Voda, vjetar i sunce: Hidrolektrane koje su izašle “iz mode” vraćaju se na velika vrata

Osnovna namjena reverzibilnih hidroelektrana jeste proizvodnja vršne energije i snage za pokrivanje maksimalne potrošnje u toku dana, drugim riječima proizvode najskuplju energiju. One su, takođe, riješenje za varijabilnost proizvodnje zelenih elektrana.

Naime, kada ima previše energije iz solarnih elektrana i vjetroparkova ta energija se može koristiti za pumpanje vode u gornju akumulaciju, a kada im je proizvodnja manja onda reverzibilne hidroelektrane mogu da nadomjeste taj manjak i vrlo brzo počnu sa proizvodnjom. Ove hidroelektrane se ovde ponašaju i kao skladišta energije.

Piše: Dr. Omer Kovčić

Klimatska neutralnost zahtijeva masovno povećanje energije vjetra i sunca. Skladištenje energije u mreži bit će neophodno kada sunce ne sija i kada nema vjetra.

Reverzibilne hidroelektrane će igrati značajnu ulogu u podršci implementaciji varijabilnih izvora energije, budući da druga rješenja za skladištenje sama po sebi ne mogu osigurati adekvatno skladištenje i dovoljnu fleksibilnost mreže, jedna od takvih jeste reverzibilna hidroelektrana sa hidroakumulacijom u Irskoj (Slika 1.).

Može se očekivati da će potražnja za hidroakumulacijama za skladištenjem prilično značajno porasti u narednim decenijama.

Šta kada nema sunca i kada vjetar ne puše?

Reverzibilne hidroelektrane, odnosno skladišta za proizvodnju hidroenergije (eng. PHES – Pump Hydro Enery Storage) se koriste više od jednog stoljeća. To uključuje crpljenje vode iz donje u gornju hidroakumulaciju kada postoji rezervni kapacitet za proizvodnju električne energije (na primjer, u vjetrovitim ili sunčanim danima) i ispuštanje vode u donju hidroakumulaciju preko turbine kako bi se proizvela električna energija kada postoji suficit – kao što je noću.

Električne mreže moraju biti sposobne uskladiti dolazno snabdijevanje električnom energijom s potražnjom u stvarnom vremenu, ili će doći do nestašice ili preopterećenja. Postoje različiti načini na koje operateri mreže to mogu učiniti, uključujući dijeljenje energije u velikim regijama putem dalekovoda i lokalno putem distribucijskih mreža, kontroliranje potražnje (kao što je pružanje financijskih poticaja ljudima da pune svoja električna vozila u satima izvan vršnih sati) i skladištenje energije. Za potonje, baterije i skladišta energije u vidu hidroakumulacija postali su opcija izbora.

Zajedno, baterije i hidroakumulacije za skladištenje energije mogu u potpunosti zamijeniti pomoćne usluge koje pomažu mrežnim operaterima u održavanju stabilnog električnog sistema koje su do sada pružali fosilni i nuklearni generatori.

Kako se svijet želi odviknuti od fosilnih goriva, oko dvije trećine kapaciteta za proizvodnju električne energije koji se dodaju svake godine sada dolazi od vjetra i sunca (Slika 2). Međutim, zbog svoje urođene varijabilnosti, ovi obnovljivi izvori zahtijevaju skladištenje energije. Za mreže s malim količinama vjetra i sunca, tradicionalni generatori ugljena, plina i hidrogeneratora mogu učinkovito uravnotežiti ponudu i potražnju, ali kako se te količine povećavaju – kao što su sada u cijelom svijetu – raste potreba za skladišnim kapacitetom.

Hidroakumulacije za skladištenje energije trenutno čini 94% instaliranih globalnih kapaciteta za skladištenje energije. Prema Međunarodnom udruženju za hidroelektrane, reverzibilne hidroelektrane danas mogu pohraniti oko 9.000 gigavat-sati (GWh) energije. Zemlje poput Japana imaju ogroman kapacitet za skladištenje, što omobućava svojoj floti nuklearnih i fosilnih goriva da održe gotovo konstantnu proizvodnju.

Baterije čine većinu ostatka tržišta skladištenja električne energije. Cijene brzo padaju, te se mogu natjecati s hidroakumulacijama za skladištenje energije za kratkotrajno skladištenje (minuta do sati). Treba istaći, da su hidroakumulacije mnogo jeftinije za dugotrajno skladištenje energije (preko noći ili više dana) i imaju duži vijek trajanja, odnosno 50-100 godina.

Reverzibilne hidroelektrane su izašle su iz „mode“ zbog zabrinutosti uticaja na okoliš, ali su trenutno doživjeli nešto poput renesanse jer zemlje traže rješenja za skladištenje za svoj brzo šireći portfelje, a koji se odnosi na obnovljive izvore energije. Na slici 3. je vidljivo da su Kina i Japan vodeći u instaliranim reverzibilnim hidroelektranama.

Razni vodeći svjetski projekti hidroakumulacija za skladištenje i proizvodnju hidroenergije

Danas se u cijelom svijetu razvijaju brojni veliki projekti hidroakumulacija za skladištenje i proizvodnju hidroenergije. Tako, u Uzbekistanu, državni proizvođač hidroenergije i projektant JSC Uzbekhydroenergo su u fazi implementacije s francuskim državnim komunalnim preduzećem EDF o izgradnji 200 MW projekta u regiji Taškent.

U Kini, „CHE Fenging“ kapaciteta 3,6 GW, izgrađena od kineske državne elektroprijenosne kompanije State Grid Corporation of China, predstavlja najveću reverzibilnu hidroelektranu na svijetu i izgrađena je za osiguranje energije za Olimpijske igre, a koje su bile u januaru ove godine.

U UAE, Dubai Electricity and Water Authority gradi reverzibilnu hidroelektranu od 250 MW u planinama Hajar. To će biti i ujedno i prva hidroakumulacija za skladištenje u Arapskom zaljevu, a očekuje se da će početi sa radom početkom 2024 godine.

U SAD-u, Eagle Crest Energy razvija reverzibilnu hidroelektranu od 1300 MW s 18 sati skladištenja u bivšem rudniku željeza u Kaliforniji. Projekt bi trebao početi s radom 2027, ali trenutno je pod znakom pitanja nakon što su lokalne skupine izrazile zabrinutost zbog njegovog potencijalnog utjecaja na lokalni okoliš i podzemne vode.

U Škotskoj, firma ILI Group objavila je u junu 2021. da je vlada odobrila prijedloge za izgradnju hidroakumulacije za skladištenje „Red John“ u vrijednosti od 550 miliona funti (774 miliona dolara), kapaciteta 450 MW koja će biti locirana na obali Loch Nessa.

Prva australska hidroakumulacija za skladištenje u gotovo 40 godina trebala bi biti dovršena do 2024. Postrojenje Kidston Stage 2 kapaciteta 250 MW u Queenslandu koštat će približno 600 milijuna dolara. Osim toga, postoje i dva druga velika projekta u razvoju u Novom Južnom Walesu; projekat kapaciteta 2GW „Snowy 2.0“ i projekat „Oven Mountain“, kapaciteta 600 MW.

Očekuje se da će „Greenko Group's Pinnapuram“ projekat biti pušten u rad 2023. godine, a koji je lociran u Andra Pradeshu u Indija. Projekat će predstavljati kombinaciju solarne elekktrane kapaciteta 2 GW, vjetroelektrane kapaciteta 400 MW i hidroakumulacije za skladištenje sa kapacitetom 1,2 GW.

Rješenja reverzibilnih hidroelektrana bez vodotoka

Brane su s pravom kontroverzne, a većina postojećih sistema reverzibilnih hidroelektrana doista su riječne – ali to ne mora biti.

Kod hidroakumulacija za skladištenje često se zanemaruje uticaj hidroenergije na vodotoke nizvodnih područja, ali mnogi ljudi ne shvaćaju da većina najboljih hidroakumulacijskih mjesta uopće nije na rijekama.

Stvaranje sistema hidroakumulacija za skladištenje u vidu „zatvorene petlje“ ili „bez vodotoka“ koji koriste par postojećih jezera ili hidroakumulacija umjesto rijeka zaobišli bi potrebu za novim branama, uz malo dodatne potražnje za zemljištem, osim za dalekovode. Par hidroakumulacija od 250 hektara, dubokih 20 metara s visinskom razlikom od 600 metara može pohraniti 24 GWh energije, što znači da bi sistem mogao snabdijevatii 1 GW energije tokom 24 sata, što je dovoljno za jedan grad od milijun ljudi.

Svijet ima 100 puta veći potencijal za skladištenje vode u hidroakumulacijama bez vodotoka nego što je potrebno za podršku 100% sistema obnovljive energije koji se temelji na suncu i vjetru.

Sa slike 4 je vidljivo da zatvoren sistemi koriste dvije hidroakumulacije umjesto tekuće vode, odnosno vodotoka nizvodno od brane.

Uloga reverzibilnih hidroelektrana u postizanju neto nultih emisija

Europska agencija za okoliš (EEA) objavila je informaciju da je potrebno smanjiti emisiju stakleničkih plinova na nulu do 2050. godine („Net Zero by 2050“), stoga međunarodna agencija za energetiku je predložila svojih sedam (7) principa koji treba da pomognu međunarodnoj zajednici da uspešno izvede energetsku tranziciju.

Ovih sedam principa pokriva neka od suštinskih područja i kao takvi oni ukazuju na neophodnost šireg spektra dijelovanja u cilju postizanja prethodno pomenutog cilja do polovine ovog stoljeća. Ispunjavanjem zajednički prihvaćenih ciljeva omogućava se izbjegavanje dramatičnih posljedica klimatskih promjena, ali za to je, neophodno ubrzanje kada je u pitanju napredak pre svega u tranziciji ka čistoj energiji i međunarodnoj saradnji.

Dekarbonizacija zahtijeva elektrifikaciju. Potražnja za električnom energijom će se utrostručiti kada transport, grijanje i industrijska proizvodnja budu električni.

Potrošnja električne energije po glavi stanovnika u naprednim privrednim područjima iznosi oko 5-10 MWh po osobi godišnje. Eliminiranje fosilnih goriva iz privrede podrazumijeva utrostručenje proizvodnje električne energije, što bi povećalo na 20 MWh po osobi godišnje. Očekuje se da će globalna populacija sredinom stoljeća dostići vrhunac od deset (10) milijardi, što će globalnu proizvodnju električne energije povećati na približno 200.000 TWh godišnje.

Omer Kovčić

Većina zemalja nastoji zadovoljiti sve veću potražnju masovnim povećanjem izvora vjetra i sunca. Uz pretpostavku da se do 2050. električna energija proizvodi kombinacijom solarne (60%), vjetra (30%) i drugih metoda (10%), predviđa se potreba za 81TW solarne energije i 17TW vjetro energije. U tom scenariju, jedan dan skladištenja iznosio bi oko 500TWh i zahtijevao bi 20TW. To je znatno više od 9.000 GWh koje danas mogu pohraniti hidroakumulacije sa reverzibilnih hidroelektranama, ali mnogo manje od 23.000 TWh potencijalnog kapaciteta hidroakumulacija za skladištenje za sisteme bez vodotoka, a za koje se vjeruje da postoji u cijelom svijetu.

Reverzibilne hidroelektrana pružaju fleksibilno, pouzdano skladištenje i proizvodnju hidroenergije, ali visoke početne kapitalne troškove i dugo vremenski period koje se odnosi na puštanje u rad projekta, što često čine neprivlačnim za investitore. Trenutni rokovi za puštanje u rad reverzibilnih hidroelektrana često prelaze deceniju ili dvije, ovisno o veličini projekta. Postoji potreba za fundamentalnom analizom kako bi se razumjeli i pozabavili ključnim pokretačima koji doprinose ovom dugoročnom horizontu. Potrebni su novi projekti i strategije, inovativne metode izgradnje, te poboljšane i nove tehnologije kako bi se poboljšala izvodljivost i konkurentnost reverzibilnih hidroelektrana.

Da se zaključiti da se cijeli svijet okreće obnovljivim izvorima energije u vidu izgradnje solarnih elektrana i vjetro parkova, pa tako i Bosna i Hercegovina. Stoga, da bi energetski sistem bio održiv potrebno je skladištiti proizvedenu energiju. Jedan od načina jeste izgradnja reverzibilnih hidroelektrana sa hidroakumulacijama za skladištenje i proizvodnju hidroenergije i to „kada nema sunca i kada vjetar ne puše“.