양수식 수력 발전

Pumped-storage hydroelectricity
"Hydro-storage"는 여기서 리다이렉트 됩니다.다른 목적을 위한 물의 저장은 저수지를 참조한다.
미국 테네시주 라쿤마운틴 양수 저장 공장의 TVA 양수 저장 시설 다이어그램
미국 미주리주에 있는 타움사우크 양수 저장 공장의 음영 부조 토포 지도.산의 호수는 평지에 건설되어 있어 주변 전체에 댐이 필요합니다.

PSH(pumped-storage hydropled-storage) 또는 PHES(pumped-storage hydropectric energy storage)는 부하 밸런싱을 위해 전력 시스템에서 사용되는 수력발전 에너지 저장소의 일종입니다.이 방법은 낮은 고도에서 높은 고도로 펌핑되는 물의 중력 위치 에너지 형태로 에너지를 저장합니다.일반적으로 펌프 작동에는 저비용 잉여 오프피크 전력이 사용됩니다.전기 수요가 많은 기간 동안 저장된 물은 터빈을 통해 방출되어 전력을 생산합니다.펌핑 프로세스의 손실은 발전소를 전체적으로 에너지 순소비자로 만들지만, 시스템은 전기 가격이 가장 높은 피크 수요 기간 동안 더 많은 전기를 판매함으로써 수익을 증가시킵니다.만약 상층 호수가 상당한 양의 비를 모으거나 강에 의해 공급된다면, 그 발전소는 전통적인 수력 발전소의 방식으로 순수 에너지 생산원이 될 수 있다.

양수 저장 수력 전기는 간헐적 전원(태양광, 풍력 등) 및 기타 재생 에너지 또는 지속적인 기본 부하 전원(석탄 또는 원자력 등)의 잉여 전력을 수요가 [1][2]높은 기간 동안 절약할 수 있도록 한다.양수 저장소와 함께 사용되는 저수지는 유사한 전력 용량의 기존 수력 발전 댐에 비해 상당히 작으며, 발전 기간은 반나절 미만인 경우가 많다.

펌핑 스토리지는 지금까지 사용 가능한 그리드 에너지 스토리지 중 가장 큰 용량 형태이며, 2020년 현재 미국 에너지부 글로벌 에너지 스토리지 데이터베이스에 따르면 PSH는 전 세계 모든 활성 추적 스토리지 설치의 약 95%를 차지하고 있으며, 총 설치 처리량은 181GW 이상이며, 이중 약 29GW AR입니다.총 설치된 스토리지 용량은 1.6TWh 이상이며, [3]이 중 약 250GWh가 미국에 있습니다.PSH의 왕복 에너지 효율은 70% ~80%[4][5][6][7]이며, 일부 소스는 최대 87%[8]를 차지합니다.PSH의 주요 단점은 지리적 높이와 용수 가용성이 모두 필요한 현장의 전문가 특성이다.따라서 적절한 부지는 구릉 또는 산악지대에 있을 가능성이 높으며, 잠재적으로 자연 경관이 아름다운 지역에 있을 가능성이 높기 때문에 PSH는 사회 및 생태학적 문제에 취약하다.적어도 미국에서는 최근 제안된 많은 프로젝트들이 매우 민감하거나 경치가 좋은 지역을 피하고 있으며, 일부는 사용되지 [9]않는 광산 같은 "브라운필드" 장소를 이용할 것을 제안합니다.

개요

기본원칙

양수식 수력 발전 설비의 하루 동안의 배전.녹색은 펌핑 시 소비되는 전력을 나타내고 빨간색은 발전된 전력을 나타냅니다.

전기 수요가 적은 시간에는 과잉 생성 용량이 상부 저장소로 물을 펌핑하는 데 사용됩니다.수요가 높으면 터빈을 통해 물이 다시 저수지로 방출되어 전기를 발생시킵니다.가역식 터빈/발전기 어셈블리는 펌프 및 터빈 발전기 유닛(일반적으로 프란시스 터빈 설계)[10]의 역할을 합니다.가변 속도 작동은 펌핑 수력 저장 [11][12]플랜트의 왕복 효율을 더욱 최적화합니다.마이크로 PSH 애플리케이션에서는 펌핑 및 생성 [13]단계를 위해 펌프 그룹과 PAT(Pump As Turvine)를 각각 구현할 수 있다.회전 방향과 [13]속도를 변경하여 두 모드에서 동일한 펌프를 사용할 수 있습니다. 펌핑의 작동 지점은 일반적으로 PAT 모드의 작동 지점과 다릅니다.

종류: 천연 또는 인공 저수지

개방 루프 시스템에서 순수 펌프 저장 플랜트는 자연 유입이 없는 상부 저수지에 물을 저장하는 반면, 펌프 백 플랜트는 하천이나 강에서 자연 유입으로 부분적으로 보충되는 상부 저수지와 기존 수력발전소의 조합을 활용한다.펌프를 사용하지 않는 발전소는 기존의 수력발전소라고 불리며, 상당한 저장용량을 가진 기존의 수력발전소는 필요할 때까지 출력을 지연시킴으로써 펌프를 이용한 저장소와 유사한 역할을 전기 그리드에서 수행할 수 있다.

경제 효율

노출된 수면에서 발생하는 증발 손실과 변환 손실을 고려하면 70–80% 이상의 에너지 [14]회수가 가능하다.이 기술은 현재 많은 양의 전기 에너지를 저장하는 가장 비용 효율적인 수단이지만, 양수 저장 플랜트 부지를 선택할 때 자본 비용과 적절한 지리적 유무는 중요한 결정 요소이다.

펌핑 스토리지 시스템의 에너지 밀도는 상대적으로 낮기 때문에 큰 흐름 및/또는 저장소 간 높이 차이가 필요합니다.상당한 양의 에너지를 저장하는 유일한 방법은 상대적으로 가깝지만 가능한 한 높은 곳에 두 번째 수역을 배치하는 것입니다.어떤 곳에서는 자연적으로 이러한 현상이 발생하기도 하고, 다른 곳에서는 한 쪽 또는 두 쪽 수역이 모두 인공수역이었다.두 저수지가 모두 인위적이고 어느 저수지에 자연적인 유입이 없는 프로젝트를 "폐쇄 루프"[15] 시스템이라고 한다.

이러한 시스템은 전력 그리드의 부하 변동을 평탄화함으로써 석탄 화력발전소와 원자력발전소와 같은 화력발전소가 피크 효율로 계속 가동할 수 있도록 하고 동시에 동일한 연료를 사용하는 "피킹" 발전소의 필요성을 감소시키기 때문에 경제적일 수 있다.rmal 플랜트, 가스 및 석유는 최대 효율이 아닌 유연성을 위해 설계되었습니다.따라서 펌핑 스토리지 시스템은 이기종 발전기의 대규모 그룹을 조정할 때 매우 중요합니다.펌핑 스토리지 플랜트의 자본 비용은 비교적 높지만, 이는 검증된 수십 년의 긴 수명을 통해 다소 완화되며, 경우에 따라서는 유틸리티 스케일 배터리보다 3~5배 긴 [16][17]수명에 의해 완화됩니다.전기 가격이 마이너스가 되면 펌핑 하이드로 운영자는 두 배의 수익을 얻을 수 있습니다. 즉, 물을 상부 저장소로 "구매"하여 음의 현물 가격으로 펌핑할 때와 나중에 가격이 높을 때 전기를 판매할 때 두 배의 수익을 올릴 수 있습니다.

북웨일스에 있는 Fefestiniog 양수 저장 계획의 상부 저수지(Lyn Stwlan)와 댐.저전력 발전소에는 4개의 수력 터빈이 있어 필요 발생 후 60초 이내에 360MW의 전력을 생산합니다.

에너지 관리와 함께 펌핑 스토리지 시스템은 전기 네트워크 주파수를 제어하고 예비 전력을 제공하는 데 도움이 됩니다.화력발전소는 전력 수요의 급격한 변화에 대한 대응 능력이 훨씬 떨어지기 때문에 잠재적으로 주파수와 전압의 불안정성을 야기할 수 있습니다.다른 수력발전소와 마찬가지로 양수저장소는 부하 변화에 몇 초 안에 반응할 수 있다.

펌핑 스토리지의 가장 중요한 용도는 전통적으로 베이스로드 발전소의 균형을 유지하는 것이었지만 간헐적 에너지원의 변동적인 출력을 줄이는 데에도 사용될 수 있습니다.펌핑 스토리지는 높은 전력 출력과 낮은 전력 수요 시 부하를 제공하여 시스템 피크 용량을 추가할 수 있습니다.특정 국가에서는 전기요금을 흡수할 수 있는 부하보다 더 많은 발전량이 있는 경우 전기요금이 0에 가깝거나 때로는 마이너스에 가까울 수 있다. 비록 현재 이는 풍력이나 태양광 발전만으로 인한 경우가 거의 없지만, 풍력 및 태양광 발전 증가는 이러한 발생 가능성을 증가시킬 것이다.특히 [citation needed]양수식 저장장치는 매우 큰 규모의 태양광 [18]발전의 균형으로서 특히 중요해질 것이다.상당한 양의 에너지 저장소와 결합된 장거리 전송 용량은 간헐적 재생 가능 [19]전력원의 대규모 배치를 규제하는 데 있어 중요한 부분이 될 것이다.일부 지역의 높은 비확정 재생 전력 보급률은 연간 생산량의 40%를 제공하지만, 추가 저장소가 [20][21][22]필요하기 전에 60%에 도달할 수 있다.

소규모 시설

소규모의 펌핑 스토리지 플랜트에서는, 대규모와 같은 규모의 경제를 실현할 수 없지만, 독일의 최근 13 MW프로젝트를 포함한 일부의 펌핑 스토리지 플랜트가 존재합니다.Shell Energy는 워싱턴주에 5MW 프로젝트를 제안했다.일부는 건물에 소형 양수 저장 설비를 제안했지만,[23] 아직 경제성은 높지 않다.또한 대규모 저수지를 도시 [23]경관에 배치하는 것도 어렵습니다.그럼에도 불구하고 일부 저자는 중요한 외부 [23]효과로서 기술적 단순성과 물 공급의 보안을 옹호한다.

역사

양수 저장고는 1907년 스위스 [24][25]샤프하우젠 인근의 Engeweiher 양수 저장 시설에서 처음 사용되었습니다.1930년대에 가역 수력 발전 터빈을 사용할 수 있게 되었다.이러한 터빈은 터빈 발전기와 전기 모터 구동 펌프로 모두 작동할 수 있다.최신 대규모 엔지니어링 기술은 효율을 높이기 위한 가변 속도 기계입니다.이러한 기계는 생성 시 네트워크 주파수와 동기화하여 작동하지만 펌핑 시 비동기(네트워크 주파수와 무관)로 작동합니다.

미국에서 양수 저장고는 1930년 코네티컷 전기 전력회사가 코네티컷 주 뉴 밀포드 근처에 위치한 대규모 저수지를 사용하여 하우사토닉 강에서 70m(230ft) 위의 [26]저수지로 물을 퍼올렸다.

전 세계 사용

다음 항목도 참조하십시오.미국 에너지부 글로벌 에너지 스토리지 데이터베이스
리투아니아 크루오니스 양수장

2009년 세계 펌핑 스토리지 생성 용량은 104GW였지만,[27] 다른 공급원은 127GW로 모든 유형의 유틸리티급 전기 [28]저장소의 대부분을 차지하고 있습니다.EU는 총 140GW의 수력 발전량 중 38.3GW(세계 발전량의 36.8%)로 EU 내 총 전력 용량의 5%를 차지하고 있으며, 일본은 25.5GW(세계 [27]발전량의 24.5%)를 차지하고 있다.

2010년 미국의 펌핑 스토리지 생성 용량은 21.5 GW(세계 [29]용량의 20.6%)였습니다.PSH는 미국에서 2020년에 21,073GWh의 에너지를 제공했지만,[30] 펌핑에서 발생하는 에너지보다 더 많은 에너지가 소비되기 때문에 -5,321GWh(순)를 차지했다.2014년까지 명판 펌핑 스토리지 용량은 21.6GW로 증가했으며, 펌핑 스토리지는 미국 그리드 규모 에너지 스토리지의 97%를 차지합니다.2014년 말 현재, 미국에서 새로운 양수 저장 수력발전소에 대한 FERC 인허가 프로세스의 모든 단계에 걸쳐 총 39GW의 새로운 명판 용량을 가진 51개의 활성 프로젝트 제안이 있었지만,[31][32] 당시 미국에서는 새로운 발전소가 건설 중에 있지 않았다.

가동 중인 최대 5개의 펌핑 저장 플랜트는 다음과 같습니다(자세한 목록은 펌핑 저장 수력발전소 목록 참조).

역. 나라 위치 최대 발전 용량(MW) 스토리지 용량(GWh) 참조
펑닝 양수 발전소 중국 41°39, 58°N 116°31°44°E/41.66611°N 116.52889°E/ 41.66611, 116.52889(펜닝 양수식 발전소) 3,600 약 40 [33]
배스 카운티 양수 저장소 미국 38°12°32°N 79°48′00″w/38.20889°N 79.80000°W/ 38.14089; -79.800(배스 카운티 양수 저장소) 3,003 24 [34]
광둥 양수 발전소 중국 23°45′52″n 113°57°12°E/23.76444°N 113.95333°E/ 23.76444; 113.95333(광저우 양수 저장 발전소) 2,400 [35][36]
후이저우 양수 발전소 중국 23°16°07°N 114°18°50°E/23.26861°N 114.31389°E/ 23.26861; 114.31389(후이저우 양수 발전소) 2,400 [37][38][39][40]
오쿠타타라기 양수장 일본. 35°14°13°N 134°49′55″e/35.23694°N 134.83194°E/ 35.23694, 134.83194(오쿠타타라기 수력발전소) 1,932 [41]
Ludington 양수 저장 발전소 미국 43°53°37°N 86°26′43″w/43.89361°N 86.44528°W/ 43.89361; -86.44528(루딩턴 양수 저장 발전소) 1,872 [42][43]
주의: 이 표는 발전소의 통상적인 발전용량을 메가와트 단위로 나타낸 것입니다.그러나 전체 에너지 저장 용량(MWh)은 다른 고유 특성이며 위의 그림에서 도출할 수 없습니다.
2017년 최대[44] 전력 펌프 저장 수력 용량 보유국
나라 펌핑 스토리지
발전 용량
(GW)		 총 설치 수
발전 용량
(GW)[45]		 펌핑 스토리지/
총생성
용량.
중국 32.0 1646.0 1.9%
일본. 28.3 322.2 8.8%
미국 22.6 1074.0 2.1%
스페인 8.0 106.7 7.5%
이탈리아 7.1 117.0 6.1%
인도 6.8 308.8 2.2%
독일. 6.5 204.1 3.2%
스위스 6.4 19.6 32.6%
프랑스. 5.8 129.3 4.5%
오스트리아 4.7 25.2 18.7%
대한민국. 4.7 103.0 4.6%
포르투갈 3.5 19.6 17.8%
우크라이나 3.1 56.9 5.4%
남아프리카 공화국 2.9 56.6 5.1%
영국 2.8 94.6 3.0%
호주. 2.6 67.0 3.9%
러시아 2.2 263.5 0.8%
폴란드 1.7 37.3 4.6%
태국. 1.4 41.0 3.4%
불가리아 1.4 12.5 9.6%
벨기에 1.2 21.2 5.7%

호주.

2018년 6월 호주 연방 정부는 태즈메이니아에서 펌핑 스토리지 하이드로 14개 사이트가 확인되었으며 4.8개가 추가될 가능성이 있다고 발표했습니다.배스 해협 아래에 두 번째 인터커넥터가 건설된 경우 국가 그리드에 대한 GW.

스노우 2.0 프로젝트는 뉴사우스웨일스 스노우 마운틴에 있는 두 개의 기존 댐을 연결하여 2,000MW의 용량과 350,000MWh의 [46]저장 공간을 제공하는 것으로 승인되었습니다.

펌프백 수력 발전 댐

기존 수력 발전 댐은 댐 아래로 펌핑된 물을 저장할 뿐만 아니라 저수지로 자연스럽게 유입되는 물로부터 전력을 생산하는 하이브리드 시스템의 펌프식 저장 장치를 사용할 수도 있다.미국의 그랜드 쿨리 댐은 1973년 [47]펌프백 시스템과 함께 확장되었다.기존 댐은 후진 터빈으로 전력을 재공급할 수 있어 발전소가 최대 용량으로 가동할 수 있는 시간을 연장할 수 있다.선택적으로 Russell Dam(1992)과 같은 펌프백 발전소를 발전용량 증대를 위해 댐에 추가할 수 있다.기존 댐의 상부 저수지와 송수 시스템을 활용하면 프로젝트를 가속화하고 비용을 절감할 수 있습니다.

2019년 1월 중국 국가 그리드사는 허베이성, 지린성, 저장성, 산둥성, 신장자치구에 위치하는 총 6GW 용량의 5개 양수 발전소에 57억 달러를 투자할 계획을 발표했다.중국은 [48]2020년까지 40GW의 양수능력을 건설하는 방안을 추진 중이다.

잠재적인 테크놀로지

해수

양수 저장소는 바닷물로 작동할 수 있지만, 소금물 부식 및 따나클 [49]성장과 같은 민물 사용에 비해 추가적인 어려움이 있습니다.1966년에 문을 연 프랑스의 240MW 랑스 조력발전소는 부분적으로 양수 저장소로 작동할 수 있다.비수기 시간에 만조가 발생하면 터빈을 사용하여 만조가 자연적으로 유입되는 것보다 더 많은 바닷물을 저수지로 펌핑할 수 있습니다.그것은 이런 종류의 유일한 대규모 발전소이다.

1999년 오키나와에서 30MW의 양수장 프로젝트가 처음으로 해수 양수창고를 시연했다.그 후 해체되었다.300 MW 해수 기반 Lanai Pumped Storage Project는 하와이의 Lanai에 대해 검토되었으며,[50] 아일랜드에서는 해수 기반 프로젝트가 제안되었습니다.칠레 북부의 아타카마 사막에서 제안된 프로젝트 쌍에는 해안 [51][52]절벽 위로 600m(2,000ft)의 바닷물을 끌어올리는 300MW의 양수 저장고(Tarapaca의 거울)와 함께 600MW의 태양광 발전 태양 에너지(Tarapaca의 스키)를 사용할 것이다.

지하 저수지

지하 저장소의 사용이 [53]조사되었다.최근의 예로는 오하이오주 노턴에서 제안된 서밋 프로젝트, 켄터키에서 제안된 메이스빌 프로젝트(지하 석회암 광산), 그리고 하부 저수지로 이전 철광산을 사용하기로 한 뉴저지의 마운트 호프 프로젝트가 있다.피헤야르비(핀란드)의 칼리오 현장에 제안된 에너지 저장소는 1,450m(4,760ft)[54]의 표고 차이를 가진 유럽에서 가장 깊은 비금속 광산을 이용할 것이다.몇 가지 새로운 지하 펌핑 스토리지 프로젝트가 제안되었습니다.기존 지하 광산 공간을 사용하는 경우 이러한 프로젝트의 킬로와트당 비용은 지표면 프로젝트보다 낮아질 수 있습니다.적절한 지하 공간과 관련된 기회는 제한적이지만, 폐탄 광산이 [55]적합하다고 판명되면 지하 양수 저장 기회가 증가할 수 있다.

호주 빅토리아주 벤디고의 Bendigo Sustainability Group은 Bendigo 산하의 오래된 금광을 양수 에너지 저장소로 [56]사용할 것을 제안했습니다.벤디고는 19세기 후반 벤디고 지하에 5,000개 이상의 갱도가 가라앉아 세계에서 가장 깊은 갱도 경암 광산이 밀집해 있습니다.가장 깊은 샤프트는 수직으로 지하 1,406미터까지 뻗어 있습니다.최근 사전 실현 가능성 연구에 따르면 이 개념은 30MW의 발전 용량과 750m 이상의 수두를 사용한 6시간의 가동 시간으로 실행 가능한 것으로 나타났다.

미국의 신생 기업인 퀴드넷에너지는 폐유정과 가스정을 양수 저장용으로 사용하여 탐사하고 있습니다.만약 성공한다면,[57][58] 그들은 미국에 있는 300만 개의 버려진 우물 중 많은 혹은 대부분을 사용할 수 있도록 확장할 수 있기를 희망하고 있다.

양수 저장용 소형(또는 마이크로) 애플리케이션은 하천과 식수 네트워크[59] 및 인공 제설 인프라와 같은 인프라 내에 구축될 수 있습니다.이와 관련하여 빗물 분지는 마이크로 펌핑 수력 에너지 [13]저장소의 저수지에 대한 비용 효율적인 솔루션으로 구체적으로 구현되었다.이러한 발전소는 분산된 에너지 저장소와 분산된 유연한 전기 생산을 제공하며, 풍력 및 태양광과 같은 간헐적 재생 에너지 기술의 분산적 통합에 기여할 수 있다.소형 양수식 수력발전소에 사용할 수 있는 저수지에는 자연호수나 인공호수, 관개 등 다른 구조물 내 저수지, 광산 또는 지하 군사시설 중 사용되지 않은 부분이 포함될 수 있다[60].스위스의 한 연구는 적절한 정책 수단을 제공함으로써 2011년 소형 양수 저장 수력발전소의 총 [60]설치 용량을 3배에서 9배까지 증가시킬 수 있다고 제안했다.

상세 정보:바다에 저장된 에너지

2017년 3월, 연구 프로젝트 StenSea(바다 저장 에너지)는 양수 저장소의 4주 테스트를 성공적으로 완료했다고 발표했습니다.이 구성에서는 깊은 곳에 잠기고 고정된 중공 구체가 하부 저수지로 기능하는 반면 상부 저수지는 둘러싸인 수역입니다.전기는 물이 구에 통합된 가역 터빈을 통해 유입될 때 생성됩니다.비수기 시간에는 터빈이 방향을 바꿔 그리드의 "여유" 전기를 사용하여 물을 다시 내보냅니다.물이 유입될 때 생성되는 힘의 양은 구 위에 있는 물기둥의 높이에 비례하여 증가한다. 다시 말해, 구체가 더 깊이 위치할수록, 더 조밀하게 에너지를 저장할 수 있다.이와 같이 물에 잠긴 저장소의 에너지 저장 용량은 전통적인 의미의 중력 에너지가 아니라 수직 압력 변화에 의해 좌우됩니다.

StenSea의 실험은 담수 Constance 호수 수심 100m에서 이루어졌지만, 이 기술은 더 깊은 바닷물에서 사용될 것으로 예상된다.수중 저장조는 연결 전기 케이블만 필요하기 때문에 사용할 수 있는 깊이는 터빈이 작동할 수 있는 깊이에 의해서만 제한되며, 현재는 700m로 제한됩니다.이러한 수중 구성에서 해수 펌핑 저장소를 설계해야 하는 과제는 다음과 같은 다양한 이점을 가져옵니다.

  • 없습니다.
  • 는, 필요가 없습니다.
  • 이 존재하는 여러 는 저장 을 제한없이 할 수 있습니다.
  • 붕괴될 , 그 결과는 이다.
  • 효율에 을 주지 .
  • 저수지와 그리드 사이의 전기 송신은 인근 해상 풍력 발전소에서 확립할 수 있으며, 송전 손실을 제한하고 육상 케이블 접속 허가의 필요성을 방지할 수 있다.

내부 직경이 30m에서 700m까지 잠긴 구를 특징으로 하는 현재의 상업 디자인은 5MW 터빈의 경우 4시간의 방전 시간으로 이어지는 20MWh 용량에 해당한다.이러한 저장소가 여러 개 있는 에너지 파크는 kW당 €1,200 ~ €1,400 범위의 건설 및 장비 비용과 함께 저장 비용을 kWh당 수 유로센트까지 증가시킵니다.과도한 방류 비용과 손실을 방지하기 위해 저수지는 노르웨이, 스페인, 미국 및 일본 등 인구 밀집 지역의 심해 연안 지역에 배치해야 한다.이러한 제한으로 인해 이 개념은 900 [61][62]GWh에 가까운 전 세계 전력 저장을 허용합니다.

비교를 위해 30m 구면 크기의 저수지에 20MWh를 저장할 수 있는 기존의 중력 기반 펌프 저장소는 일반적으로 언덕이나 산이 필요한 가압된 수도관에 의해 경사가 벌어진 519m의 유압 헤드가 필요합니다.

★★★★★

피코 하이드로(pico hydro)는 탱크와 소형 발전기로 구성된 펌프 저장 시스템을 사용하여 "폐쇄 루프" 가정용 에너지 생성 [63][64]시스템에도 효과적일 수 있습니다.

유압 파쇄 압력을 사용하면 셰일과 같은 지층의 지하에 저장될 수 있습니다.사용된 셰일에는 [65]탄화수소가 포함되어 있지 않습니다.

「」도 .

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