Hydrolager - en hållbar energilösning?

Projektrapport Hydrolager - en hållbar energilösning? Energilagringsteknik C, 7.5 Hp Ingrid Allard och Katarina Sjöström Datum:

Sammanfattning För att nå en hållbar energisituation behöver vi förnyelsebara energikällor men lika viktigt är att kunna ta tillvara på överskottsel och jämna ut elproduktionen från dessa ofta mindre reglerbara energikällor. För att göra detta krävs energilagringstekniker av vilka den mest utbredda storskaliga är hydrolager. Denna rapport handlar främst om denna teknik. Jämförelser görs mellan sex olika hydrolager belägna i olika delar av världen, bland annat Juktan här i västerbotten. Det som studeras är vilken effekt och energimängd som kan lagras, vilka dammkonstruktioner som använts samt vilken effekt som kan tas ut. I Juktan är lagringseffekten 227 MW, vilket motsvarar effekten hos 76 vindkraftverk. Lagring av elenergi i hydrolager har både fördelar och nackdelar, det är därför viktigt att ta hänsyn till både säkerhet, ekonomi och miljö vid konstruktion. Sammanfattningsvis kan dock sägas att hydrolager i kombination med andra energilagringslösningar kan bidra till en mer hållbar energisituation och bidra till att göra övergången från fossila bränslen till helt förnyelsebara energikällor möjlig. 1

Innehåll INLEDNING 3 METOD 3 TEORI 3 ENERGILAGRING I HYDROLAGER 4 OLIKA TYPER AV HYDROLAGER 6 OLIKA PUMPKRAFTVERK 7 1. PANJIAKOU 7 2. GOLDISTHAL 8 3. JUKTAN 8 4. DINORWIG ELECTRIC MOUNTAIN 9 5. LISINA 10 6. AYODHYA HILLS 10 JÄMFÖRELSE 11 DISKUSSION 13 SLUTSATS 15 REFERENSER 16 2

Inledning Utvecklingen av elkraftsgenerering ur sol- och vindenergi går framåt och antalet solcellsfält och vindkraftverk i världen blir fler varje dag. Genom att utnyttja energin som finns i solinstrålningen och vinden släpper vi varken ut koldioxid eller utarmar jorden på resurser. Problemet med dessa energikällor är att de inte kan anpassas efter efterfrågan på el. Vi kan inte bestämma när och hur mycket solen skall lysa och vinden blåsa. Detta blir ett problem om elbehov och elproduktion varierar på olika sätt under dygnet och året. Variationen i elproduktion kan dessutom påverka elnätets spänning och frekvens. I Sverige kompenseras dessa variationer med hjälp av vattenkraft där vattenflödet genom turbinerna regleras efter elbehov. I många andra länder används istället koleldade kondenskraftverk för att reglera elproduktionen vilket leder till stora koldioxidutsläpp. Genom att lagra energin från de förnyelsebara energikällorna kan elen produceras vid behov och på så sätt minska behovet av kolkraft. Elenergi kan lagras ibland annat i batterier, i svänghjul, i hydrolager och som komprimerad luft.[1] I ett hydrolager pumpas vatten till en högre höjd för att sedan tappas genom en turbin då man vill producera el. Till detta används två dammar belägna på olika höjd. I denna rapport undersöks om energilagring av förnyelsebara energikällor i hydrolager kan vara en hållbar lösning till problemet med variationsskillnader mellan behov och tillgång på elkraft. Metod Information söks i vetenskapliga rapporter, tidningsartiklar, webbsidor samt tas fram genom egna beräkningar. Först studeras energilagring och hydrolager allmänt, där förluster och miljökonsekvenser granskas. Sedan undersöks sex specifika hydrolager närmare. Teori Energin som lagras i hydrolagret består av lägesenergin. Storleken på denna ges av E lagring = mgh = ρvgh (1) Där ρ är densiteten på det lagrade ämnet, V ämnets volym, g tyngdaccelerationen och h höjdskillnaden mellan de två reservoarerna. 3

Den effekt som lagras fås av P lagring Hydrolager - en hållbar energilösning? = mgh = ρvgh (2) Där V är volymsflödet hos ämnet som pumpas upp till lagret. Densiteten, ρ, på vatten med temperaturen 10 C är ungefär1000 är 9,81 2 m / s. Beräkning av ett solcellsfälts effekt per areaenhet ges av 3 kg / m och tyngdaccelerationen, g, vid breddgraden 45 Psol psol = (3) A Där P sol är solcellcfältets toppeffekt och A solcellsfältets area. Tiden det tar att fylla hela lagret ges av ekvation 4. Energi och effekt ges ofta i enheterna watt-timmar och watt. En enhetsanalys visar tiden i sekunder. t = in E P lagring lagring Tiden det tar att tömma hela lagret ges av gen Wh s = W 3600 (4) Elagring t ut = (5) P Där P gen är den effekt som kan genereras ur hydrolagret. [2] Energilagring i hydrolager Hydrolager är den mest utbredda storskaliga energilagringstekniken i världen[3] och finns ibland annat Kina, USA, Storbritannien, Australien och Sydafrika.[4] Total uteffekt från världens alla hydrolager är 140 GW, vilket motsvarar 4 procent av världens totala installerade eleffekt.[5] Energilagring i hydrolager sker genom att man låter överskottseffekter från elnätet driva en motor som i sin tur driver pumpar som transporterar upp vatten till en damm på högre höjd. Lagringen kan också ske genom att koppla el-producerande enheter direkt till pumparna. El produceras sedan vid behov genom att tappa det lagrade vattnet genom en turbin kopplad till en generator, se figur 1. Det vanligaste är att så kallade reversibla pumpturbiner, som kan fungera som både pump och turbin, används i anläggningarna. Pumpkraftverk är ett hydrolager med elproduktion.[4] 4

Figur 1. Pumpkraftverk i genomskärning, Dinorwig, Wales. Lagringstekniken har använts i mer än hundra år och är därför väl utvecklad.[3] Den första användningen av pumpkraft var på 1890-talet i Italien och Schweiz. Reversibla pumpturbiner blev tillgängliga på 1930-talet.[4] Lagret i sig har en lång livstid men också en hög investeringskostnad.[3] Storleken på energin som fås ut relativt den som tillförs vid lagring är hög, verkningsgraden är ungefär 71-85%. Förlusterna under lagringen är dessutom mycket låga vilket gör att energin kan lagras både timmar och månader.[3] Det går relativt fort att starta genereringen av el ur ett hydrolager men det går ändå för långsamt för att lagret ska kunna användas som reservkraft där eltillgången måste vara konstant, t.ex. till sjukhus eller dataservrar. Däremot kan elproduktionen ur hydrolagret enkelt regleras efter hur efterfrågan på el varierar över dygnet och året.[3] Ett hydrolager måste vara ganska stort för att vara lönsamt att bygga och kräver därför mycket utrymme. Dammarna måste vara dimensionerade så att de räcker till både för stor lagring och hög elproduktion. Konstruktionen av ett hydrolager innebär ett ingrepp i naturen som kan påverka det naturliga ekosystemet negativt.[3] 5

Olika typer av hydrolager Hydrolager - en hållbar energilösning? De flesta hydrolager består av två dammar på olika höjd ovan jord, men den nedre reservoaren kan också förläggas under marknivå. Det går också att använda havsvatten som lagringsmedium och låta havet vara en reservoar. Energi utvinns i det detta fall genom att utnyttja hur tidvattnet stiger och sjunker: man pumpar upp vattnet då det står som högst och tillbaka igen då det står som lägst.[4] Se bild på försättsbladet. Ett hydrolager kan konstrueras genom att antingen använda redan existerande sjöar eller vattendrag, och dämma upp dessa för att öka lagringskapaciteten, eller anlägga helt konstgjorda dammar enkom för ändamålet. Ett vanligt pumpkraftverk använder enbart vatten som har pumpats till den övre reservoaren, medan ett kombinerat pumpkraftverk både använder sig av vatten som pumpats upp och av en naturlig genomströmning.[6] Dammar kan konstrueras på olika sätt: av murverk, en jordbank, stål eller timmer. Timmer och stål används sällan numera. För att stabilisera trycket från vattenmassorna förlitar sig murverksdammar antingen på en valvbåge i kombination med en utformning i storlek och form som utnyttjar gravitationskraften eller enbart på gravitationskraften. Jordbanksdammar kan antingen bestå av tätpackad jord eller sten- och grusblandad jord och ibland också med en kärna av asfalt. Se figur 2. [7] Figur 2. Jordbanksdam med en kärna av asfalt. 6

Olika pumpkraftverk 1. Panjiakou Det kombinerade pumpkraftverket Panjiakou är beläget i den övre dalgången kring Luan He floden, ca 200 km nordöst om Tianjin, se figur 3. Det består av 3 reversibla pumpenheter och en vanlig turbinenhet. Den övre reservoaren består av en 2930 miljoner m 3 stor gravitationsdamm av betong[8] som dränkte en del av den kinesiska muren då den dämde upp floden.[9] Den nedre dammen är 10 miljoner m 3 stor. Pumparna körs oftast mellan juli och mars och den lagrade energin används sedan på våren/sommaren då det finns ett stort behov av elkyla. De tre pumpturbinerna genererar en garanterad uteffekt på 138 MW. Pumparnas volymflöde, V, är 100 3 m / s och medelhöjden mellan dammarna, h, är 61 m.[8] + Figur 3. Panjiakou pumpkraftverk på kartan till vänster och dess övre damm till höger. Ekvation 2 ger en total lagringseffekt på 180 MW: 3 kg m m P lagring = 1000 300 9.81 61m = 179,52... MW 180MW 3 2 m s s 7

2. Goldisthal Hydrolager - en hållbar energilösning? Pumpkraftverket i Goldisthal består av 4 turbiner, en anlagd övre reservoar på 12 miljoner m 3 och en nedre damm i en del av Schwarza floden, på 18 miljoner m 3. Se figur 4. De fyra pumpturbinerna genererar en uteffekt på 1060 MW. Pumparnas volymflöde, V, är 80 m 3 /s och medelhöjden mellan dammarna, h, är 303 m. [10] Dammen är av jordbankstyp med asfaltkärna. [11] Figur 4. Goldisthal pumpkraftverk på kartan till höger och flygfoto till vänster. Ekvation 2 ger en total lagringseffekt på 951 MW: 3 kg m m P lagring = 1000 80 * 4 9.81 303m = 951,17... MW 951MW 3 2 m s s 3. Juktan Pumpkraftverket Juktan ligger i Västerbotten. Idag är denna anläggning inte i drift men går att starta upp igen vid behov. Vatten pumpas från sjön Storjuktan upp till Blaiksjön. För att generera el tappas vattnet sedan från Blaiksjön till sjön Storuman. Se figur 5. Dammarna i Blajksjön är av stenfyllnadstyp med tätkärna av morän och grundlades i huvudsak på morän. Pumpturbinen genererar en uteffekt på 335 MW. Pumparnas volymflöde, V, är 103 m 3 /s och medelhöjden mellan dammarna, h, är 225 m. [12] 8

Figur 5. Juktans pumpkraftverk på kartan till vänster och i genomskärning till höger. Ekvation 2 ger en total lagringseffekt på 227 MW: 3 kg m m P lagring = 1000 103 9.81 225m = 227,34... MW 227MW 3 2 m s s 4. Dinorwig Electric Mountain Beläget i Llanberis-passet, i utkanten av nationalparken Snowdonia i Gwynedd, norra Wales ligger pumpkraftverket Dinorwig.[13] Det består av 6 pumpar/turbiner och kan uppnå maximal generering på mindre än 16 sekunder.[14] Pumpkraftverket är byggt i det nu övergivna näst största skifferbrottet i världen Dinorwic slate quarry, mitt emellan staden Llanberis och byn Dinorwig. För att bevara skönheten i nationalparken Snowdonia placerades själva kraftverket djupt inne i berget Elidir Fawr.[13] Vatten lagras på hög altitud i Marchlyn Mawr reservoaren, en högt belägen sjö bakom berget Elidir Fawr[13] med en stenfylld jordbanksdam[15], och faller 518 m ned till sjön Llyn Peris.[16] Det pumpas sedan tillbaka från Llyn Peris till Marchlyn Mawr. a [13] Se figur 6. Verket har en medeleffektivitet på 74-75%, det använder alltså 33% mer elektricitet när det pumpar vatten tillbaka till Machlyn Mawr än det producerar. [13] Lagringseffekten är 275 MW, totalt 1650 MW, och kraftverkats totala uteffekt är 1728 MW.[14] a Det sägs att grottan som innehåller Arthur's skatter, en källa till förundran för vandraren som ser den och av katastrof för den som stjäl från den, ligger i närheten av Marchlyn Mawr. 9

Figur 6. Pumpkraftverket i Dinorwig, i genomskärning till höger och den övre dammen till vänster. 5. Lisina Pumpstationen Lisina ligger i sydöstra Serbien[17] i den bergiga regionen Vlasina.[18] Vatten pumpas, främst under sommarhalvåret, från Lisina Lake upp till Vlasina Lake. Lake Vlasina är en halvt konstgjord sjö, från början en torvmosse, som fungerar som reservoar till fyra vattenkraftverk. Dammen i Vlasina sjön är en jordbanksdamm med en betongkärna. [17] Pumparnas volymflöde,v, är 3.6 m 3 /s och medelhöjden mellan dammarna, h, är 328 m. [19] Ekvation 2 ger en total lagringseffekt på 12 MW: 3 kg m m P lagring = 1000 3,6 9.81 328m = 11,58... MW 12MW 3 2 m s s 6. Ayodhya Hills Purulia ligger i östra Indien i provinsen västbengalen. Se figur 7. Här ligger ett stort pumpkraftverk med fyra turbiner i bergen Ayodhya hills.[20] Två dammar av tätpackad sten och jord[21] har byggts på olika höjd och en kraftstation inne i berget. Lagringseffekten är totalt 920 MW och den totala uteffekten 900 MW. Fallhöjden är 177 m.[20] 10

Figur 7. Ayodhya hills pumpkraftverk, röd prick på kartan till vänster, och övre damm till höger. Jämförelse Uteffekten talar om hur stor effekt som kan fås ur pumpkraftverket när man vill använda energin som finns lagrad i hydrolagret, alltså hur stor uteffekt turbinen kan generera. Lagringseffekten beräknas ur ekvation 2 och visar hur mycket energi som kan lagras i hydrolagret per sekund, alltså hur stor lägesenergi per sekund som pumpen genererar. Det visar på hur stort effektöverskott man garanterat skulle kunna koppla till pumparna. I verkligheten skulle en något högre effekt kunna kopplas in, där den extra effekten skulle gå till att driva pumparna. För att åskådliggöra hur stor lagringseffekt varje hydrolager har beräknas hur många vindkraftverk eller hektar solceller som skulle kunna lagra sin effekt i lagret. Se tabell 1. Det som räknas på är ett landbaserat vindkraftverk med en toppeffekt på 3 MW[22] samt ett solcellsfält med en toppeffekt på 40 W och area på 400000 2 m [23] vilket ur ekvation 3 ger toppeffekten per kvadratmeter: 40 10 W p sol = 4 10 m 6 2 = 100W / m. 5 2 11

Tabell 1. Visar en jämförelse i uteffekt, höjd och lagringseffekt mellan de olika pumpkraftverken. Lisina Serbien Panjiakou Kina Juktan Sverige Goldisthal Tyskland Ayodhya Hills Indien Dinorwig Wales Uteffekt Lagrings- Vind- Sol- [MW] effekt [MW] kraftverk celler [Ha] - 12 4 12 138 180 60 180 335 228 76 227 1060 952 317 951 900 920 307 920 1728 1650 550 1650 De olika pumpkraftverken är konstruerade på olika sätt, har olika höjdskillnad mellan dammarna, olika typer av reservoarer, olika dammtyper och olika antal turbiner. Se tabell 2. Detta påverkar naturligtvis både uteffekten och lagringskapaciteten, men också miljöpåverkan och säkerheten. Tabell 2. Visar på skillnaderna i konstruktion mellan de olika pumpkraftverken. Pump- Höjd [m] Reservoarer Dammtyp turbiner [övre/undre] Lisina Serbien 1 pump 328 Semiartificiell sjö/sjö Jordbank, cementkärna Panjiakou Kina 3 61 Sjö/sjö Murverk, gravitation Juktan Sverige 1 225 Sjö/sjö Jordbank, stenfyllnad Goldisthal Tyskland 4 303 Artificiell/sjö Jordbank, asfaltkärna Ayodhya Hills Indien 4 177 Artificiell/artificiell Jordbank, stenfyllnad Dinorwig Wales 6 518 Sjö/sjö Jordbank, stenfyllnad Lagringskapaciteten är ett mått på hur mycket energi som maximalt kan lagras i hydrolagret, i form av vatten i den övre reservoaren. Eftersom man inte kan tömma sjöarna helt är detta volymskillnaden mellan den lägsta vattennivån och den högsta i den övre reservoaren. Detta påverkar laddnings- och urladdningstiden enligt ekvation 4 och 5, men var svårare att ta reda 12

på. En lång laddnings- och urladdningstid innebär en god förmåga att utjämna variationer i elproduktion. Se tabell 3. Tabell 3. Visar lagringskapaciteten för de pumpkraftverk som uppgifter gick att hitta. Lagringskapacitet [MWh] Urladdningstid, på full uteffekt [h] Laddningstid, på full ineffekt [h] Lisina - - - Serbien Panjiakou - - - Kina Juktan - - - Sverige Goldisthal 8500 8.0 8.9 Tyskland Ayodhya Hills Indien Dinorwig Wales [23] - - - 9000 [16] 5.2 5.5 Diskussion Att man kan lagra energi i ett hydrolager lång tid, med väldigt små förluster, kan ses som en stor fördel, t.ex. i länder som Sverige där solinstrålningen är som störst de månader på året vi har som minst behov av elektricitet eller då man vill lagra annan säsongsberoende energi. Eftersom elproduktionen ur hydrolager är relativt enkel att reglera kan lagringsmetoden även användas för att jämna ut elkraftskällor som varierar över dygnet. Detta behövs överallt på jorden, eftersom vind- och solenergins variationer då kan tas tillvara på och utnyttjas då den behövs som mest. Även överskottsenergi från andra svårreglerade energikällor som till exempel vågkraft eller kärnkraft kan lagras i hydrolager. I Sverige har vi redan vattenkraften vars elproduktion kan regleras efter behov och har i nuläget inget behov av hydrolager. Om produktionen av förnyelsebar energi däremot ökar kraftigt räcker kanske vattenkraften inte längre till och det kan bli aktuellt med hydrolager även här. Hydrolager placeras bäst på en plats där det antingen redan finns existerande sjöar med stor höjdskillnad eller där man kan bygga två helt konstgjorda reservoarer med en stor höjdskillnad, helst så rakt ovanför varandra som möjligt. Det senare alternativet blir dyrare men har en fördel i och med att man inte gör någon skada på befintliga vatten. En ytterligare 13

sak att ta med i beräkningen är var energikällan finns som man vill lagra energi från. Om man kan placera hydrolagret i direkt anslutning till energikällan kan förlusterna vid el-överföring minskas och effektiviteten ökas. Detta gör att ett havsbaserat hydrolager passar bäst för vågkraft och havsbaserade vindkraftfält. Helt konstgjorda hydrolager blir antagligen aktuella för områden med mycket sol, till exempel i öknar. Hydrolager med redan befintliga sjöar passar väldigt bra där det redan finns vanlig vattenkraft. Man bör också överväga vilken typ av dammbyggnad man väljer att använda sig av. En damm är en säkerhetsrisk då den kan brista vid överladdning eller undermålig konstruktion. En packad jord- eller stendamm blir billig att bygga, men en förstärkt sådan med asfaltkärna eller en murad damm kanske är säkrare? Detta blir extra viktigt om man väljer att bygga hydrolagret i områden med tät bebyggelse och kommer antagligen att få stor betydelse om pumpkraften byggs ut ännu mer storskaligt i framtiden. Att bygga två konstgjorda dammar kräver mycket naturresurser men med tanke på energilagrets livslängd blir resurskostnaden inte så stor. Däremot tar dammarna upp en stor yta och innebär borttagning av skog, grön- eller bostadsområden. För att bygga konstgjorda dammar krävs en stor mängd vatten vilket kan påverka ett område med brist på vatten negativt, men man skapar samtidigt en ny sjö där man kan plantera fiskar och som på andra sätt kan berika naturlivet i området. Då hydrolager anläggs i naturliga sjöar kan ekosystemet sättas i obalans genom uppdämning, till exempel riskerar fiskarter att dö ut vid kraftig variation på vattentillgång. Även om hydrolager är ett bra och långsiktigt energilagringsalternativ som passar för många användningsområden och i olika miljöer kommer enbart dessa inte att kunna möta framtidens alla energilagringsbehov. Det är därför viktigt att fortsätta utveckla andra lösningar och hitta fler långsiktiga och snabbstartade energilager. Svänghjul kan vara ett bättre alternativ för kortare lagringsbehov och batterier om en snabbare starttid krävs. Man kan också kombinera olika lösningar för att få en optimal lagring, ett hydrolager kan till exempel kompletteras med ett batteri eller annat snabbare energilager för att klara sig även från kortare strömavbrott. 14

Slutsats Energilagring i hydrolager är ett effektivt sätt att lagra energi storskaligt. Genom att lagra energi i hydrolager kan elen som produceras utnyttjas mer effektivt vilket bidrar till en mer hållbar energiförbrukning. Eftersom investeringen är stor bör särskild hänsyn tas till placering och konstruktionsteknik ur både ekonomisk-, säkerhets- och miljöaspekt. Man bör också överväga huruvida andra energilagringsalternativ kan vara lämpligare under de aktuella förutsättningarna. 15

Referenser [1] http://www.inf.uu.se/documents/energifysik1/vt2008/projects/windpower.pdf [2] C.Nordling och J.Österman, Physics handbook, Studentlitteratur, Lund, 2006 [3] http://www.sciencedirect.com/science?_ob=mimg&_imagekey=b8jh4-4vc747g-1-19&_cdi=43688&_user=651667&_orig=search&_coverdate=03%2f10%2f2009&_sk=9998 09996&view=c&wchp=dGLzVzzzSkzV&md5=05a0dc594f6e4da5e5ceaf95914ad541&ie=/sdarticle.pdf [4] http://en.wikipedia.org/wiki/pumped-storage_hydroelectricity [5] http://www.iupap.org/wg/energy/report-a.pdf [6] http://en.wikipedia.org/wiki/pumped-storage_hydroelectricity [7] http://en.wikipedia.org/wiki/dam [8] T. H. Douglas, Pumped storage, Institution of Civil Engineers, Great Britain, 1990. http://books.google.se/books?id=55qj6qs5slkc&pg=pa21&lpg=pa21&dq=pumped+storag e+plant&source=bl&ots=k7apgews6y&sig=xdhmzkjgof7d5nu7d9eqznfkdno&hl=sv&ei =ggu-syd7c4pt-aae2m3fba&sa=x&oi=book_result&resnum=10&ct=result#ppa1,m1 [9] http://www.china.org.cn/english/culture/139418.htm [10] http://www.andritz.com/hydro-media-media-center-large-hydro-goldisthal_en.pdf [11] http://www.walo.ch/english/projekte/aktuelle-projekte/damm-und-deponiebau/pswgoldisthal.html?itempcatid=60&isupercatid=50&iselectedproject= [12] www.kuhlins.com/umealven/juktan.html [13] http://en.wikipedia.org/wiki/dinorwig_power_station [14] http://www.fhc.co.uk/dinorwig.htm [15] http://www.engineering-timelines.com/scripts/engineeringitem.asp?id=771 [16]http://www.internationalpowerplc.com/ipr/investors/resultspresentations/rp2005/hydrosite 05/hydrosite05.pdf?t=popup [17] http://en.wikipedia.org/wiki/vlasina_lake [18] http://en.wikipedia.org/wiki/vlasina [19] http://myelab.net/~cane/vlasina.htm [20] http://purulia.gov.in/power/ppsp.html [21] http://www.nhpcindia.com/english/purulia-ps.htm 16

[22] Hydrolager - en hållbar energilösning? http://www.ab.lst.se/upload/dokument/publikationer/m/rapportserien/2006/remiss_vindkr aft_20060911_hela.pdf [23] http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/solenergi/article42948.ece [24] http://www.ifr.ing.tu-bs.de/forschung/downloads/papers/sustainable_energy_supply.pdf 17