ANALYSIS OF THE CLOSED-CYCLE PUMPED-STORAGE HYDROELECTRIC POWER STATIONS

This paper examines the consideration of the design features of closed-cycle pumped-storage hydroelectric power stations, as well as other gravitational energy accumulators to ensure the accumulation of energy from renewable energy sources by means of a comparative analysis. The tasks of research ar...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2024
Автори:	Golovko , V., Semenenko , R.
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024
Теми:	renewable energy sources autonomous pumped storage power plant gravity power plant closed cycle of working fluid wind power plant solar power plant.
Онлайн доступ:	https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/446
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Vidnovluvana energetika
Завантажити файл:

Репозитарії

Vidnovluvana energetika

_version_	1871103733082882048
author	Golovko , V. Semenenko , R.
author_facet	Golovko , V. Semenenko , R.
author_institution_txt_mv	[ { "author": "V. Golovko ", "institution": "National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine. Institute of Renewable energy of NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine. " }, { "author": "R. Semenenko ", "institution": "National Technical University of Ukraine \"Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute\", Kyiv, Ukraine." } ]
author_sort	Golovko , V.
baseUrl_str	https://ve.org.ua/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-07-18T06:32:19Z
description	This paper examines the consideration of the design features of closed-cycle pumped-storage hydroelectric power stations, as well as other gravitational energy accumulators to ensure the accumulation of energy from renewable energy sources by means of a comparative analysis. The tasks of research are a rational way of accumulating electricity from wind and solar power plants require a comprehensive approach, taking into account all the features of renewable energy sources. The growing installed capacity of photo and wind power plants is associated with the need to solve the problem of instability of electric power generation over time. The analysis of various storage technologies, including gravity accumulators, hydroaccumulating power plants of underground and marine types, thermal storage, emphasizes that the closed-cycle pumped-storage hydroelectric power stations is an effective energy accumulator for autonomous energy systems of renewable energy. A comparative analysis of closed-cycle pumped-storage hydroelectric power stations showed that stations of this type, in comparison with classic ones, require a smaller amount of working fluid to ensure the same power, which is achieved due to the creation of a higher head up to 600m and the fact that the external source of water needed only to cover system losses. The reduction of environmental impacts is also established, as the installation requires a smaller size of exclusion areas, and the possibility of using tunnels and underground stations minimizes the impact on the environment. It was established that the number of potential places for the installation of closed-cycle pumped-storage hydroelectric power stations is over 615,000 around the world with a total accumulation potential of 23.1 million GWh.
doi_str_mv	10.36296/1819-8058.2024.1(76).89-100
first_indexed	2025-07-17T11:39:23Z
format	Article
fulltext	89 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Гідро-воднева енергетика УДК 621.311.2 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2024.1(76)89-100 АНАЛІЗ ГІДРОАКУМУЛЮВАЛЬНИХ ЕЛЕКТРОУСТАНОВОК ІЗ ЗАМКНУТИМ ЦИКЛОМ ВИКОРИСТАННЯ РОБОЧОГО ТІЛА Отримано 25 січ. 2024 р.; рекомендовано до публікації 22 бер. 2024 р. Доступно онлайн 01 квіт. 2024 р. Головко В. М.1, Семененко Р. Ю.2 Автор для коресподенції: Головко Володимир, e-mail: golovkovm@ukr.net Анотація. Стаття присвячена розгляду конструктив- них особливостей гідроакумулювальних електростанції із замкнутим циклом використання робочого тіла, а та- кож інших гравітаційних акумуляторів енергії для забез- печення накопичення енергії від відновлюваних джерел енергії шляхом порівняльного аналізу. Задачі підбору раціонального способу акумулювання електроенергії від вітро- та фотоелектростанції ви- магають комплексного підходу з урахуванням усіх особливостей відновлюваних джерел енергії. Збіль- шувальна встановлена потужність фото- та вітроелектростанцій пов’язана з необхідністю розв’язку проблеми нестабільності генерації електричної енергії в часі. Аналіз різних технологій збе- рігання, зокрема гравітаційні акумулятори, гідроакумулювальні електростанції підземного та мор- ського типів, теплове зберігання, підтверджує що гідроакумулювальна електростанція із замкну- тим циклом використання робочого тіла є ефективним накопичувачем енергії для автономних енергетичних систем відновлюваної енергетики. Проведений порівняльний аналіз гідроакумулюваль- них систем із замкнутим циклом робочого тіла показав, що станції такого типу, порівняно з класич- ними, потребують меншої кількості робочого тіла для забезпечення тієї самої потужності завдяки тому, що створюється більший напір, до 600 м, і що зовнішнє джерело води необхідне лише для пок- ривання втрат системи. Також встановлено зменшення екологічних впливів, оскільки для установки потрібні менші території відчуження, а можливість використання тунелів і підземних станцій міні- мізує вплив на довкілля. Визначена кількість потенційних місць для встановлення гідроакумулюваль- них електростанцій закритого типу − понад 615 тис. по всьому світу із сумарним потенціалом аку- мулювання 23,1 млн ГВт-год. Ключові слова: відновлювані джерела енергії, автономна гідроакумулювальна електростанція, граві- таційна електростанція, замкнутий цикл використання робочого тіла, вітроелектростанція, фо- тоелектростанція. ANALYSIS OF THE CLOSED-CYCLE PUMPED-STORAGE HYDROELECTRIC POWER STATIONS Received Jan. 25, 2024; accepted Mar. 22, 2024 Available online Apr. 01, 2024 Golovko V.1, Semenenko R.2 Author for correspondence: Golovko Volodymyr, e-mail: golovkovm@ukr.net Abstract. This paper examines the consideration of the design features of closed-cycle pumped-storage hydroelectric power stations, as well as other gravitational energy accumulators to ensure the accumulation of energy from renewable energy sources by means of a comparative analysis. The tasks of 1 Dr. of Tech. Sciences, professor. https://orcid.org/0000-0003-0195-9654 2 Graduate Student. https://orcid.org/0000-0003-4737-7836 1 Institute of Renewable Energy NAS Ukraine, Kyiv, Ukraine 1,2 National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, Ukraine. 1 д-р техн. наук, проф. https://orcid.org/0000-0003-0195-9654 2 асп. https://orcid.org/0000-0003-4737-7836 1 Інститут відновлюваної енергетики НАН України, м. Київ, Україна 1,2 Національний технічний університет Укра- їни «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна 90 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Гідро-воднева енергетика research are a rational way of accumulating electricity from wind and solar power plants require a comprehensive approach, taking into account all the features of renewable energy sources. The growing installed capacity of photo and wind power plants is associated with the need to solve the problem of instability of electric power generation over time. The analysis of various storage technologies, including gravity accumulators, hydroaccumu- lating power plants of underground and marine types, thermal storage, emphasizes that the closed-cycle pumped- storage hydroelectric power stations is an effective energy accumulator for autonomous energy systems of re- newable energy. A comparative analysis of closed-cycle pumped-storage hydroelectric power stations showed that stations of this type, in comparison with classic ones, require a smaller amount of working fluid to ensure the same power, which is achieved due to the creation of a higher head up to 600m and the fact that the external source of water needed only to cover system losses. The reduction of environmental impacts is also established, as the installation requires a smaller size of exclusion areas, and the possibility of using tunnels and underground stations minimizes the impact on the environment. It was established that the number of potential places for the installation of closed-cycle pumped-storage hydroelectric power stations is over 615,000 around the world with a total accumulation potential of 23.1 million GWh. Keywords: renewable energy sources, autonomous pumped storage power plant, gravity power plant, closed cy- cle of working fluid, wind power plant, solar power plant. Вступ. Очікується, що в найближчому майбутньому час- тка відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) в енергетич- ному світовому секторі дедалі збільшуватиметься. Зва- жаючи на це, гідроакумулювальні електростанції (ГАЕС) є перспективним напрямом для розвитку, адже їх інтег- рація в електричні мережі дозволить стабілізувати сто- хастичне енергонадходження від фото- та вітроелектро- станцій (ФЕС та ВЕС), що набувають популярності. ФЕС та ВЕС зараз є найчастіше встановлюваними електростан- ціями у світі [1]. Встановлена потужність вітростанцій збільшилася з 733 ГВт у 2020 році до 898 ГВт у 2022-му (+22,5 %), сонячних електростанцій, відповідно з 842 ГВт до 1061 ГВт (+26 %). Однак масове їх впровадження по- требує вирішення проблеми непостійності та неточності прогнозування генерації електричної енергії. В [2] за- пропоновано «гібридну модель довгострокової корот- кочасної пам’яті» (англ. Long Short-Term Memory – LSTM) для вихрової нейронної мережі (англ. Convolutional Neural Network – CNN), що використовува- лася для точного прогнозування виробництва електрое- нергії фотоелектричними системами. Модель спочатку класифікувала погодні умови за допомогою CNN, а по- тім вивчала закономірності виробництва електроенергії за допомогою LSTM та надавала свій прогноз. Середня абсолютна відсоткова похибка запропонованої моделі становила 4,58 % у сонячні дні та 7,06 % у хмарні дні, що вказує на можливість точного прогнозування виробниц- тва електроенергії та оптимізації роботи ФЕС [2]. Для по- рівняння [3] у 2017 році проведено аналіз тогочасних моделей та встановлено, що найкраща з них забезпечу- вала абсолютну відсоткову похибку прогнозування ви- робництва енергії на рівні 10…14 % для місячних промі- жків та до 35 % для денних інтервалів. Однак висока точність прогнозування все одно не вирішує проблему розходження між графіком споживання та графіком ге- нерації електричної енергії. Дослідження на світовому рівні [4, 5] підтверджують, що акумулювання енергії буде ключовим елементом управління майбутньою ме- режею з високим відсотком генерації від нестабільних ВДЕ. Серед технологій зберігання в цих дослідженнях розглядаються хімічні акумулятори електроенергії, ви- робництво газу (водень або метан), стисненого газу (по- вітря), теплове зберігання та різноманітні гравітаційні акумулятори енергії, найпоширенішою з яких є ГАЕС [6]. До того ж, з урахуванням інвестиційних витрат, техноло- гія ГАЕС є найефективнішим накопичувачем енергії для автономних енергетичних систем [4]. У світлі зростаючого попиту на ВДЕ з усіма описаними вище їх особливостями існує потреба дослідити життє- здатні рішення для зберігання енергії, щоб забезпечити надійне та послідовне електропостачання. Одним з рі- шень, яке привернуло увагу останніми роками, є конце- пція накопичення електроенергії завдяки перетворю- ванню її на потенційну енергію води шляхом перекачування її з однієї ємності у іншу, яка розташо- вана на більшій висоті. Основною відмінністю запропо- нованого рішення від класичної ГАЕС, є те що тепер сис- тема стає автономною та майже не залежить від річок чи озер, адже їх вплив на гідрограф мінімальний. Зами- кання гідравлічного кола може дозволити розширити можливості ГАЕС та зменшити вплив на довкілля, адже використання зовнішнього джерела води для таких сис- тем необхідне лише для покривання втрат системи на випаровування та негерметичність вузлів. Постановка завдання. Мета досліджень полягає в прове- денні розгляду конструктивних особливостей гідроаку- мулювальних електростанцій із замкнутим циклом вико- ристання робочого тіла шляхом порівняльного аналізу. Виклад основного матеріалу. Дослідження теми аку- мулювання електроенергії шляхом використання за- мкнутих гідроакумулювальних установок є пріоритет- ним завданням у відновлювальній енергетиці. Це особливо важливо в сучасних системах з ФЕС та ВЕС, де стохастичний та нестабільний характер генерації потуж- ності [7, 8] потребує зберігання та накопичення енергії. Тема дослідження залишається актуальною в сучасних умовах з огляду на кілька ключових аспектів: 91 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Гідро-воднева енергетика 1. Ефективність та стійкість до змін попиту на енергію. Збільшення обсягу виробництва та накопичування електроенергії за допомогою ГАЕС стає надзви- чайно важливим у контексті росту споживання ене- ргії та необхідності забезпечення стабільного пос- тачання електроенергії споживачам. 2. Екологічна придатність. ГАЕС з замкнутим циклом працюють за принципом закритого гідравлічного контуру, що означає, що вони використовують фік- сований об’єм води без залучення стороннього джерела води, а отже без значних негативних впливів на навколишнє середовище [9]. 3. Акумулятори енергії для відновлювальних джерел. ГАЕС із замкнутим циклом використання робочого тіла можуть акумулювати енергію, яка виробля- ється за допомогою відновлювальних джерел, та- ких як сонячна та вітрова енергія. Це дозволяє ком- пенсувати непостійність генерації енергії від цих джерел та забезпечує більшу стійкість енергетич- ної системи. 4. Розвиток технології. Додавання нового енергетич- ного вузла – гідравлічного тарана – дає змогу ефе- ктивно піднімати воду на розрахункові висоти без необхідності використання зовнішніх джерел ене- ргії та за рахунок використання залишкової енергії води, скинутої гідротурбіною, підняти загальну енергетичну ефективність системи. 5. Гнучкість в управлінні електроенергією. ГАЕС мо- жуть бути використані для забезпечення гнучкості в управлінні електроенергією, що дозволяє вирів- няти піки попиту та забезпечувати стабільність в енергетичних системах. ГАЕС є установкою для зберігання потенційної енергії ро- бочого тіла – води. Система включає два резервуари для енергоносія на різних рівнях висоти, з’єднані трубами або тунелями. При генерації електроенергії в електричну ме- режу вода тече з верхнього резервуару до нижнього по трубах або тунелях через турбіну, з’єднану з генерато- ром, так само, як і в традиційних гідроелектростанціях. Однак у разі надлишку електроенергії від іншого дже- рела (наприклад, сонячне випромінювання або вітер) вода перекачується з нижнього резервуару до верхнього за допомогою електричних насосів. Насос може бути ок- ремим пристроєм або, як часто буває, використовується один агрегат турбіна-насос, що обертається в два напря- мки та може працювати і як насос. і як турбіна. Резервуари, які використовуються в ГАЕС з замкнутим циклом використання робочого тіла, є відносно невели- кими порівняно з традиційними гідроелектростанціями подібної потужності. Крім того, періоди генерації елект- роенергії можуть бути неперервними протягом усього дня. Розглянемо деякі публікації пов’язані з ГАЕС із за- мкнутим циклом використання робочого тіла. Ключові моменти занесено до табл. 1. Таблиця 1. Оглядові статті про гідроакумулювальні електроустановки з замкнутим циклом використання робо- чого тіла в різних аспектах Джерело Назва джерела Що було виявлено в результаті дослідження [8] Global Atlas of Closed-Loop Pumped Hydro Energy Stor- age • Обчислено потенціал ГАЕС із замкнутим циклом (дал – установок) використання робочого тіла • Дослідження визначило потенційні місця для розташування таких установок. Це близько 616818 по всьому світу із сумарним потен- ціалом зберігання 23,1 млн ГВт-год • Встановлено зменшеня екологічних наслідків у порівнянні з класич- ними ГАЕС: установка потребує менше територій, а використання тунелів і підземних станцій, мінімізує вплив на поверхню; зменше- ний водозабір із річок • Установки мають переваги перед традиційними схемами, оскільки дозволяють встановити верхній резервуар на вершині пагорба, збільшуючи напір і потенційну енергію [9] A Comparison of the Envi- ronmental Effects of Open- Loop and Closed-Loop Pumped Storage Hydro- power • Звіт містить порівняння екологічних впливів традиційних (відкри- тих) ГАЕС та ГАЕС із замкнутим циклом використання робочого тіла • У звіті робиться висновок, що ГАЕС із замкнутим контуром зазвичай має менший і більш локалізований вплив на навколишнє середо- вище • Певні конструкції ГАЕС замкнутого циклу можуть впливати на ґрун- тові води, що потребує розгляду в екологічних експертизах [10] Efficiency analysis of under- ground pumped storage hy- dropower plants • Дослідження присвячене акумулюванню енергії від джерел ВДЕ за допомогою підземних ГАЕС • Використано два насоси-турбіни типу Френсіс для циркуляції води між резервуарами в обох напрямках • Аналітичні моделі та тривимірне моделювання показують, що, на відміну від звичайних систем, на енергоефективність ГАЕС із за- мкнутим циклом у зворотному напрямку впливає тиск у підзем- ному резервуарі 92 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Гідро-воднева енергетика Джерело Назва джерела Що було виявлено в результаті дослідження [11] Comparing Subsurface En- ergy Storage Systems: Un- derground Pumped Storage Hydropower, Compressed Air Energy Storage and Sus- pended Weight Gravity En- ergy Storage • У дослідженні порівнюються підземні гідроакумулювальні електро- станції, накопичувачі енергії на стисненому повітрі й підвішені гравітаційні накопичувачі енергії у підземному просторі, наприклад у покинутих шахтних тунелях • Розглянуто підземний резервуар води об’ємом 0,5х106 м3 і чистий напір 600 м для ГАЕС, 0,25х106 м3 для резервуару зі стисненим по- вітрям, а також 3000 т підвішеної маси та 600 м глибини для гравіта- ційного акумулятора. В результаті за одних і тих же умов накопи- чення енергії за цикл становило 717, 880 і 3,8 МВт-год відповідно [12] Гідроударна система опа- лення без споживання енергії від зовнішніх дже- рел • Розглянуто замкнуту систему опалення, де нагрівання та транспор- тування нагрітої води до споживачів здійснюється за рахунок енергії, що виділяється під час кавітації та гідроудару • Модифікований гідроциліндр споживає значну кількість води, яка не використовується для опалення, що робить його придатним насамперед для великих відкритих водойм • У статті досліджується можливість застосування модифікованого гідроциліндра в закритій системі опалення, повністю виключаючи втрати води [13] Modelling a pumped stor- agepower plant on the ex- ample of the Porąbka Żar power plant • Представлено математичну модель роботи ГАЕС закритого типу. Модель розроблено в інтерфейсі Matlab – Simulink • Досліджено її роботу в поєднанні з ВЕС та ФЕС на основі критеріїв енергетичного балансу, ефективності, економічного балансу • Створено модель прогнозу для значень споживання електроенергії, яка базується на простій нейронній мережі прямого зв’язку ГАЕС спочатку розроблялися для компенсації небалан- сів між споживанням електроенергії та генерацією від інертних ТЕС та АЕС: енергія використовувалася для пе- рекачування води, коли попит на електроенергію був низьким вночі, а потім вода вивільнялася для виробни- цтва електроенергії протягом дня. Отже, ГАЕС на даний момент є найбільшим джерелом акумулювання елект- роенергії з понад 95 % світової встановленої потужності накопичувачів електроенергії (ГВт) і 99 % об’єму накопи- чуваної енергії (ГВт·год). Незважаючи на це, багато дос- ліджень присвячено відновлюваній енергетиці в майбу- тніх електричних системах без гідроакумулювальних електроустановок [5]. Значні вимоги до рельєфу звичай- них ГАЕС та екологічний вплив на довкілля наводяться як аргумент для переходу на інші технології зберігання, зокрема хімічні акумулятори та водень. ГАЕС із замкнутим циклом використання робочого тіла та його «позарічкове» (off-river) гідронасосне облад- нання може надати новий подих цій технології (рис. 1). Верхній резервуар для цих схем може бути розташова- ний високо в гірських районах, а не в річковій долині. В мікроустановках це може бути будь-яка штучно ство- рена водойма. Схеми із замкнутим циклом використо- вують воду, яка під час роботи циркулює між верхнім і нижнім резервуарами. Незначне зовнішнє джерело води потрібно лише для компенсації різниці між випа- ровуванням, витоками та опадами. Резервуари також зазвичай є невеликими, близько десятків або сотень ге- ктарів. Розташування верхніх резервуарів на значній ві- дстані від рік значно зменшує екологічний вплив. Це та- кож мінімізує необхідність управління великими повенями, як це робиться на більшості сучасних ГАЕС, що суттєво знижує вартість будівництва. Оскільки біль- шість поверхні суходолу світу не розташована біля річок, є значно більше потенційних областей для облашту- вання позарічкових ГАЕС замкнутого типу на відміну від річкових. Виявлено близько 616 818 можливих місць встановлення низькозатратних ГАЕС «позарічкового» типу з загальною потужністю 23,1 млн ГВт·год [10]. Потенційна енергія води є найбільш використовуваним гравітаційним акумулятором енергії. Проте як енерго- носій також можуть використовуватися інші рідини, тве- рді речовини та навіть газ. Нижче наведено результати аналізу основних технологій, які дозволяють акумулю- вати енергію (рис. 2). А. ГАЕС з поверхневим резервуаром. Стандартний гра- вітаційний акумулятор – це ГАЕС, що використовує пару верхніх-нижніх резервуарів, обидва на поверхні землі. Існуючі ГЕС можуть бути переобладнані в ГАЕС шляхом додавання насосного обладнання. Водосховища роб- лять за допомогою побудови дамби або з використан- ням природнього рельєфу. Основною перевагою цієї конструкції є її значна потуж- ність (20–500 МВт), мінімальний вплив на підземні води та відносна примітивність конструкції. Основним недо- ліком є її залежність від режиму роботи річки та значний екологічний вплив на водне середовище річки. Вплив на якість поверхневих вод під час будівництва зазвичай є відносно вищим для проєктів з відкритим контуром, ніж для проєктів із закритим циклом, що використову- ють поверхневі води, оскільки будівництво проєкту пот- ребує перегородження природних водних об’єктів, щоб створити нижній резервуар (замість будівництва штуч- ного нижнього резервуара, як із замкнутим циклом). Така споруда дамби може затопити велику територію землі та негативно вплинути на якість води в ґрунтових водах [11]. 93 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Гідро-воднева енергетика Рис. 1. Структурна схема ГАЕС із відкритим та закритим циклом використання робочого тіла [11] Fig.1. Structural diagram of the open and closed pumped storage power plant [11] Рис. 2. Топології гравітаційних систем акумулювання енергії І [16] Fig. 2. Topologies of gravitational energy storage systems I [16] Б. Морська ГАЕС. З 1999 року в Японії пропонується ви- користовувати верхній поверхневий резервуар і море як нижній резервуар, щоб уникнути проблеми землекори- стування та бути поблизу центрів електричного спожи- вання. Однак знайти приморську скелю з відповідним напором поблизу крупних електроспоживачів є склад- ною інженерною задачею. Крім того, таке рішення є проблематичним через сольову корозію обладнання. А при застосуванні матеріалів, стійких до корозії, втрача- ється рентабельність технології. В Австралії дослідники дійшли висновку, що встановлення опріснювальної ус- тановки для забезпечення системи прісною водою на- багато дешевше, ніж використання корозійностійких матеріалів або використання обладнання для активного захисту від корозії [17]. В Японії на острові Окінава у 1999 році було реалізовано успішний проєкт такої станції (рис. 3). При віддаленості від берега близько 600 м та розрахунковому напорі 152 м вона розвиває потужність 31,4 кВт. Для протидії корозії була використана антикорозійна фарба для статичних еле- ментів із вуглецевої сталі, а обертові елементи були виго- товлені з антикорозійної сталі. Для протидії корозії при по- шкодженні фарби на станції застосовано катодний захист [18]. Однак недоліком такого способу є зростання втрат си- стеми в міру її експлуатації, адже що довше система пра- цює, то більших пошкоджень покриттів зазнає. Врахову- ючи географічні особливості Японії та успіх проєкту позарічкової ГАЕС, з того часу тут було детально дослі- джено та оцінено потенціал морських ГАЕС на рівні 55 000 ГВт [19], а основним джерелом енергії для них слугуватимуть офшорні ВЕС та ФЕС. 94 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Гідро-воднева енергетика Рис. 3. Вид з висоти пташиного польоту на гідроакуму- лювальну електростанцію з морською водою, Окінава, Японія. Восьмикутна форма показує верхню дамбу. Море — нижня водойма. Вихідний отвір хвостової час- тини оточений тетраподами для захисту від хвиль [18] Fig. 3. Aerial view of a seawater pumped-storage hydro sta- tion, Okinawa, Japan. The octagonal shape shows the upper dam. The sea is a lower reservoir. The outlet of the station is surrounded by tetrapods to protect against waves [18] Виходячи з діаграми споживання-генерація (рис. 4) ос- новна ставка у балансуванні джерел ВДЕ покладена на морські ГАЕС. Варто зауважити, що морські ГАЕС поді- бно до материкових ГАЕС закритого типу мають мініма- льний вплив на навколишнє водне середовище та зна- чно більше потенційних місць для їх побудови. В. Гравітаційний накопичувач енергії з використанням твердого тіла. Замість використання води для передачі енергії, як потенційного носія енергії, можуть бути запро- поновано важкі тверді блоки. Оскільки густина землі або бетону майже втричі більша, ніж густина води, такі блоки несуть більшу густину енергії (рис. 5). У США компанія Acompany почала тестування вдосконаленої залізничної системи зберігання енергії, яка використовує спеціальні рейки для переміщення багатотонних блоків угору для накопичення енергії [20]. Система може видавати 10 МВт потужності під час руху вниз. При цьому швидкість опус- кання блока сягає 20 м/с. Згідно з примітками компанії, очікувана вартість електроенергії становитиме 1200 дол./кВт порівняно з 600–8000 дол./кВт для ГАЕС. Ри- зики для таких систем відносно добре вивчені та розгля- нуті під час експлуатації надземного демонстратора поту- жністю 250 кВт протягом 2021 року. Деякі з ключових технічних ризиків пов’язані з великими масами, необхід- ними для зберігання достатньої кількості енергії. Інтеграція систем у шахтні вертикальні тунелі несе в собі певні ри- зики, пов’язані з доступом людини до шахт. Але сучасні можливості повної автоматизації дозволяють мінімізувати необхідний доступ людини до шахти. Рис. 5. Схема основних елементів гравітаційного нако- пичувача енергії з використанням твердого тіла: під- вішений вантаж (сірий), підйомний трос (вугільний), барабан лебідки (зелений), редуктор (чорний) і двигун- генератор (сірий) [21] Fig. 5. Diagram of the main elements of a gravity energy storage using a solid body: suspended load (grey), lifting ca- ble (charcoal), winch drum (green), gearbox (black) and mo- tor-generator (grey) [21] Рис. 4. Профілі погодинного навантаження та генерації протягом типових періодів для загальної енергосистеми Японії [18] Fig. 4. Profiles of hourly load and generation during typical periods for the general power system of Japan [18] 95 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Гідро-воднева енергетика Інша компанія запропонувала використання великого циліндра, встановленого в земній товщі, в який зану- рено поршень для зберігання енергії [22, 23]. Вода зака- чується в циліндр за допомогою насоса, при цьому на товщу води тисне важкий поршень. Під час періодів зро- стання попиту на енергію стиснена поршнем вода про- качується через гідротурбіну для генерації електроене- ргії. Вартість енергії прогнозується на рівні 120– 380 дол./кВт-год. Г. ГАЕС з підземним резервуаром. Патент на підземне зберігання енергії належить Р. А. Фессендену, який пер- шим записав ідею «розташувати нижній резервуар не на поверхні землі, а під землею, щоб мати високий не- гативний гравітаційний потенціал» [24]. На сьогодніш- ній день діючих станцій такого типу не збудовано, але існує кілька дослідницьких проєктів по всьому світу, спрямованих на переоцінку покинутих кар’єрів або шахт. На початку 1980-х років було проведено попере- днє геологічне дослідження, щоб знайти підходящу ді- лянку в Нідерландах, орієнтуючись на вапнякову скелю Південного Лімберга з резервуаром на глибині прибли- зно 1000 м [25]. В іншому дослідницькому проєкті у Сін- гапурі гранітний кар’єр BukitTimah було оцінено як ниж- ній резервуар для підземної ГАЕС потужністю 370 МВт, який визнали економічно порівнянним з заводом, що працює на нафті на той час [26]. У межах установки підземної ГАЕС не всі типи ґрунту ма- ють відповідні характеристики. М’які відкладення та крихкі породи не можуть протистояти ерозії, спричине- ній циклами генерування-накачування установок підзе- мних ГАЕС, тому пористі породи непридатні як резерву- ари для підземних вод [27]. А от вугільні та металодобувні шахти, такі як кар’єри сланцю та чорного мармуру, можуть бути взяті до уваги з огляду на стій- кість породи. Взаємодія підземних вод і коливання в п’єзометричних напорах під впливом гідравлічної про- відності навколишнього водоносного горизонту мож- ливі, але обмежені [28], оскільки зміна напору значною мірою залежить від швидкості потоку, що викачується з або закачується в порожнину. Pujades E. та ін. позитивно оцінили обмін ґрунтових вод, оскільки вони пом’якшу- ють зміну напору внаслідок регулярної роботи турбома- шин [29]. Середній час роботи шахти становить не бі- льше 50−100 років, після чого виробництво починає скорочуватися аж до повного закриття. Сьогодні в світі залишилася дуже велика кількість покинутих шахт і кар’єрів. Нове використання цих підземних порожнин може стати шансом для посилення потужності збері- гання енергії. Структурна схема подібної установки на- ведена на рис. 6. У ній вода з галерей шахти, об’єднаних основним стовбуром, перекачується насосом до верх- нього резервуару; потім відбувається зворотний про- цес, коли вода з верхнього резервуара повертається в шахту, при цьому обертає гідравлічну турбіну. Пари на- сос-двигун та турбіна-генератор розміщуються в стан- ційній споруді та гідравлічно зв’язані з нижнім рівнем у шахті та верхнім резервуаром за допомогою каналів. Варто зазначити, що робочий напір визначається не гли- биною залягання станційної споруди, а різницею висот між фактичним рівнем води в шахті та у верхньому ре- зервуарі. Різниця висот між галереями шахт може сягати сотень метрів, а тому на відміну від наземних ГАЕС ста- нційна споруда підземних ГАЕС може бути значно ни- жче за робочий рівень води нижнього резервуара, що може потягнути додаткові капіталовкладення при реа- лізації проєкту та потребує ретельного прорахунку мор- фометричних характеристик нижнього резервуара та визначення оптимальної глибини розташування стан- ційної споруди. Рис. 6. Схема основних елементів ГАЕС з підземним ре- зервуваром [31] Fig. 6. Scheme of the main elements of the PSH with an underground reservoir [31] Підземна ГАЕС є цікавим рішенням, оскільки існують ти- сячі законсервованих шахт, з яких вже дістали більшу ча- стину копалин. Будівельна складова є найскладнішою діяльністю для цього способу, однак вартість значно знижується, якщо під землею вже існують природні або штучні порожнини. Деякі автори вже пропонували вико- ристовувати як резервуари списані шахтні камери [30, 31]. Крім того, один підземний резервуар може бути з’єднаний з наземним резервуаром. Д. Море – морський резервуар. Ця конфігурація дозво- ляє уникнути використання поверхні суходолу шляхом створення сферичної порожнини для зберігання в мор- ському дні як нижнього резервуара та використання моря як верхнього резервуара. Дослідженнями встано- влено, що така конфігурація є економічно ефективною на глибині від 200 до 800 м [32, 33, 34]. Проте через ве- лику масу бетону, який використовується для сфери (по- над 2 м завтовшки, понад 30 м в діаметрі), встанов- лення є таким же складним, як і розмір системи. Дрібномасштабні прототипи були випробувані в Європі та США, однак наразі жодного комерційного підтвер- дження концепції через складність та високу вартість си- стеми не було реалізовано. Для офшорних і прибереж- них ВЕС та ФЕС відомі також пропозиції створення низьконапірних ГАЕС морського базування [35] за наяв- ності відповідних природних умов. 96 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Гідро-воднева енергетика Е. Плавучий накопичувач енергії є ще однією формою гравітаційного акумулятора. У цій системі об’єкт із низь- кою густиною (наприклад, повітряна куля) занурюється у воду. В цей час на нього діє підйомна виштовхувальна сила, що дорівнює масі витісненої води. Трос, прикріп- лений до генератора, дозволяє опускати та піднімати об’єкт для операції заряджання-розряджання. Опуска- ючи тіло завдяки намотуванню троса двигуном відбува- ється процес «зарядки» акумулятора. Дослідники реко- мендують закріплення станційної споруди на глибині понад 3000 м, щоб отримати витрати на енергію в діа- пазоні 50–100 дол./кВт-год [36]. Основна проблема та- ких установок полягає у вимогах до жорсткості кріп- лення нижнього обладнання до морського дна, щоб утримувати кулю, яка має доволі повільно рухатися (<0,1 м/с). Мінімізація швидкості необхідна для змен- шення втрат опору. Прототип повітряної кулі об’ємом 25 м3 на глибині 2 м уже випробувано. Однак система має низьку ефективність, на рівні 19,8 , через її малий масштаб [37]. Тому все ще потрібні додаткові дослі- дження та розробки, щоб вивести систему на комерцій- ний рівень. Як зазначалося вище, вплив на навколишнє водне сере- довище проєктів ГАЕС, а також залежність від режиму рі- чки є найвагомішими їх недоліками. Проаналізовані вище ГАЕС морського типу, які використовують море та штучну водойму, позбавлені цих недоліків. Однак вони складніші в будівництві, через те що морська вода є зна- чно агресивнішою до металевих елементів системи. Варі- анти Г, Д, Е є доволі цікавими, однак залишаються недо- слідженими низка проблем та нерозв’язаними низка конструкторських задач. Варіант з твердотільним гравіта- ційним акумулятором є альтернативою ГАЕС, однак його вартість та особливості, ймовірно, сприятимуть його по- ширенню на територіях із сухим тропічним кліматом, або ж де існує проблема із прісною чи солоною водою. ГАЕС морського типу є ідеальним варіантом для острівних дер- жав. Такими прикладами можуть бути Японія, Канарські острови (Іспанія, проєкт морської ГАЕС з ВЕС [38]), узбе- режжя Криму (Україна, [6]). Для переважної частини ма- терикових територій ГАЕС є все ще перспективним варіа- нтом акумулювання електричної енергії. Розглянемо ГАЕС із замкнутим контуром. Вплив на на- вколишнє середовище проєктів ГАЕС із замкнутим кон- туром зазвичай нижчий,– більш локалізований і менш тривалий. Це пов’язано з тим, що ГАЕС із замкнутим ко- нтуром: (1) розташовані «поза течією», що потенційно мінімізує вплив на водне та наземне середовище (4), і часто мають більшу гнучкість розміщення, ніж проєкти ГАЕС з відкритим контуром. Однак, певні конкретні впливи систем із замкнутим циклом можуть бути ви- щими, ніж впливи систем із відкритим контуром, особ- ливо для геології, ґрунтів і підземних вод. Це може бути пов’язано, наприклад, з необхідністю будівництва двох надземних резервуарів замість одного або з впливом забору чи циркуляції підземних вод. Існує один тип ГАЕС відкритого циклу, де вплив може бути таким же низьким, як і в ГАЕС із замкнутим конту- ром: проєкти відкритого циклу, де нижнє водосховище вже було побудовано для інших цілей, а верхнє водос- ховище було додано пізніше. Для такої електростанції з відкритим циклом початковий вплив будівництва буде меншим, ніж вплив будівництва ГАЕС із замкнутим цик- лом, оскільки потрібно побудувати лише одне нове во- досховище. З іншого боку, експлуатаційні наслідки, ймовірно, будуть вищими, ніж для проєкту із замкнутим циклом, оскільки нижня водойма все ще постійно з’єд- нана з природною річковою водоймою, яка була пере- городжена під час початкової конструкції, і може впли- вати на неї. Варто зазначити, що хоча в цій роботі обговорюється вплив на навколишнє середовище як проєктів ГАЕС із відкритим контуром, так і проєктів ГАЕС із закритим циклом, це не означає, що проєкти відкри- тих ГАЕС мають вплив на навколишнє середовище, який неможливо пом’якшити. Крім того, багато проєктів ГАЕС замкнутого циклу, що розробляються, мають свої власні унікальні характеристики, наприклад будуються в уже існуючій шахті чи кар’єрі або в інший спосіб використо- вують переваги існуючої інфраструктури. У всіх випадках вплив будь-якого конкретного об’єкта необхідно розг- лядати окремо. У зв’язку з підвищеним інтересом до ро- зробки ГАЕС із замкнутим циклом розробники проєктів, регулятори, агентства, що займаються ресурсами, та інші зацікавлені сторони повинні розуміти, що існує вплив систем із замкнутим контуром на навколишнє се- редовище, а також передбачати заходи щодо уник- нення, мінімізації та пом’якшення впливу і включити їх в екологічну експертизу будь-якого запропонованого проєкту. Висновки. В статті проведено аналіз гідроакумулюваль- них систем із замкнутим циклом робочого тіла, який по- казав, що ГАЕС такого типу порівняно з класичними ГАЕС потребують меншої кількості робочого тіла для забезпе- чення тієї самої потужності, що досягається за рахунок створення більшого напору, до 600 м. Розрахункова єм- ність закритої ГАЕС з напором 600 м та ємністю резерву- ару 0,5х106 м3 становить 717 МВт год. Споживання води від природних водойм обумовлене лише втратами сис- теми та випаровуванням води. Також наголошено на зменшенні екологічних впливів, адже установка потре- бує меншої території відчуження, а можливість викори- стання тунелів і підземних станцій мінімізує вплив на по- верхню. Встановлено, що кількість потенційних місць для розміщення ГАЕС закритого типу – понад 615 тис. по всьому світу із сумарним потенціалом акумулювання 23,1 млн ГВт-год. Це, а також екологічність, низьке спо- живання води від зовнішнього джерела (<10 %), висока ефективність (70…75%), низька вартість (600– 8000 дол./кВт) робить ГАЕС із замкнутим циклом вико- ристання робочого тіла більш доцільним рішенням по- рівняно з іншими установками для акумулювання енер- гії від ВДЕ. 97 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Гідро-воднева енергетика ПОСИЛАННЯ 1. Renewable energy statistics 2023 (978-92-9260-537-7). (2023). International Renewable Energy Agency. 2. Lim, S. C., Huh, J. H., Hong, S. H., Park, C. Y., & Kim, J. C. (2022). Solar Power Forecasting Using CNN-LSTM Hy- brid Model. Energies, 15(21), 8233. https://doi.org/10.3390/en15218233 3. Kim, J. G., Kim, D. H., Yoo, W. S., Lee, J. Y., & Kim, Y. B. (2017). Daily prediction of solar power generation based on weather forecast information in Korea. IET Re- newable Power Generation, 11(10). Pp. 1268-1273. https://doi.org/10.1049/iet-rpg.2016.0698 4. Jacobson, M. Z., Delucchi, M. A., Bauer, Z. A. F., Good- man, S. C., Chapman, W. E., Cameron, M. A., Bozonnat, C., Chobadi, L., Clonts, H. A., Enevoldsen, P., et al. (2017). 100% Clean and renewable wind, water, and sunlight all-sector energy roadmaps for 139 countries of the world. The Electricity Journal. Vol. 31. Issue 2, March 2018, Pp. 78-80. https://doi.org/10.1016/j.tej.2017.11.011 5. Pleßmann, G., Erdmann, M., Hlusiak, M., and Breyer, C. (2014). Global energy storage demand for a 100% re- newable electricity supply. Energy Procedia 46. Pp. 22– 31. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.01.154 6. Васько П. Ф., Вербовий А. П., Ібрагімова М. Р., Пазич С. Т. Гідроакумулювальні електростанції – технологі- чна основа інтеграції потужних вітро- та фотоелект- ричних станцій до складу електроенергетичної сис- теми України. Гідроенергетика України. 2017. (1- 2). С. 20–25. 7. Васько В. П., Васько П. Ф. Динамика нагрузочных ре- жимов работы ветроэлектрической установки, обус- ловленная порывами скорости ветра. Вісник Донба- ської державної академії будівництва і архітектури. 2001. Т. 1. Вип. 4. С. 140–144. 8. Васько П. Ф., Васько В. П., Даниленко О. І., Долюк В. В. Експериментальні дослідження режимів генерування та споживання реактивної потужності серійною вітро- електричною установкою з асинхронним генерато- ром. Відновлювана енергетика. 2008. № 1. C. 34–38. 9. Vasko, P. F., Ibragimova, M. R., & Pazych, S. T. (2014). Seawater pumped-storage hydroelectric power stations are the technological basis of large-scale use of wind and solar energy in Crimean electric power system. Al- ternative Energy and Ecology (ISJAEE), (15), Pp. 38-49. 10. Головко В., Семененко Р. Автономна гідроакумулю- юча електростанція. Енергетика і автоматика, (2). С. 116–128. 11. Stocks, M., Stocks, R., Lu, B., Cheng, C., & Blakers, A. (2021). Global atlas of closed-loop pumped hydro en- ergy storage. Joule, 5(1), Pp. 270-284. https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.11.015 12. Saulsbury, J. W. (2020). A comparison of the environ- mental effects of open-loop and closed-loop pumped storage hydropower (No. PNNL-29157). Pacific Northwest National Lab. (PNNL), Richland, WA (United States). 13. Menéndez, J., Fernández-Oro, J. M., Galdo, M., & Loredo, J. (2020). Efficiency analysis of underground pumped storage hydropower plants. Journal of Energy Storage, 28, 101234. 14. Menéndez, J., Schmidt, F., & Loredo Pérez, J. L. (2020). Comparing subsurface energy storage systems: under- ground pumped storage hydropower, compressed air energy storage and suspended weight gravity energy storage. In E3S Web of Conferences, 162. 15. Нефедов, Ю. И. (2014). Гидроударная система отоп- ления без потребления энергии от внешних источни- ков. Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит, (4 (122)), 2-5. 16. Twaróg, B. (2023). Modelling a pumped storage power plant on the example of the Porąbka Żar power plant. Technical Transactions, e2023001. https://doi.org/10.37705/TechTrans/e2023001 17. Ouedraogo, K. E., Ekim, P. O., & Demirok, E. (2023). Pro- spection of Neighborhood Megawatthours Scale Closed Loop Pumped Hydro Storage Potential. https://doi.org/10.5772/intechopen.110100 18. Ruiz, R. A., De Vilder, L. H., Prasasti, E. B., Aouad, M., De Luca, A., Geisseler, B., ... & Goseberg, N. (2022). Low- head pumped hydro storage: A review on civil structure designs, legal and environmental aspects to make its re- alization feasible in seawater. Renewable and Sustaina- ble Energy Reviews, 160, 112281. https://doi.org/10.1016/J.RSER.2022.112281 19. Fujihara, T., Imano, H., & Oshima, K. (1998). Develop- ment of pump turbine for seawater pumped-storage power plant. Hitachi Review, 47(5), Pp. 199-202. 20. Cheng, C., Blakers, A., Stocks, M., & Lu, B. (2022). 100% renewable energy in Japan. Energy Conversion and Management, 255, 115299. 21. Cava, F., Kelly, J., Peitzke, W., Brown, M., & Sullivan, S. (2016). Advanced rail energy storage: Green energy storage for green energy. In Storing Energy. Pp. 69-86. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803440- 8.00004-X 22. Franklin, M., Fraenkel, P., Yendell, C., & Apps, R. (2022). Gravity energy storage systems. In Storing Energy. Pp. 91-116. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12- 824510-1.00023-4 23. Botha, C. D., & Kamper, M. J. (2019). Capability study of dry gravity energy storage. Journal of Energy Storage, 23. Pp. 159-174. https://doi.org/10.1016/J.EST.2019.03.015 24. Gravity Storage - a new technology for large scale en- ergy storage. Available from: https://heindl-en- ergy.com 25. Fessenden, R. A. (1917). U.S. Patent No. 1,247,520. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office. 98 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Гідро-воднева енергетика 26. Min, A. P. N. (1984). Ondergrondse Pomp Accumulatie Centrale: effectiviteitsverbetering dmv verschillende pomp-turbinevermogens. 27. Wong, I. H. (1996). An underground pumped storage scheme in the Bukit Timah granite of Singapore. Tunnel- ling and Underground Space Technology, 11(4). Pp. 485- 489. 28. Bear, J., & Cheng, A. H. D. (2010). Modeling groundwa- ter flow and contaminant transport (Vol. 23, pp. 89- 103). Dordrecht: Springer. 29. Bodeux, S., Pujades, E., Orban, P., Brouyère, S., & Das- sargues, A. (2017). Interactions between groundwater and the cavity of an old slate mine used as lower reser- voir of an UPSH (Underground Pumped Storage Hydro- electricity): A modelling approach. Engineering Geol- ogy, 217. Pp. 71-80. 30. Pujades, E., Orban, P., Bodeux, S., Archambeau, P., Er- picum, S., & Dassargues, A. (2017). Underground pumped storage hydropower plants using open pit mines: How do groundwater exchanges influence the efficiency?. Applied Energy, 190. Pp. 135-146. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.12.093 31. Kitsikoudis, V., Archambeau, P., Dewals, B., Pujades, E., Orban, P., Dassargues, A., ... & Erpicum, S. (2020). Un- derground pumped-storage hydropower (UPSH) at the Martelange Mine (Belgium): Underground reservoir hy- draulics. Energies, 13(14), 3512. https://doi.org/10.3390/EN13143512 32. Morabito A. (2022). Underground cavities in pumped hydro energy storage and other alternate solutions. En- cyclopedia of Energy Storage. Pp. 193-204. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819723-3.00145-1 33. Dick, C., Puchta, M., & Bard, J. (2021). StEnSea – Results from the pilot test at Lake Constance. Journal of Energy Storage, 42, 103083. https://doi.org/10.1016/J.EST.2021.103083 34. Dubbers, D. (2021). Comparison of underwater with conventional pumped hydro-energy storage systems. Journal of Energy Storage, 35, 102283. https://doi.org/10.1016/J.EST.2021.102283 35. Slocum, A. H., Fennell, G. E., Dundar, G., Hodder, B. G., Meredith, J. D., & Sager, M. A. (2013). Ocean renewable energy storage (ORES) system: Analysis of an undersea energy storage concept. Proceedings of the IEEE, 101(4). Pp. 906-924. https://doi.org/10.1109/JPROC.2013.2242411 36. Vasko P., Verbovij A., Moroz A., Pazych S., Ibragimova M., Sahno L. Concept of accumulation of energy from photovoltaic and wind power plants by means of sea- water pumped hydroelectric energy storage. 2019 IEEE 6th International Conference on Energy Smart Systems (ESS). IEEE. 2019. Pp. 188-191. DOI: 10.1109/ESS.2019.8764167 37. Hunt, J. D., Zakeri, B., de Barros, A. G., Leal Filho, W., Marques, A. D., Barbosa, P. S. F., ... & Farenzena, M. (2021). Buoyancy Energy Storage Technology: An en- ergy storage solution for islands, coastal regions, off- shore wind power and hydrogen compression. Journal of Energy Storage, 40, 102746. https://doi.org/10.1016/J.EST.2021.102746 38. Bassett, K., Carriveau, R., & Ting, D. S. K. (2016). Under- water energy storage through application of Archime- des principle. Journal of Energy Storage, 8. Pp. 185-192. https://doi.org/10.1016/J.EST.2016.07.005 39. Bueno, C., & Carta, J. A. (2006). Wind powered pumped hydro storage systems, a means of increasing the pene- tration of renewable energy in the Canary Islands. Re- newable and sustainable energy reviews, 10(4). Pp. 312-340. https://doi.org/10.1016/j.rser.2004.09.005 REFERENCE 1. Renewable energy statistics 2023 (978-92-9260-537-7). (2023). International Renewable Energy Agency. 2. Lim, S. C., Huh, J. H., Hong, S. H., Park, C. Y., & Kim, J. C. (2022). Solar Power Forecasting Using CNN-LSTM Hy- brid Model. Energies, 15(21), 8233. https://doi.org/10.3390/en15218233 3. Kim, J. G., Kim, D. H., Yoo, W. S., Lee, J. Y., & Kim, Y. B. (2017). Daily prediction of solar power generation based on weather forecast information in Korea. IET Re- newable Power Generation, 11(10), Pp. 1268-1273. https://doi.org/10.1049/iet-rpg.2016.0698 4. Jacobson, M. Z., Delucchi, M. A., Bauer, Z. A. F., Goodman, S. C., Chapman, W. E., Cameron, M. A., Bozonnat, C., Chobadi, L., Clonts, H. A., Enevoldsen, P., et al. (2017). 100% Clean and renewable wind, water, and sunlight all-sector energy roadmaps for 139 countries of the world. The Electricity Journal. Vol. 31. Issue 2, March 2018, Pp. 78-80. https://doi.org/10.1016/j.tej.2017.11.011 5. Pleßmann, G., Erdmann, M., Hlusiak, M., and Breyer, C. (2014). Global energy storage demand for a 100% re- newable electricity supply. Energy Procedia 46, Pp. 22– 31. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.01.154 6. Vasko P.F., Verboviy A.P., IbragImova M.R., Pazych S.T. Hydro-storage power plants are the technological basis for the integration of powerful wind and solar power plants into the power system of Ukraine. Hidroener- hetyka Ukrayiny. 2017. (1-2). Pp. 20-25. [in Ukrainian] 7. Vasko V., Vasko P. Dynamics of load modes of operation of a wind power plant, caused by gusts of wind speed. Bulletin of the Donbas State Academy of Civil Engineer- ing and Architecture. 2001. Vol.1. (4). Pp. 140-144. [in Russian] 8. Vasko P., Vasko V., Danylenko O., Doliuk V. Experi- mental studies of the modes of generation and con- sumption of reactive power by a serial wind-driven in- stallation with an asynchronous generator. Vidnovluvana energetika. 2008. 1. Pp. 34-38. [in Ukrainian] 99 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Гідро-воднева енергетика 9. Vasko, P. F., Ibragimova, M. R., & Pazych, S. T. (2014). Seawater pumped-storage hydroelectric power stations are the technological basis of large-scale use of wind and solar energy in Crimean electric power system. Al- ternative Energy and Ecology (ISJAEE), (15), Pp. 38-49. 10. Golovko, V., & Semenenko, R. Autonomous pumped- storage power plant. Enerhetyka i avtomatyka, (2), Pp. 116-128. http://dx.doi.org/10.31548/energiya2(66). 2023.116 [in Ukrainian] 11. Stocks, M., Stocks, R., Lu, B., Cheng, C., & Blakers, A. (2021). Global atlas of closed-loop pumped hydro en- ergy storage. Joule, 5(1), Pp. 270-284. https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.11.015 12. Saulsbury, J. W. (2020). A comparison of the environ- mental effects of open-loop and closed-loop pumped storage hydropower (No. PNNL-29157). Pacific North- west National Lab. (PNNL), Richland, WA (United States). 13. Menéndez, J., Fernández-Oro, J. M., Galdo, M., & Loredo, J. (2020). Efficiency analysis of underground pumped storage hydropower plants. Journal of Energy Storage, 28, 101234. 14. Menéndez, J., Schmidt, F., & Loredo Pérez, J. L. (2020). Comparing subsurface energy storage systems: under- ground pumped storage hydropower, compressed air energy storage and suspended weight gravity energy storage. In E3S Web of Conferences, 162. 15. Nefedov, Yu. I. (2014). Hydroelectric heating system without energy consumption from external sources. En- ergy saving. Power engineering. Energy audit, (4 (122)), 2-5. [in Russian] 16. Twaróg, B. (2023). Modelling a pumped storage power plant on the example of the Porąbka Żar power plant. Technical Transactions, e2023001. https://doi.org/10.37705/TechTrans/e2023001 17. Ouedraogo, K. E., Ekim, P. O., & Demirok, E. (2023). Pro- spection of Neighborhood Megawatthours Scale Closed Loop Pumped Hydro Storage Potential. https://doi.org/10.5772/intechopen.110100 18. Ruiz, R. A., De Vilder, L. H., Prasasti, E. B., Aouad, M., De Luca, A., Geisseler, B., ... & Goseberg, N. (2022). Low- head pumped hydro storage: A review on civil structure designs, legal and environmental aspects to make its re- alization feasible in seawater. Renewable and Sustaina- ble Energy Reviews, 160, 112281. https://doi.org/10.1016/J.RSER.2022.112281 19. Fujihara, T., Imano, H., & Oshima, K. (1998). Develop- ment of pump turbine for seawater pumped-storage power plant. Hitachi Review, 47(5), Pp. 199-202. 20. Cheng, C., Blakers, A., Stocks, M., & Lu, B. (2022). 100% renewable energy in Japan. Energy Conversion and Management, 255, 115299. 21. Cava, F., Kelly, J., Peitzke, W., Brown, M., & Sullivan, S. (2016). Advanced rail energy storage: Green energy storage for green energy. In Storing Energy. Pp. 69-86. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803440- 8.00004-X 22. Franklin, M., Fraenkel, P., Yendell, C., & Apps, R. (2022). Gravity energy storage systems. In Storing Energy. Pp. 91-116. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12- 824510-1.00023-4 23. Botha, C. D., & Kamper, M. J. (2019). Capability study of dry gravity energy storage. Journal of Energy Storage, 23. Pp. 159-174. https://doi.org/10.1016/J.EST.2019.03.015 24. Gravity Storage - a new technology for large scale en- ergy storage. Available from: https://heindl-ener- gy.com 25. Fessenden, R. A. (1917). U.S. Patent No. 1,247,520. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office. 26. Min, A. P. N. (1984). Ondergrondse Pomp Accumulatie Centrale: effectiviteitsverbetering dmv verschillende pomp-turbinevermogens. 27. Wong, I. H. (1996). An underground pumped storage scheme in the Bukit Timah granite of Singapore. Tunnelling and Underground Space Technology, 11(4). Pp. 485-489. 28. Bear, J., & Cheng, A. H. D. (2010). Modeling groundwa- ter flow and contaminant transport (Vol. 23, pp. 89- 103). Dordrecht: Springer. 29. Bodeux, S., Pujades, E., Orban, P., Brouyère, S., & Das- sargues, A. (2017). Interactions between groundwater and the cavity of an old slate mine used as lower reser- voir of an UPSH (Underground Pumped Storage Hydro- electricity): A modelling approach. Engineering Geol- ogy, 217. Pp. 71-80. 30. Pujades, E., Orban, P., Bodeux, S., Archambeau, P., Er- picum, S., & Dassargues, A. (2017). Underground pumped storage hydropower plants using open pit mines: How do groundwater exchanges influence the efficiency? Applied Energy, 190. Pp. 135-146. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.12.093 31. Kitsikoudis, V., Archambeau, P., Dewals, B., Pujades, E., Orban, P., Dassargues, A., ... & Erpicum, S. (2020). Un- derground pumped-storage hydropower (UPSH) at the Martelange Mine (Belgium): Underground reservoir hy- draulics. Energies, 13(14), 3512. https://doi.org/10.3390/EN13143512 32. Morabito A. (2022). Underground cavities in pumped hydro energy storage and other alternate solutions. En- cyclopedia of Energy Storage. Pp. 193-204. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819723-3.00145-1 33. Dick, C., Puchta, M., & Bard, J. (2021). StEnSea – Results from the pilot test at Lake Constance. Journal of Energy Storage, 42, 103083. https://doi.org/10.1016/J.EST.2021.103083 34. Dubbers, D. (2021). Comparison of underwater with conventional pumped hydro-energy storage systems. Journal of Energy Storage, 35, 102283. https://doi.org/10.1016/J.EST.2021.102283 100 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Гідро-воднева енергетика 35. Slocum, A. H., Fennell, G. E., Dundar, G., Hodder, B. G., Meredith, J. D., & Sager, M. A. (2013). Ocean renewable energy storage (ORES) system: Analysis of an undersea energy storage concept. Proceedings of the IEEE, 101(4). Pp. 906-924. https://doi.org/10.1109/JPROC.2013.2242411 36. Vasko P., Verbovij A., Moroz A., Pazych S., Ibragimova M., Sahno L. Concept of accumulation of energy from photovoltaic and wind power plants by means of sea- water pumped hydroelectric energy storage. 2019 IEEE 6th International Conference on Energy Smart Systems (ESS). IEEE. 2019. Pp. 188-191. DOI: 10.1109/ESS.2019.8764167 37. Hunt, J. D., Zakeri, B., de Barros, A. G., Leal Filho, W., Marques, A. D., Barbosa, P. S. F., ... & Farenzena, M. (2021). Buoyancy Energy Storage Technology: An en- ergy storage solution for islands, coastal regions, off- shore wind power and hydrogen compression. Journal of Energy Storage, 40, 102746. https://doi.org/10.1016/J.EST.2021.102746 38. Bassett, K., Carriveau, R., & Ting, D. S. K. (2016). Under- water energy storage through application of Archime- des principle. Journal of Energy Storage, 8. Pp. 185-192. https://doi.org/10.1016/J.EST.2016.07.005 39. Bueno, C., & Carta, J. A. (2006). Wind powered pumped hydro storage systems, a means of increasing the pene- tration of renewable energy in the Canary Islands. Re- newable and sustainable energy reviews, 10(4). Pp. 312-340. https://doi.org/10.1016/j.rser.2004.09.005
id	veorgua-article-446
institution	Vidnovluvana energetika
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-07-19T01:12:53Z
publishDate	2024
publisher	Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
record_format	ojs
resource_txt_mv	veorgua/b1/d7f1310c93b7d414fe6c9ff9151b8eb1.pdf
spelling	veorgua-article-4462026-07-18T06:32:19Z ANALYSIS OF THE CLOSED-CYCLE PUMPED-STORAGE HYDROELECTRIC POWER STATIONS АНАЛІЗ ГІДРОАКУМУЛЮВАЛЬНИХ ЕЛЕКТРОУСТАНОВОК ІЗ ЗАМКНУТИМ ЦИКЛОМ ВИКОРИСТАННЯ РОБОЧОГО ТІЛА Golovko , V. Semenenko , R. renewable energy sources, autonomous pumped storage power plant, gravity power plant, closed cycle of working fluid, wind power plant, solar power plant. відновлювані джерела енергії, автономна гідроакумулювальна електростанція, гравітаційна еле-ктростанція, замкнутий цикл використання робочого тіла, вітроелектростанція, фотоелект-ростанція. This paper examines the consideration of the design features of closed-cycle pumped-storage hydroelectric power stations, as well as other gravitational energy accumulators to ensure the accumulation of energy from renewable energy sources by means of a comparative analysis. The tasks of research are a rational way of accumulating electricity from wind and solar power plants require a comprehensive approach, taking into account all the features of renewable energy sources. The growing installed capacity of photo and wind power plants is associated with the need to solve the problem of instability of electric power generation over time. The analysis of various storage technologies, including gravity accumulators, hydroaccumulating power plants of underground and marine types, thermal storage, emphasizes that the closed-cycle pumped-storage hydroelectric power stations is an effective energy accumulator for autonomous energy systems of renewable energy. A comparative analysis of closed-cycle pumped-storage hydroelectric power stations showed that stations of this type, in comparison with classic ones, require a smaller amount of working fluid to ensure the same power, which is achieved due to the creation of a higher head up to 600m and the fact that the external source of water needed only to cover system losses. The reduction of environmental impacts is also established, as the installation requires a smaller size of exclusion areas, and the possibility of using tunnels and underground stations minimizes the impact on the environment. It was established that the number of potential places for the installation of closed-cycle pumped-storage hydroelectric power stations is over 615,000 around the world with a total accumulation potential of 23.1 million GWh. Стаття присвячена розгляду конструктивних особливостей гідроакумулювальних електростанції із замкнутим циклом використання робочого тіла, а також інших гравітаційних акумуляторів енергії для забезпечення накопичення енергії від відновлюваних джерел енергії шляхом порівняльного аналізу. Задачі підбору раціонального способу акумулювання електроенергії від вітро- та фотоелектростанції вимагають комплексного підходу з урахуванням усіх особливостей відновлюваних джерел енергії. Збільшувальна встановлена потужність фото- та вітроелектростанцій пов’язана з необхідністю розв’язку проблеми нестабільності генерації електричної енергії в часі. Аналіз різних технологій зберігання, зокрема гравітаційні акумулятори, гідроакумулювальні електростанції підземного та морського типів, теплове зберігання, підтверджує що гідроакумулювальна електростанція із замкнутим циклом використання робочого тіла є ефективним накопичувачем енергії для автономних енергетичних систем відновлюваної енергетики. Проведений порівняльний аналіз гідроакумулювальних систем із замкнутим циклом робочого тіла показав, що станції такого типу, порівняно з класичними, потребують меншої кількості робочого тіла для забезпечення тієї самої потужності завдяки тому, що створюється більший напір, до 600 м, і що зовнішнє джерело води необхідне лише для покривання втрат системи. Також встановлено зменшення екологічних впливів, оскільки для установки потрібні менші території відчуження, а можливість використання тунелів і підземних станцій мінімізує вплив на довкілля. Визначена кількість потенційних місць для встановлення гідроакумулювальних електростанцій закритого типу − понад 615 тис. по всьому світу із сумарним потенціалом акумулювання 23,1 млн ГВт-год. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024-04-05 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/446 10.36296/1819-8058.2024.1(76).89-100 Vidnovluvana energetika ; No. 1(76) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 89-100 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 1(76) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 89-100 Відновлювана енергетика; № 1(76) (2024): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 89-100 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2024.1(76) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/446/355 Copyright (c) 2024 V. Golovko , R. Semenenko https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0
spellingShingle	renewable energy sources autonomous pumped storage power plant gravity power plant closed cycle of working fluid wind power plant solar power plant. Golovko , V. Semenenko , R. ANALYSIS OF THE CLOSED-CYCLE PUMPED-STORAGE HYDROELECTRIC POWER STATIONS
title	ANALYSIS OF THE CLOSED-CYCLE PUMPED-STORAGE HYDROELECTRIC POWER STATIONS
title_alt	АНАЛІЗ ГІДРОАКУМУЛЮВАЛЬНИХ ЕЛЕКТРОУСТАНОВОК ІЗ ЗАМКНУТИМ ЦИКЛОМ ВИКОРИСТАННЯ РОБОЧОГО ТІЛА
title_full	ANALYSIS OF THE CLOSED-CYCLE PUMPED-STORAGE HYDROELECTRIC POWER STATIONS
title_fullStr	ANALYSIS OF THE CLOSED-CYCLE PUMPED-STORAGE HYDROELECTRIC POWER STATIONS
title_full_unstemmed	ANALYSIS OF THE CLOSED-CYCLE PUMPED-STORAGE HYDROELECTRIC POWER STATIONS
title_short	ANALYSIS OF THE CLOSED-CYCLE PUMPED-STORAGE HYDROELECTRIC POWER STATIONS
title_sort	analysis of the closed-cycle pumped-storage hydroelectric power stations
topic	renewable energy sources autonomous pumped storage power plant gravity power plant closed cycle of working fluid wind power plant solar power plant.
topic_facet	renewable energy sources autonomous pumped storage power plant gravity power plant closed cycle of working fluid wind power plant solar power plant. відновлювані джерела енергії автономна гідроакумулювальна електростанція гравітаційна еле-ктростанція замкнутий цикл використання робочого тіла вітроелектростанція фотоелект-ростанція.
url	https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/446
work_keys_str_mv	AT golovkov analysisoftheclosedcyclepumpedstoragehydroelectricpowerstations AT semenenkor analysisoftheclosedcyclepumpedstoragehydroelectricpowerstations AT golovkov analízgídroakumulûvalʹnihelektroustanovokízzamknutimciklomvikoristannârobočogotíla AT semenenkor analízgídroakumulûvalʹnihelektroustanovokízzamknutimciklomvikoristannârobočogotíla

ANALYSIS OF THE CLOSED-CYCLE PUMPED-STORAGE HYDROELECTRIC POWER STATIONS

Репозитарії

Схожі ресурси