Использование насосных гидроаккумулирующих установок в закрытых угольных шахтах при крупномасштабном применении солнечной и ветряной энергии эффективно на 82,8% в годовом исчислении. Подобные проекты уже успешно реализуются в северо-западном и юго-западном Китае.
На сегодняшний день в Китае насчитывается 3 868 закрытых угольных шахт. Исследователи из Чунцинского университета в Китае и китайской инвестиционной компании Shaanxi Investment Group Co., Ltd предложили использовать такие шахты в качестве наземных и подземных водохранилищ для гидроаккумулирующих установок (PHS) в сочетании с крупномасштабными солнечными и ветряными станциями.
«В процессе добычи полезных ископаемых из подземных месторождений образуются подземные пустоты, которые заполняются грунтовыми водами. Поэтому необходимо постоянно поддерживать безопасный уровень воды, что приводит к постоянным расходам», - пояснили ученые.
Для проведения оценки закрытых шахт рассматривалось три аспекта: сохраняемый объем; полезный объем и водообмен. После определения этих значений, также оценивалась производительность насосно-гидроаккумулирующей установки с учетом метеорологических данных, таких как солнечная радиация и скорость ветра.
Насосно-гидроаккумулирующая установка состоит из верхнего резервуара на поверхности и нижнего резервуара, расположенного в подземных горных выработках. Идеальный перепад высот между верхним и нижним резервуаром составляет около 100 м.
В системе используются традиционные компоненты: реверсивные гидравлические насосы, турбины и напорные водоводы, в сочетании с ветряными и солнечными электростанциями. «Когда электроэнергии, генерируемой ветряными и солнечными электростанциями, будет недостаточно, то накопленная вода, высвобождаясь, будет вырабатывать электроэнергию, восполняя дефицит спроса», - пояснили китайские исследователи. «Затворы, расширительный бак и соединительные туннели / помещения обеспечат бесперебойную работу системы».
Емкость хранилища при подобной схеме зависит не только от площади выработки, но и от промежутков между каменными блоками, которые образуются в выработке после завершения горных работ. Во время зарядки и разрядки вода и воздух будут обмениваться, и проницаемость внутри выработки определяет, могут ли вода или воздух беспрепятственно циркулировать. При этом скорость потока воды и воздуха в резервуаре определяется градиентом давления и проницаемостью. Чтобы обеспечить достаточную мощность турбины и насосов, необходимо гарантировать максимальный расход воды.
По мере уменьшения проницаемости линия насыщения уменьшается во время закачки и повышается при сбросе, что означает уменьшение объема воды, закачиваемой при заполнении и сбрасываемой во время осушения коллектора, и, следовательно, уменьшение полезной емкости коллекторов. Проект также предусматривает строительство вентиляционных шахт на высоте 2 м от максимального уровня воды в водохранилище для плавного воздухообмена во время закачки и нагнетания воды.
Гидроаккумулирующая установка на закрытой угольной шахте может обеспечить среднюю эффективность системы в размере 82,8% в течение года. Регулируемая энергия на единицу объема (REPV) оценивается в 2,82 кВт·ч/м3.
Таким образом, использование заброшенных угольных шахт для насосных гидроустановок возможно и коммерчески оправдано. Но при разработке проектов следует избегать мест с низким значением pH, так как кислая среда может вызывать коррозию и повреждение подземных сооружений.