnog vjetrovitog dana. Kasnije, na primjer zimski dan bez vjetra, ova se energija može pretvoriti u električnu energiju.

Uglavnom, povećanje kapaciteta prijenosa je dugotrajno i skupo u usporedbi sa skladištenjem energije. Skladištenje energije već se provodi u mrežnom mjerilu, uglavnom pomoću crpnih hidroakumulacijskih stanica. Kada se proizvodi višak obnovljive energije, taj se višak koristi za pumpanje vode iz akumulacije u više uzdignutu (oko 300 – 600 m visinske razlike). Kada je potrebna električna energija, voda se odvodi kroz turbinu natrag u donji rezervoar, proizvodeći električnu energiju u procesu. Uz dovoljan skladišni kapacitet, turbine bi osiguravale električnu energiju tijekom zimskih dana bez vjetra iz prethodnog primjera.

Međutim, ova vrsta tehnologije nije izvediva u nizinskim zemljama kao što su Nizozemska, Belgija i sjeverna Njemačka. Moguće rješenje bilo bi istraživanje mogu li se crpne hidrostanice instalirati u Sjevernom moru. Razlika u odnosu na prethodno navedene postaje je u tome što je visinska razlika između akumulacija znatno manja (oko 20 m). Ovaj koncept je vrlo inovativan, nikada nije izgrađen i razvijeno je manje od 10 planova u vezi s ovom tehnologijom. Projekt ALPHEUS razmotrit će izvedivost niskonapornih crpnih hidroakumulacijskih stanica u Sjevernom moru. Važni aspekti istraživanja su novi dizajni pumpe-turbine, nova energetska elektronika, dizajn novih i inovativnih pogona, zakonska razmatranja i, naravno, održivost i privrženost lokalnoj flori i fauni.

Europa želi postati prvi klimatski neutralni kontinent na svijetu do 2050. Već do 2030. Europska unija planira smanjiti emisije stakleničkih plinova za najmanje 55% u usporedbi s razinama iz 1990. godine. Jedan od definiranih ciljeva za postizanje toga je dekarbonizacija energetskog sektora, odnosno uvođenje više obnovljivih izvora energije u europsku mrežu. Tijekom razdoblja 2008. – 2018. tehnologija energije vjetra, solarne energije i krutih biogoriva brzo je rasla, a energija vjetra postala je najvažniji obnovljivi izvor energije u Europi. Trenutačno se obnovljiva energija u europskoj mreži proizvodi pomoću energije vjetra (36%), hidroenergije (33%), solarne energije (12%), krutih biogoriva (9%) i drugih obnovljivih izvora energije (9%).

Međutim zbog prirodne nepredvidivosti obnovljivih izvora energije (npr. vjetar, sunce) nulte emisije stakleničkih plinova ne mogu se postići samo povećanjem količine ovih izvora energije. Uključivanje više stanica za proizvodnju obnovljive energije mora biti popraćeno novim tehnologijama za skladištenje energije i/ili njezinu distribuciju između proizvodnih mjesta i čvorišta potrošnje. Da biste ovo razumjeli, prvo vam ovaj dokument predstavlja sažetak rada energetskog sustava. Zatim ćemo vidjeti izazove koji se javljaju pri povećanju elektrana na obnovljive izvore energije (npr. vjetroelektrane i solarne stanice). Na kraju, fokusiramo se na to kako bi pohranjivanje energije moglo pomoći u rješavanju ovih izazova, posebice tehnologija crpnog hidro pohranjivanja.

Energetski sustav

Mreža se koristi za proizvodnju i prijenos električne energije do naših kuća, radnog mjesta, omiljenog stadiona itd. Električna energija se proizvodi na zahtjev u elektranama (neobnovljivi izvori kao što su: ugljen, plin, nafta… ili obnovljivi izvori kao kao što su: vjetar, solarna energija, hidroenergija…), a zatim se transportiraju kroz složenu mrežu transformatora i dalekovoda do naših domova. Električna energija mora biti proizvedena i korištena za napajanje elektroničkog uređaja. Ne može se pohraniti (Razmislite o dinamu za bicikl, bez baterije, kada bicikl ne radi, nema svjetla). Dakle, proizvedena električna energija mora pratiti stvarnu potražnju u svakom trenutku dana.

Možemo primijetiti da je tijekom ljeta vrhunac potrošnje energije u toplijim satima (od 10:00 do 16:00 sati), dok je zimi potrošnja energije produljena tijekom radnog vremena. (od 7:00 do 18:00 sati). Dodatno veliki je udio električne energije proizveden u kopnenim vjetroelektranama. Tijekom ljetnih mjeseci raspoloživa solarna energija je znatno veća, što je omogućilo manju upotrebu fosilnog kamenog ugljena, mrkog ugljena i plina u odnosu na zimske mjesece.

Zamislimo zimski dan u kojem nije puhao vjetar. Stoga neće biti mogućnosti za proizvodnju mnogo energije vjetra i kao rezultat toga, većina proizvedene energije će doći iz ugljena i plina. To pokazuje da samo postojanje stanica za proizvodnju električne energije koje se napajaju pomoću vjetra i sunca ne osigurava stalni udio obnovljive energije tijekom cijele godine. Kada nema dovoljno vjetra ili sunca, električna energija se ne može proizvoditi iz ovih izvora. Elektrane su i dalje tu, ali iz njih se jednostavno ne može dobiti struja. Stoga, kako bismo ispunili europski cilj da do 2050. postanemo klimatski neutralan kontinent, trebamo način da osiguramo opskrbu obnovljivom energijom tijekom cijele godine. Kao što ćemo vidjeti u nastavku, skladištenje energije i povećanje vodova za prijenos energije mogu pomoći u rješavanju ovog problema.

Povećanje obnovljive energije unutar mreže: Ograničenje

Dodavanje velikih količina vjetroelektrana i solarnih stanica u mrežu, zbog svoje nepredvidive prirode, može uzrokovati neke probleme u električnoj mreži. U vrijeme velike proizvodnje energije vjetra i sunca, operateri sustava će možda morati prihvatiti manje vjetra i sunca nego što je dostupno. To je zato što bi vjetroturbine i solarni paneli mogli proizvesti više električne energije od potrošene. Ali ne možemo proizvesti energiju koja se ne može iskoristiti. Dakle, ili vjetroturbine ili solarni paneli (ili oboje) prestaju raditi. Ova mjera se zove ograničenje; pauza u proizvodnji obnovljive energije. Projekt Twenties EU-a pokazao je da bi veliki razvoj vjetroelektrana na moru mogao povećati smanjenje vjetra (što više kapaciteta vjetra instaliramo, to je veća vjerojatnost da će tijekom vjetrovitog dana neke ili više vjetrenjača morati prestati raditi jer se njihova električna energija ne može koristiti).

Rješavanje ograničenja

Nedostatak prijenosnog kapaciteta (tj. kapaciteta za prijenos proizvedene električne energije kroz mrežu) je glavni čimbenik zbog kojeg dolazi do ograničenja jer kada postoji višak vjetra, višak energije se ne može transportirati u druga područja gdje se može koristiti. Mnogi se pristupi mogu koristiti za povećanje prijenosnog kapaciteta mreže, ali proširenje postojeće prijenosne mreže je skupo i dugotrajno. Alternativa je skladištenje energije. Umjesto da se energija uzima negdje drugdje, može se lokalno pohraniti za kasniju upotrebu. Međutim, već smo spomenuli da se sama električna energija ne može pohraniti, tu električnu energiju trebamo transformirati u drugu vrstu energije (ako čitatelja zanima, neki od primjera su potencijalna energija: pumpna hidroelektrana, kinetička energija: zamašnjak, kemijska energija: baterije) .

Pohrana energije

Postoji nekoliko metoda skladištenja energije u javno dostupnoj literaturi. Ovdje ćemo se  usredotočiti na tehnologiju crpnih hidroelektrana (PHS). PHS je već dokazana tehnologija u planinskim regijama. Ova tehnologija zahtijeva dva različita rezervoara (donji i gornji rezervoar) na različitim nadmorskim visinama. Kada postoji višak električne energije u mreži, ona se koristi za pumpanje vode iz donjeg spremnika u gornji (tako se električna energija pretvara u potencijalnu energiju). Kad god je ponovno potrebna električna energija, voda se iz gornjeg rezervoara ispušta u donji rezervoar i tako se pomoću turbine proizvodi električna energija (potencijalna energija se pretvara u električnu).

Upotreba crpne hidroelektrane može pomoći u skladištenju energije tijekom vremena velike proizvodnje obnovljive energije (korištenje električne energije za pumpanje vode u povišeni bazen). Kasnije, kada proizvodnja obnovljive energije nije dovoljna za zadovoljenje potražnje, inicijalno pohranjena energija može se dodati u mrežu (voda u povišenom bazenu ispušta se kroz turbinu, koja proizvodi električnu energiju).

Studija koju su proveli Chen i suradnici (2009.) pokazala je da se tehnologija pumpnog hidro pohranjivanja smatra jednom od najjeftinijih tehnologija pohrane energije u smislu troškova po kWh proizvedene električne energije. Osim toga, njegov veliki kapacitet pohranjivanja čini sustav privlačnim za mrežno pohranjivanje energije. Međutim, ova tehnologija zahtijeva veliku visinsku razliku između oba bazena, koja se obično postiže prirodnom visinskom razlikom koju daju planine. Stoga korištenje ove tehnologije nije moguće u nižim zemljama kao što su Nizozemska, Belgija ili Sjeverna Njemačka. Iz tog razloga razvijen je projekt ALPHEUS. Ovaj projekt proučava izvedivost crpne hidroelektrane u Sjevernom moru.

Osim toga, tehnološki sustavi pumpa-turbina koji se koriste u visokonapornim PHS-ima ne mogu se koristiti u niskim PHS-ima zbog različite fizike koja je uključena. Ukratko, u PHS-u s velikim padom energija se dobiva iz velike razlike u padu između dva vodena bazena. U PHS s niskim padom energija se dobiva povećanjem mase vode koja prolazi kroz turbine. Osim toga, oprema koja se koristi u PHS s visokim padom radi u slatkoj vodi, au PHS s niskim padom trebala bi raditi s morskom vodom. Primijetite da sada nemamo donji i gornji bazen, već more (koje djeluje kao gornja akumulacija) i zatvoreno akumulacijsko jezero (koje djeluje kao donja akumulacija). U vrijeme viška električne energije pumpe odvode vodu prema moru, au suprotnom slučaju morska voda se kroz turbinu odvodi u zatvoreni rezervoar.

Tehnologija PHS s niskim padom vrlo je inovativan koncept koji proizlazi iz dvije postojeće tehnologije: PHS s visokim padom i proizvodnja energije plime i oseke morskom vodom. Metode rada slične su onima kod PHS-a s velikim padom, ali umjesto dobivanja energije iz velike razlike u padu, ona se dobiva iz velike količine vode koja prolazi kroz pumpne turbine. Iz energetskih stanica za plimu i oseku možemo naučiti kako upravljati mehaničkom i električnom opremom u morskom okruženju.

Jedina visokonaponska PHS stanica koja je ikada radila s morskom vodom bila je Okinawa Yanburu PHS stanica u Japanu. Postaja Okinawa PHS koristila je liticu od 142 m kako bi osigurala razliku pada između donjeg i gornjeg bazena. Ova stanica već pruža određeno iskustvo pri radu s pumpnom hidro opremom u morskoj vodi.

S obzirom na niskonaponski PHS, do sada je razvijeno samo nekoliko planova, ali niti jedan nije izgrađen. Godine 1981. nizozemski inženjer Luc Lievense objavio je prijedlog jezera za skladištenje energije u Markemeeru (veliko jezero u Nizozemskoj). Njegov se plan kasnije razvio u razne alternative. Konačni plan završio je 70 m visokim nasipom na Brouwersdamu (nizozemska barijera od olujnih udara). Prateći plan Lievensea, 2007. godine KEMA consulting i Lievense BV razvili su novi dizajn energetskog otoka. Projekt je uključivao iskopan bazen dubok 40 m, a unutarnje jezero korišteno je kao niski rezervoar, a more kao gornji bazen. Ovaj koncept 'kade' nazvan je 'valmeer', s prednosti nižih nasipa koji izbjegavaju sigurnosne probleme povezane s probijanjem nasipa; slabost koju je imao plan iz 1981.

Iz ovog valmeerovog koncepta osmišljeni su neki drugi projekti kao što je TIESI (Taiwan Integrated Energy Storage Island) 2014. Godine 2018. belgijska savezna vlada financirala je projekt iLand koji uključuje PHS s niskom padom. Izvršenje plana je odgođeno zbog problema s dozvolama. Budući da bi ovo bio prvi prekogranični projekt hibridnog skladišta te vrste, pregovori s mnogim različitim tijelima odgađaju provedbu ovog plana više nego što se očekivalo. Osim toga, regulatorni okvir koji se odnosi na skladištenje trenutno nosi prilično visok stupanj nesigurnosti.

Ostale PHS sheme niskog pada kao što je Delta21 mogu se integrirati u sustav zaštite od poplava u zemlji. Delta21 je integrirani plan za sigurnost od poplava i skladištenje energije u području Haringvliet (Južna Nizozemska, Nizozemska). U dnevnim uvjetima pumpno-turbinska stanica radi na pohranjivanju energije, dok će se tijekom razdoblja velikih olujnih udara i velikih riječnih protoka crpna stanica koristiti za uklanjanje riječnog ispusta koji bi se inače nakupio uzvodno od olujnog udara. Što bi zauzvrat moglo podići razinu vode unutar barijere za olujni udar i poplaviti okolna područja.

Zaključak

Ukratko, ALPHEUS ima za cilj otkriti je li niskonaponski PHS izvediva tehnologija u Sjevernom moru za rješavanje problema velikog skladištenja obnovljive energije. Slijedeći dosadašnja dostignuća i dizajne, ALPHEUS će dizajnirati nove strukture, reverzibilne pumpe-turbine i električne sustave potrebne kako bi PHS s niskim padom bio izvediv u Sjevernom moru. Posebna pozornost posvetit će se riziku, ekonomičnosti i održivosti. Osim toga, razvit će se konzultacije s dionicima kako bi se osiguralo da su te strukture društveno prihvaćene i da se zahtjevi dionika uzimaju u obzir za projektiranje takvih struktura. Učinkovito dovođenje razvoja u obalne zajednice i tehnološke tvrtke.

Općenito, od svih dionika će se tražiti da pruže neke informacije o svom poznavanju PHS tehnologije kako bi se analiziralo je li to poznata tehnologija. Osim toga, dionici će moći dati svoje mišljenje o projektu: ima li ekološki smisla, koje druge mogućnosti smatraju korisnima u pogledu skladištenja energije, što ih brine kada razmišljaju o niskonaponskom PHS-u u Sjevernom moru, itd. Nakon toga ova opća pitanja, pitanja su različita za svaku od tri gore navedene skupine dionika.

Skupina “Vladina tijela/donositelji politika i odluka o prostornom planiranju i dozvolama” moći će pružiti informacije o mogućim potrebnim novim propisima za moguću implementaciju PHS postaje s niskim padom u Sjevernom moru.

Grupa “Komercijalne strane zainteresirane za lokaciju (poduzeće za distribuciju energije itd.)” moći će pružiti povratne informacije o svojim interesima/sposobnostima za izgradnju, proizvodnju, izradu daljnjeg dizajna nakon razvoja projekta ALPHEUS. Njihovo iskustvo u sličnim projektima (konvencionalni PHS, hidroenergija općenito, radovi na pomorstvu, radovi na mreži, projektiranje/proizvodnja turbostrojeva, itd.) također će se analizirati putem upitnika kako bi se razumjelo koji bi dionici mogli biti sposobni pratiti rad na projektu ALPHEUS (od naravno, ako im je to zanimljivo).

“Lokalne zajednice i njihove interesne skupine (ribarstvo, zaštita prirode, rekreacija itd.)” uglavnom će dati povratne informacije o svojim zahtjevima za odabir lokacije (udaljenost od obale, naklonost krajoliku) koje će zatim projekt ALPHEUS pretvoriti u zahtjeve za dizajn.
Konačno, svaki će dionik odlučiti želi li i dalje biti dionik za ALPHEUS i kako biti dionik: samo dobivanje informacija (web stranica, bilten), sudjelovanje na sastancima dionika, pomoć u pružanju informacija u drugim sličnim upitnicima u budućnosti…

www.alpheus-h2020.eu