Elektrownie szczytowo-pompowe – idealny magazyn energii?

W czasie nadprodukcji energii z OZE oraz jej marnowania, elektrownie szczytowo-pompowe jawią się jako wybawienie z tej sytuacji. Czy tak jest w rzeczywistości i czy obecnie inwestycja w tego typu projekty jest opłacalna? Jeśli nie, to jaka jest alternatywa? Sprawdźmy to w dzisiejszym artykule, kontynuującym omawianie różnych rodzajów elektrowni.

Spis treści:

1. Czym są elektrownie szczytowo-pompowe?
2. Jak działają elektrownie szczytowo-pompowe?
3. Zalety elektrowni szczytowo-pompowych
4. Wady elektrowni szczytowo-pompowych
5. Polskie elektrownie szczytowo-pompowe
6. Czy inwestycja w elektrownie szczytowo-pompowe jest opłacalna?
7. Podsumowanie

Czym są elektrownie szczytowo-pompowe?

Elektrownie szczytowo-pompowe w skrócie ESP to olbrzymie konstrukcje pełniące dwie podstawowe funkcje. Nazwa sugeruje, że są to przede wszystkim elektrownie. Jednak w rzeczywistości funkcja ta jest, moim zdaniem, mniej ważna niż możliwość magazynowania energii. O tym aspekcie opowiem nieco dokładniej w dalszej części artykułu. ESP jest jednym z rodzajów elektrowni wodnych. Szczegółowy podział rodzajów elektrowni opisałam w artykule pt. Rodzaje elektrowni.

Mimo ogromnych rozmiarów takiej elektrowni, jej budowa nie jest nadmiernie skomplikowana. Głównymi elementami są dwa zbiorniki wodne – górny i dolny. W zależności od tego, z jakimi zbiornikami mamy do czynienia, wyróżniamy dwa rodzaje elektrowni szczytowo-pompowych:

• elektrownie z obiegiem zamkniętym – zarówno zbiornik dolny jak i górny są niezależne od zewnętrznych dopływów wody i nie są połączone z żadną rzeką,
• elektrownie z pętlą otwartą – jeden ze zbiorników ma ciągły dostęp do rzeki .

Pozostałe składowe, bez których elektrownie szczytowo-pompowe nie będą działały to: turbiny wytwarzające energię elektryczną, system rur i kanałów do transportu wody między zbiornikami, pompy do wymuszenia przepływu wody ze zbiornika niższego do wyższego.

Między oboma zbiornikami musi być naturalna różnica wysokości. Dlatego przeważnie lokalizuje się je w wyżynnych rejonach kraju. Kto by pomyślał 😉 Niemniej nie musi to być reguła. Dlatego też w Polsce znajdziemy taką elektrownię na Pomorzu. Bo czemu by nie? Natomiast nieprawdą jest twierdzenie, że Polska jest zbyt płaskim krajem do lokowania elektrowni szczytowo-pompowych, a ich budowa jest pozbawiona sensu. Postaram się to udowodnić.

Jak działają elektrownie szczytowo-pompowe?

Sposób działania elektrowni szczytowo-pompowych jest banalnie prosty. Opiera się on na sile grawitacji. Woda z górnego zbiornika zostaje spuszczona do dolnego. Po drodze natrafia na system turbin i generatorów, które przekształcają energię spadającej wody w energię elektryczną. Jednak po jakimś czasie wody w górnym zbiorniku może zabraknąć (jeśli oczywiście nie jest on połączony z rzeką). Wtedy jest ona pompowana ze zbiornika dolnego do górnego z wykorzystaniem energii elektrycznej.

Jaki w takim razie jest sens, żeby zużywać energię na pompowanie wody w górę, aby ją później odzyskać w procesie odwrotnym? Otóż tu właśnie kryje się przewaga elektrowni szczytowo-pompowej nad innymi elektrowniami wodnymi. Bilansuje ona energię elektryczną w systemie, co jest szczególnie istotne w aspekcie wzrastającego udziału OZE w rynku wytwórczym. W momentach, kiedy występuje nadprodukcja energii elektrycznej (np. w wietrzny i słoneczny dzień) lub gdy spada zapotrzebowanie na nią, jej nadmiar wykorzystany jest do wpompowania wody do górnego zbiornika. Natomiast kiedy w systemie brakuje mocy, woda zostaje spuszczona do dolnego zbiornika i następuje produkcja energii elektrycznej. Oznacza to, że elektrownie szczytowo-pompowe pełnią w systemie funkcję magazynu energii.

Sprawność systemu wynosi 70-80%. Obyci z tematem zauważą, że jest to mniej niż dla współczesnych magazynów energii opartych na akumulatorach. Jednak elektrownia może służyć znacznie dłużej niż magazyn energii oraz zmagazynuje więcej energii. Pozostałe zalety – w następnym punkcie. Zdolność magazynowa zależy od wielkości zbiorników. Natomiast ilość wytwarzanej energii wyznacza mocy turbiny.

Bardzo często słyszę, że elektrownia szczytowo-pompowa jest źródłem zielonej, czystej energii. Nie jest to – moim zdaniem – do końca prawda. Sama energia wytworzona w elektrowni jest co prawda zielona. Natomiast energia zużyta do podniesienia wody między zbiornikami może pochodzić z dowolnego źródła, także z elektrowni typowo „niezielonych”.

Zalety elektrowni szczytowo-pompowych

Skoro podstawy tej technologii mamy za sobą, pora zastanowić się, jakie są jej zalety. Jest ich całkiem sporo:

• zielona bateria – w dzisiejszych czasach magazynowanie energii staje się niemal must have. Szczególnie biorąc pod uwagę rosnący udział OZE w całkowitym bilansie energetycznym. Baterii akumulatorowych stosowanych w zwykłych magazynach nie da się zastosować na tak olbrzymią skalę, żeby zapewniły podobne magazynowanie jak elektrownie szczytowo-pompowe. Szerzej o magazynach energii pisałam w artykule pt. Magazyny energii. Ponadto nie będziemy tu mieli do czynienia z późniejszą utylizacją baterii oraz pozyskiwaniem znacznych ilości metali ziem rzadkich.

• długa żywotność i niskie koszty eksploatacji – szacuje się, że elektrownie szczytowo-pompowe mogą przepracować około 100 lat. Dodatkowo prace serwisowe są minimalne. Te dwie dane wpływają na wypadkowe koszty eksploatacji infrastruktury.

• elastyczne źródło energii – możliwość dowolnej regulacji przepływu wody między zbiornikami oraz bardzo krótki czas rozruchu elektrowni czynią ją niezmiernie elastyczną. Jest to szczególnie ważne we współpracy z niestabilnymi źródłami energii, jakimi są elektrownie słoneczne i wiatrowo. Mało elastycznymi źródłami są natomiast elektrownie konwencjonalne – węglowe, również gazowe i atomowe. Elastyczność ma w tym przypadku jeszcze jedną zaletę. Pozwala produkować energię w krótkich oknach czasowych, np. kiedy jest ona najdroższa lub zapotrzebowanie na nią jest największe.

• minimalny wpływ na środowisko – elektrownia szczytowo-pompowa w trakcie eksploatacji nie generuje szkodliwych substancji do otoczenia, w przeciwieństwie do elektrowni konwencjonalnych. Pozbawiona jest również odpadów poprodukcyjnych. Jedyne oddziaływanie na środowisko występuje w momencie budowy. Może też wpływać na ichtiofaunę (szerzej w kolejnym punkcie).

• dodatkowe walory turystyczne – zbiorniki elektrowni nie muszą służyć jedynie do celów energetycznych. Ze względu na swoje duże rozmiary (szczególnie górne zbiorniki), można je wykorzystać np. do celów rekreacyjnych i turystycznych.

• ochrona przeciwpowodziowa – zbiorniki umożliwiają retencję wody. Nie jest może ona tak olbrzymia i jednocześnie darmowa jak w przypadku mokradeł (o czym pisałam zresztą w artykule pt. Mokradła, bagna i torfowiska), mimo wszystko może być pomocna w przypadku suszy oraz powodzi. Ze względu na niezbędną różnicę wysokości zbiorników, elektrownie lokalizuje się przeważnie w wyżynnych rejonach kraju. Tam też prędkość wzbierania wody oraz zagrożenie powodziowe jest największe – o czym zresztą świadczy powódź z września 2024 r.

Wady elektrowni szczytowo-pompowych

Żeby po ostatnim punkcie nie zrobiło się za różowo, pora dołożyć łyżkę dziegciu do tego miodu. Powiedzmy sobie więc trochę o wadach elektrowni szczytowo-pompowych:

• wysokie koszty początkowe – mimo, iż eksploatacja instalacji należy do tanich, nie jest tak z kosztami początkowymi. Rzadko udaje się znaleźć istniejące dwa naturalne zbiorniki wodne, o odpowiedniej wielkości, położone na wystarczającej różnicy wysokości. Dlatego potrzebne są nakłady finansowe na odpowiednie dostosowania lub wykonanie sztucznych zbiorników. Do tego dochodzą jeszcze koszty sztolni, rur przepompowych, turbin, sterowni obiektu, itp. Mimo wszystko te koszty i tak są niższe, niż przy budowie np. elektrowni atomowej.

• ujemny bilans energetyczny – wcześniej wspominałam już, że sprawność elektrowni szczytowo-pompowych wynosi 70-80% . Oznacza to, że w całkowitym cyklu przemian energetycznych, część energii jest tracona. Więcej energii jest zużywane na proces wpompowywania wody do górnego zbiornika, niż jest uzyskiwana w procesie odwrotnym.uzależnienie od klimatu i pogody – niedobór wody i susza mogą wpłynąć negatywnie na produkcję energii elektrycznej z elektrowni. Zbyt gorący klimat lub przedłużające się upały zwiększają parowanie wody, a więc mogą obniżyć zdolności wytwórcze.

• wpływ na ekosystem – grodzenie wody jakąkolwiek tamą, a to ma miejsce np. w przypadku instalacji z pętlą otwartą, wpływa na mieszkające w wodzie zwierzęta, szczególnie ryby. Blokowane są ich szlaki migracyjne. Ponadto sztuczne połączenia między istniejącymi zbiornikami naturalnymi potencjalnie może wprowadzić do środowiska obcych gatunków.

• pogorszenie jakości wody – sztuczne zbiorniki wodne mogą prowadzić do pogorszenia jakości wody. Zaburzeniu ulega także przepływ wody. Wpływa to na stan wód położonych poniżej elektrowni szczytowo-pompowej. Są one mniej natlenione niż byłyby bez tych instalacji.

Polskie elektrownie szczytowo-pompowe

Czy w Polsce działają już elektrownie szczytowo-pompowe? Oczywiście, że tak. Inaczej nie zadawałabym tego pytania 😉 W chwili obecnej funkcjonuje 6 elektrowni o łącznej mocy około 1,9 GW. Planowane są kolejne 4 instalacje o mocy 3 GW. Oto lista naszych obiektów wraz z najważniejszymi informacjami o nich:

• Żarnowiec – największa polska elektrownia szczytowo-pompowa. Dysponuje mocą 780 MW oraz pojemnością na poziomie 3,8 GWh. Została wybudowana w 1983 r., a w 2009 r. przeszła modernizację. Planowana jest jej dalsza rozbudowa. Instalacja położona jest w województwie Pomorskim, co jest dobitnym przykładem, że elektrownie tego typu nie muszą być budowane na obszarach wyżynnych i górskich.

• Porąbka-Żar – jej moc wynosi około 550 MW przy jednoczesnej pojemności nieco powyżej 2 GWh. Powstała w 1979 r.
• Solina – położona na rzece San w Bieszczadach. Po modernizacji ma moc 200 MW. Należy do Zespołu Elektrowni Wodnych Solina-Myczkowce składającego się z 4 hydrozespołów. Pierwsze koncepcje instalacji pojawiły się już w latach 20-tych XX w.
• Żydowo – po modernizacji z 2013 r. może się pochwalić mocą 167 MW oraz magazynowaniem na poziomie 0,7 GWh. Instalacja zlokalizowana jest w województwie zachodniopomorskim.
• Niedzica – najmłodsza w naszym zestawieniu elektrownia. Powstała w 1997 r. Jest częścią Zespołu Elektrowni Wodnych Niedzica składającego się z czterech elektrowni wodnych: elektrownia szczytowo-pompowa Niedzica, elektrownia przepływowa Sromowce Wyżne oraz elektrownie Łączany i Smolice. Spad wody to około 50 m.

• Dychów – wchodzi w skład Zespołu Elektrowni Wodnych Dychów. Została wybudowana w 1936 r., co czyni ją najstarszą działającą do dziś elektrownią szczytowo-pompową w Polsce. Ma moc około 90 MW.

W planach są jeszcze cztery elektrownie szczytowo-pompowe:

• Młoty (powiat kłodzki) – jej budowa została już rozpoczęta w 1972 r., jednak w latach 80-tych prace wstrzymano. Dlatego w trakcie budowy można wykorzystać istniejącą już infrastrukturę. Planowana moc ma wynieść 750 MW.
• Jawor (powiaty leski i bieszczadzki) – docelowa moc to 520 MW.
• Kadyny/Tolkmicko (powiat elbląski) – to największa z planowanych elektrowni. Jej moc ma wynieść aż 1040 MW, z kolei magazynowanie  – 12 GWh.
• Rożnów II – inwestycja ma powstać w województwie małopolskim. Projektowana moc to 700 MW, natomiast magazynowanie będzie na poziomie 3,5 GWh.

Poniższa mapka przedstawia lokalizację istniejących i planowanych elektrowni-szczytowo pompowych w Polsce.

Czy inwestycja w elektrownie szczytowo-pompowe jest opłacalna?

Wreszcie doszliśmy do tematu opłacalności. Jak z nią w końcu jest? Biorąc pod uwagę wzrastający poziom udziału fotowoltaiki i energetyki wiatrowej w bilansie energetycznym kraju, budowanie elektrowni szczytowo-pompowych jest wręcz obowiązkowe. W ostatnim czasie wiele było sytuacji (o czym zresztą poczytasz w materiale pt. Patologie polskiej energetyki [link]), w których mieliśmy nadprodukcję energii elektrycznej. Remedium okazało się albo odsprzedawanie energii krajom sąsiednim (tak, za oddawany prąd jeszcze płaciliśmy), albo wyłączanie farm wiatrowych i PV. Jednocześnie elektrownie węglowe działały z pełną mocą, ponieważ ich wyłączenie lub ograniczenie wytwarzania przez nie energii jest bardzo trudne i nieopłacalne.

Sytuacja taka jest całkowicie pozbawiona sensu i szkodliwa dla systemu. Jedynym sensownym remedium jest instalowanie magazynów energii. Piszę sensownym, ponieważ wiem, że zaraz odezwą się głosy mówiące, że najlepiej w ogóle zaniechać inwestycji w OZE i nastawić naszą energetykę na węgiel i atom. Moi drodzy, żyjemy w XXI w. Czy Wam się to podoba, czy nie OZE stanowi jedno z energetycznych źródeł przyszłości. Natomiast wracając do meritum – magazynów energii zdolnych do magazynowania tak olbrzymich ilości energii, o jakich mówimy w skali kraju, nie da się wybudować jedynie w oparciu o systemy akumulatorowe. Jedyną alternatywą są właśnie elektrownie szczytowo-pompowe.

Słyszę jednocześnie narzekania ekologów widzących zagrożenie dla ekosystemu. Takie same argumenty przyświecały im w trakcie protestów przeciwko budowie zbiorników retencyjnych w wyżynnych partiach kraju. Zbiorników nie zbudowano, a ostatnia powódź zalała wsie i miasta oraz te cenne ekosystemy. Dlatego postuluję o racjonalizm.

Jeśli natomiast chodzi o kwestie finansowe, to zwrot poniesionych nakładów zależy od wielu czynników, m.in. kosztów budowy, kosztów operacyjnych, cen energii i źródeł finansowania. Przyjmuje się jednak, że okres zwrotu wynosi przeważnie od 10 do 20 lat. Biorąc pod uwagę żywotność instalacji, to wychodzi to na duży plus. Dodatkowo jeśli elektrownia będzie zapobiegała drogiej odsprzedaży prądu oraz pozwoli zwiększyć udział OZE w ogólnym bilansie, zwrot inwestycji będzie jeszcze szybszy.

Podsumowanie

Wiem, że w kwestii elektrowni szczytowo-pompowych społeczeństwo jest spolaryzowane, tak samo jak czytelnicy tego artykułu. I dobrze. Najważniejsze natomiast, żeby umieć (sensownie) uzasadnić swoje zdanie. Do czego zresztą zachęcam w sekcji komentarzy. Niemniej w artykule starałam się zawrzeć najważniejsze informacje dotyczące tych elektrowni tak, by każdy sam mógł wyciągnąć własne wnioski. Chętnie przeczytam Twoją opinię na temat elektrowni szczytowo-pompowych. Dlatego pisz śmiało 🙂