Аннотация
Авторы ( Анатолий Качан и Семён Розенберг ) предлагают построить гидроаккумулирующий комплекс между северным и южным бассейнами Мертвого моря, включающий гидроаккумулирующую
электростанцию (ГАЭС), верхний бассейн и турбинный водовод.
Ключевые слова: гидроаккумулирующий комплекс, гидроаккумулирующая
электростанция, ГАЭС, верхний и нижний бассейн, дамба, турбинный водовод,
замкнутый водный контур, тепловые электростанции, стоимость энергии, Мертвое море.
Annotation
The authors propose building a pumped storage complex between the northern and southern
basins of the Dead Sea, including a pumped storage power plant (PSPP), an upper basin and a turbine conduit.
Key words: pumped storage complex, pumped storage power station, PSPP, upper and lower basins, dam, turbine conduit, closed water circuit, thermal power plants, energy cost, Dead Sea.
Цель предложения
Технический смысл предлагаемого строительства. ГАЭС в ночное время работает в насосном режиме, использует энергию электросети и перекачивает воду из северного бассейна Мертвого моря в верхний бассейн, сооруженный между северным и южным бассейнами моря.
В дневное время турбины ГАЭС используют воду верхнего бассейна, и генераторы отдают электроэнергию в электросеть. Суточное выравнивание мощности существующих тепловых электростанций (ТЭС) существенно повысит их надежность, а также позволит дать дополнительную мощность в сеть в дневное время. (Около 80% ремонтных и аварийных остановок ТЭС вызвано изменением режима их работы).
Экономический смысл. Гидроаккумулирующий комплекс способен вырабатывать наиболее ценную пиковую и аварийную энергию. По существу, с помощью ГАЭС, дешевая ночная электроэнергия переносится в дневное время, когда стоимость ее заметно выше. Это принесет прибыль, повысит уровень энергоснабжения страны и повысит ее обороноспособность – за счет возможности выработки аварийной энергии.
Существующее положение
ГАЭС – устоявшаяся технология, существующая более века. Во многих странах построено множество ГАЭС мощностью в десятки, сотни и тысячи МВт. Например, согласно Отчету о состоянии рынка гидроэнергетики США за 2017 год, к концу 2016 года, на определенном этапе разработки было 38 проектов ГАЭС, 32 из которых находились в процессе завершения технико-экономических обоснований. [1]
Гидроаккумулирование считается самой зрелой технологией накопления энергии; большинство проектов берут свое начало с 1970-х и 1980-х годов, а концепция возникла задолго до того. На международном уровне в рабочем состоянии находятся мощности более 170 ГВт.
В Израиле тоже опубликовано несколько предложений, предусматривающих строительство ГАЭС, например, [6, 7, 8, 9, 10]. Однако, ни один проект не реализуется.
В 2020 году суммарная мощность электростанций в Израиле превышает 13500 МВт.
Типичный график суточного изменения потребляемой мощности (за 2010 год) показан на рис. 1
В часы пик, как показывает график, в работу включаются газотурбинные станции, а в ночные часы мощность тепловых станций приходится снижать [2].
Описание предлагаемого гидроаккумулирующего комплекса
На рис.1. показан график суточного изменения потребляемой мощности в Израиле (лето 2010) [2].
Верхний бассейн. Верхний бассейн расположен на территории, на которой нет никакой хозяйственной деятельности. Он находится в 5 км от курортов Эйн-Бокек. Верхний бассейн изолирован от южного бассейна Мертвого моря и потому не влияет как на экологические условия этого района, так и на работу Израильского и Иорданского заводов моря.
Это уникальное место для строительства нужного по размерам верхнего бассейна.
Создание гидроаккумулирующего комплекса требуемой мощности определяется, в данном случае, возможностью создания верхнего бассейна, удовлетворяющего
следующим требованиям:
- Приближением верхнего бассейна к северному бассейну Мертвого моря – с целью укорочения турбинного водовода.
- Призмой срабатывания верхнего водохранилища объемом около 154 млн. м3 – с целью выравнивания суточного режима работы тепловых станций Израиля и получения достаточного объема пиковой и аварийной мощности.
- Использованием существующего перепада уровня верхнего бассейна с нижним около 40 м.
- Уменьшением объема дамб, формирующих верхний бассейн – с целью удешевления его строительства.
На рис. 2 показан верхний бассейн (7).
Рис. 2. Верхний бассейн [Google Earth Pro].
Площадь верхнего бассейна 50 км2. Красными линиями показаны дополнительные дамбы: (4), длиной 4 км, средней высотой 22 м (415-393) и дамба (8), длиной 0.8 км, средней высотой 5м. Синими линиями (5 и 6) показаны существующие действующие дамбы, общей длиной 32 км. Верхний уровень всех дамб не ниже отметки минус 393 м.
Кроме упомянутых выше объектов, на рисунке 2 показаны: 2 – часть южного иорданского бассейна, 9 – производственный бассейн Иорданского Завода Мертвого моря, 10 – производственный бассейн Израильского Завода Мертвого моря.
Здания ГАЭС. Здания ГАЭС (3) расположены непосредственно под дополнительными дамбами на дне северного бассейна (1). Турбинные водоводы проходят от отметки минус 415м до водозаборников насосов на отметке минус 445 м и имеют минимальную длину.
В ГАЭС используют несколько гидроагрегатов, которые подключают по мере необходимости.
Турбинный водовод выполняют в виде параллельных труб диаметром 3...4 м. Он способен выдерживать напор воды около 50 м.
Режим работы ГАЭС. На рис. 1 показан график суточного изменения потребляемой мощности в Израиле.
Максимальная мощность Pmax = 10930 МВт и минимальная Pmin = 6670 МВт. (2010 год).
На рис. 3 показан график, в котором имеем стабильную мощность тепловых станций Pconst. Когда потребление меньше, чем Pconst, гидроагрегаты накапливают энергию, перекачивая воду в верхний бассейн. Когда потребление больше, чем Pconst, гидроагрегаты вырабатывают энергию – спускают воду верхнего бассейна. Время работы в насосном режиме составляет Tp = 10 часов (график на рис. 3 ), время работы в генераторном режиме составляет Tg = 14 часов.
На основании этих данных из графика рассчитаем стабильную мощность тепловых станций Pconst:
Рассчитаем энергию в насосном (Ep) и генераторном (Eg) режимах (принимаем, что графики мощности в первом приближении соответствуют квадратичной параболе):
Ep = 2/3 х Pp хTp х k, Eg = 2/3 х Pg х Tg / k.
Pmax=10930 MW, Pmin=6670 MW, P=Pmax-Pmin=4260 MW, Tp=14 h, Tg=10 h, k=0.87.
Здесь Pp и Рg - это максимальные мощности в насосном и в генераторном режимах.
Энергия Ep должна быть равна энергии Eg. Отсюда имеем Pp*Tp*k=Pg*Tg/k,
Pp*Tp*k2 =Pg*Tg, Pp*Tp*k2 =P*Tg-Pp*Tg, Pp(Tpk2 +Tg)= P*Tg,
Pp=P*Tg/(Tpk2 +Tg)=4260*10/(14*0.872 +10)= 2070 MW. Pg=4260-2070=2190 MW.
Рис. 3. График суточного изменения потребляемой мощности при взаимодействии ГАЭС
с электроэнергетической сетью
Уровень воды в северном бассейне из года в год падает, и в 2020 опустился ниже минус 435 метров. Уровень воды в бассейнах Заводов Мертвого моря (и Израильских, и Иорданских) составляет минус 395 м. Уровень воды в построенном верхнем бассейне (водохранилище) может быть установлен, например, на отметке минус 393 м – за счет существующих и дополнительно построенных дамб. Поэтому перепад уровней между нижним (северным бассейном Мертвого моря) и построенным верхним составляет порядка Н=40 м.
Суммарный суточный расход воды в насосном и генераторном режимах Qр и Qg [m3 ] - секундные расходы воды q[m3 /s], мощности Р[W]. В северном бассейне плотность воды-рассола р=1235 [кг/м3].
Рассчитаем максимальные секундные расходы воды и суммарный суточный объем воды:
Pgmax=2190 MW, Pg=g*р*q* H*k, q=Pg/g*р*H*k=2190000000/9.81*1235*40*0.87=5200
m3/s, Qg=2/3 *q*Tg*3600=2400*10*5200= 125 Mm3 .
Ppmax=2070 MW, Pp=g*p*q*H/k, q=k* Pp/g*p*H =0.87*2070000000/9.81*1235*40=3700
m3/s, Qp=2/3 *q*Tp*3600=2400*14*3700= 125 Mm3 .
Площадь построенного верхнего бассейна равна 50 км2, поэтому призма срабатывания составит порядка 2.5 м (=125/50).
По состоянию на 2010 год постоянная среднесуточная мощность тепловых станций
Pconst = Pmax – Pg = 10930 – 2190 = 8740 MW,
При реальном проектировании будущей ГАЭС должны быть учтены перспективы
увеличения потребления энергии в Израиле и в Королевстве Иордания, а также увеличение доли возобновляемой энергии. В Израиле в 2020 году достигнута мощность 13800 МВт, в Иордании, в 2012 году, около 3312 МВт. [11]
Окупаемость строительства
Большинство проектов ГАЭС были разработаны в 1970-х и 1980-х годах и, согласно отчету Бюро мелиорации США, они стоят около $ 2020 / кВт. Стоимость оборудования электростанции составляет $ 825 / кВт, а стоимость земляных работ (гражданского
строительства) - $ 80 / кВт. В зависимости от местности, стоимость туннелей, верхнего резервуара и нижнего резервуара может варьироваться до $ 420 / кВт. В целом, для 10- часового периода хранения предполагаемая стоимость установленной мощности (ICC) проекта с большим напором (700+ футов) и большой мощностью (500+ МВт) составляет ... от $ 2600 до $ 3100 / кВт.
Окупаемость строительства гидроаккумулирующего комплекса давно доказана мировой практикой – тысячами построенных и строящихся комплексов.[1].
В Израиле только за счет разных тарифов на дневное и вечернее потребление энергии ГАЭС даст миллионы шекелей дохода. Как видно из приведенной ниже таблицы, ночные тарифы на электроэнергию ниже дневных тарифов. [3]
Для предлагаемого комплекса ночные и дневные тарифы должны быть установлены договором с «электрической компанией Хеврат Хашмаль».
В первом приближении принимаем, что потребление энергии весь год соответствует графику на рис. 3, среднегодовой тариф в дневные часы генерации энергии составляет 0.52 шекеля за кВт.ч, а в ночные часы в насосном режиме среднегодовой тариф равен 0.24 шекеля за кВт.ч.
ГАЭС отдает в сеть в день в режиме генерации Eg=2/3*2190*10=14600 MWh (см. выше).
Стоимость энергии генерации 0.52 х 14600000 = 7 600 000 шекелей.
ГАЭС потребляет в насосном режиме Ep=2/3*2070*14=19320 MWh.
Стоимость потребляемой энергии в насосном режиме 0.24 х 19320000 = 4 640 000 шекелей. Доход в день составляет 2.96 млн. шекелей и за 300 рабочих дней в год 890 млн. шекелей.
Ориентировочная стоимость строительства комплекса (без высоконапорных плотин), суммарной мощностью 2000 МВт порядка 1 млрд. долларов [1, 4, 5].
Ориентировочная окупаемость составит не более 5 лет.
Верхний бассейн частично расположен на территории Королевства Иордания. Это
позволит Королевству воспользоваться всеми преимуществами и доходами, получаемыми от работающей ГАЭС. Предоставляя свою территорию для станции, Королевство получает собственный источник энергии. Это позволит уменьшить расходы на закупку ресурсов, т.к. Иордания импортирует более 90% энергоресурсов.
В статье рассмотрены лишь энергетические проблемы. Авторы оценивали стоимость сооружения по сведениям из Интернета. При реальном проектировании, строительстве, учете потребных мощностей и других расходов, стоимость объекта и сроки его окупаемости будут, естественно, отличаться.
БИБЛИОГРАФИЯ
1.https://energystorage.pnnl.gov/pdf/PNNL-28866.pdf
2.http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2010/10/worldwide-pumped-storage-activity
3. http://www.ide-tech.com/wp-content/uploads/2013/09/The-Operation-Principle-of-the- Hadera-Seawater-Desalination-Plant-and-Advantages-of-the-Pressure-Center-Design.pdf
4.http://www.necu.org.ua/upl/IP_Kaniv_PSP_May_08_rus.pdf
5.http://bravenewclimate.com/2010/04/05/pumped-hydro-system-cost/
6.http://www.elektron2000.com/article/1647.html
7. http://elektron2000.com/article/1685.html
8.http://netanyascientific.com/0/CONFERENCE%20Netania%202019.pdf -стр. 67
9. http://netanyascientific.com/Stati/Stati-7/data/Pumpstorstate.pdf
10.http://netanyascientific.com/English/Stati/Stati-7/data/Pump_power_plant.pdf
11.https://energypedia.info/wiki/Jordan_Energy_Situation
