pump storage : ระบบสะสมพลังงานน้ำแบบสูบกลับ

http://www.sert.nu.ac.th

SCHOOL OF RENEWABLE

ENERGY TECHNOLOGY

ระบบสะสมพลังงานน้ําแบบสบูกลบั

(Pumped Hydro Storage)

ผูชวยศาสตราจารย ดร. นิพนธ เกตุจอยLecturerDeputy Director for Research AffairsHead of Photovoltaic System Research Division

ระบบสะสมพลังงาน

โลกประกอบดวยพื้นดินและพื้นน้ําโดยสวนที่เปนพื้นน้ํา มีอยู

ประมาณ 3 สวน (75%) และเปนพื้นดิน 1 สวน (25%) น้ํามีความสําคัญ

อยางยิ่งกับสิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลกรวมทั้งมนุษยดวย น้ําเปนทรัพยากร

ที่สามารถเกิดหมุนเวียนไดเรื่อยๆ ไมมีวันหมดสิ้น

น้ําที่มีสถานะของเหลวพบไดใน มหาสมุทร ทะเล ทะเลสาบ

แมน้ํา ธารน้ํา คลอง สระน้ํา น้ําสวนใหญในโลกอยูในรูปของน้ําทะเล

น้ําที่อยูในบรรยากาศโลกจะอยูทั้งในรูปไอน้ําและ น้ําที่เปนของเหลว น้ํา

ใตดินจะอยูใน ชั้นของดินและหิน ถึงแมปกติน้ําจะมีจุดเดือดที่ 100 OC

แตที่ใตทะเลลึก ซึ่งมีความรอนและความกดดันสูง จุดเดือดของน้ําอาจ

อยูที่ 400 OC และที่ยอดเขาเอเวอเรส (Mount Everest) จุดเดือดของน้ํา

อาจอยูที่ 70 OC

ทรัพยากรน้ํา

“น้ํ า ” ตามสู ตร เคมี เ รี ยก “H2O” หมายถึ งหนึ่ ง โม เลกุ ลจะ

ประกอบดวย ไฮโดรเจน 2 อะตอม และออกซิเจน 1 อะตอม มีสถานะเปน

ของเหลวที่เกือบไมมีสี ไมมีรส ไมมีกลิ่น มีอุณหภูมิความดันมาตรฐานที่

อุณหภูมิหอง ปริมาตรโดยประมาณของน้ําในโลก คือ 1,360,000,000 กม³

(326,000,000 ไมล³)

• 1,320,000,000 กม³ (316,900,000 ไมล³ หรือ 97.2%) อยูใน น้ําทะเล

• 25,000,000 กม³ (6,000,000 ไมล³ หรือ 1.8%) อยูใน ธารน้ําแข็ง และลาน

น้ําแข็ง

• 13,000,000 กม³ (3,000,000 ไมล³ หรือ 0.9%) อยูในรูป น้ําใตดิน

• 250,000 กม³ (60,000 ไมล³ หรือ 0.02%) เปน น้ําจืด ในทะเลสาบ และแมน้ํา

• 13,000 กม³ (3,100 ไมล³ หรือ 0.001%) เปนไอน้ําในบรรยากาศ

พลังงานจากแสงอาทติย

การเปลี่ยนรูปของพลังงานน้ํา

Source : NASA’s Aqua Sattellite, 20/02/2006

Landcover – MODIS (USDA-NASA)

แนวโนมอุณหภูมิผิวโลกที่เพิ่มขึ้น 140 ปที่ผานมา

WWW.IPCC.CH

ระดับน้ําทวมของประเทศชายฝงทะเล

Adapted from Milliman et al. (1989).From www.ipcc.ch

หลกัการทางชลศาสตร (Hydraulic Principles)หลกัการทางชลศาสตร (Hydraulic Principles)

ชลศาสตร (Hydraulic) เปนศาสตรแขนงหนึ่ง ที่ได

ศึกษาทดลองเกี่ยวกับแรงหรือพลังงานของ ของเหลว

(Liquid) ซึ่งมีการเคลื่อนที่ หลักการทางชลศาสตรที่คนพบ

สามารถนําไปใชงานในทางปฏิบัติได เชน การนําพลังงาน

จากน้ําไปผลิตเปนพลังงานไฟฟา

หลกัการอุทกศาสตร ( Hydrology )หลกัการอุทกศาสตร ( Hydrology )

อุทกศาสตร (Hydrology) มาจาก Hydro แปลวาน้ําและ

Logy แปลวาวิชาหรือศาสตร หรือวิทยาศาสตร ฉะนั้น อุทกวิทยา

หมายถึง วิชาทางวิทยาศาสตรแขนงหนึ่งที่วาดวยเรื่องน้ํา เปนหลัก

ซึ่งศึกษาเกี่ยวกับ การวัด การเคลื่อนที่การหมุนเวียนเปลี่ยนแปลง

การแผ การกระจายของน้ําและคุณสมบัติของน้ําในบริเวณสวน

ตางๆ ของโลกประกอบดวยน้ําในบรรยากาศ น้ําบนผิวดินและน้ํา

ใตดิน วงจรอุทกศาสตร คือ การหมุนเวียนเปลี่ยนแปลงของน้ํา

อยางตอเนื่องตลอดเวลาจากน้ําในบรรยากาศเปนน้ําบนผิวดินและ

น้ําใตดิน

การผลิตไฟฟาพลังน้ํา (Hydroelectric) การผลิตไฟฟาพลังน้ํา (Hydroelectric)

ความตองการพลังไฟฟาสูงสุด (Peak Demand )ความตองการพลังไฟฟาสูงสุด (Peak Demand )

1) ในสวนของภาพรวมความตองการไฟฟาสูงสุดของระบบ กฟผ.

ในปสุดทายของแผนฯ 9 ความตองการไฟฟาสูงสุด จะเปน

21,648 เมกะวัตต เพิ่มขึ้นเฉลี่ยปละ 1,104 เมกะวัตต หรือเพิ่มขึ้น

เฉลี่ยรอยละ 6.07 ตอป







คาพยากรณความตองการพลังไฟฟาสูงสุด (Peak Demand Forecast)คาพยากรณความตองการพลังไฟฟาสูงสุด (Peak Demand Forecast)

(2) ในสวนของ กฟน.


7,748 เมกะวัตต เพิ่มขึ้นเฉลี่ยปละ 304 เมกะวัตต หรือเพิ่มขึ้นเฉลี่ย

รอยละ 4.46 ตอป







(3) ในสวนของ กฟภ.





18,777 เมกะวัตต เพิ่มขึ้นเฉลี่ยปละ 1,129 เมกะวัตต หรือเพิ่มขึ้นเฉลี่ย



26,245 เมกะวัตต เพิ่มขึ้นเฉลี่ยปละ 1,494 เมกะวัตต หรือเพิ่มขึ้นเฉลี่ย


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23time

ความตองการพลังไฟฟาและกําลงัผลิตไฟฟาสํารองต่ําสุดความตองการพลังไฟฟาและกําลงัผลิตไฟฟาสํารองต่ําสุด

หนวย MW GWh

อัตราการเพิ่มขึ้นของความตองการพลังไฟฟาเฉลี่ยตอป อัตราการเพิ่มขึ้นของความตองการพลังไฟฟาเฉลี่ยตอป

- การสะสมพลังงานสามารถทําไดโดยการสะสมในรูปของพลังงานไฟฟา ความรอน และความ

เย็น เปนตน โดยจะทํากระบวนการสะสมในชวงเวลาที่มีความตองการพลังงานต่ํา และมีตนทุน

การผลิตที่ต่ํา และใชตนกําเนิดที่มาจากพลังงานทดแทน เชน พลังงานแสงอาทิตย ลม เปนตน

และจะนําพลังงานที่สะสมไวมาใชในชวงเวลาที่มีปริมาณความตองการพลังงานที่สูง และมี

ตนทุนการผลิตที่สูง หรือในเวลาที่กําลังผลิตไมเพียงพอตอความตองการ

- ระบบสะสมพลังงานจะใชรวมกับพลังงานทดแทนในพื้นที่หางไกล โดยจะเปนสวนหนึ่งของ

ระบบพลังงานแบบกระจายศูนย (decentralized energy supply) หรือระบบพลังงานแบบยั่งยืน

(sustainable energy supply) ในอนาคต

- ระบบสะสมพลังงานเปนเทคโนโลยีที่จะเขามาชวยลดการใชเชื้อเพลิงในภาคการขนสงใน

อนาคต

การสะสมพลังงานคอือะไร ? (What is energy storage?)

การสะสมพลงังานเชิงกล (Mechanical Energy Storage)

• การสะสมพลังงานเชิงกลสามารถสะสมไวในรูปของพลังงานจลน (kinetic

energy) พลังงานศักย (potential energy) หรือ พลังงานภายใน (internal

energy)

• การศึกษาวิจัยและการพัฒนาระบบสะสมพลังงานเชิงกลสวนใหญใหความ

สนใจกับ การสะสมพลังงานจลนใน Flywheels การสะสมพลังงานศักยโดย

การยกระดับความสูงของของเหลว (Pumped Hydro) หรือ การสะสม

พลังงานภายในเชนระบบอัดอากาศ (Compressed Air)

พลังงานกลสามารถเก็บสะสมไวในระบบไดโดยการปอนงานใหกับระบบ

สามารถเขียนเปนสมการของงาน (W) ดังนี้

W = ∫ F.ds

เมื่อ F คือ แรงที่ใหกับระบบ และ S คือระยะขจัด (displacement)

พลังงานศักยสามารถสะสมไวในรูปของน้ําหนักโดยการใหงานเพื่อยกระดับ

น้ําหนักนั้นใหสูงขึ้นสวนทางกับแรงดึงดูดของโลก สามารถเขียนเปนสมการ

คือW = mgh

เมื่อ m คือ มวล, g คือ ความเรงเนื่องจากแรงโนมถวงของโลก, h คือ ความ

สูงของน้ําหนักที่ถูกยกขึ้น

ตัวอยาง น้ําหนึ่งลติร มีมวล 1 kg ถูกยกใหสูงขึ้น 102 m พลังงานศักยมีคา

เพิ่มขึ้นเปนเทาไหร

P.E. = mgh = 1 kg x 9.81 m/s2 x 102 m = 1,000 Nm (1 kJ)

กรณีที่ pump-sets มีประสิทธิภาพ 90% และประสิทธิภาพในกรณีทํางาน

ยอนกลับ (reversed operation) คือ 95% พลังงานที่ตองการใชในการสูบน้ํา

P.E./pump-sets eff. = 1 kJ/kg /0.9 = 1.11 kJ/kg

ในกรณีทํางานยอนกลับพลังงานที่ผลติไดคือ (ผลติไฟฟา)

1 kJ/kg x 0.95 = 0.95 kJ/kg

ประสิทธิภาพรวม (round-trip) ของระบบคือ

0.95/1.11 = 0.855 หรือ 86%

พลังงานศักยที่สะสมในน้ํา 1 kJ/liter ถือวาต่ํามาก เราสามารถเพิ่มปริมาณ

ความจุของพลังงานเปน 3 kJ/liter โดยการเพิ่มความสูงเปน 306 m ซึ่ง

เทียบเทากับ

3 kJ/liter ÷ 3,600 kJ/kWh = 0.000833 kWh/liter

ระบบสะสมพลังงานน้ําแบบสูบกลับ เปน เทคโนโลยีสะสมพลังงานตาม

รูปแบบ (conventional energy storage technology) โดยพลังงานขั้น

สุดทายที่นําไปใชคือพลังงานไฟฟา น้ําในอางเก็บน้ําดานบน (ภูเขา) ถูก

นํามาใชในการขับเครื่องกําเนิดไฟฟา ซึ่งอยูที่แหลงเก็บน้ําดานลาง เมื่อ

มีพลังงานไฟฟาสวนเกินในระบบ ก็จะทําการสูบน้ํากลับขึ้นไปเก็บไวที่

แหลงเก็บน้ําดานบนอีกครั้ง กําลังผลิตไฟฟา ตนทุนการผลิต ของระบบ

สูบกลับขึ้นอยูกับเฮด (difference head) ของระบบ

ระบบสะสมพลังงานน้ําแบบสูบกลับ (Pumped hydro storage)

การทํางานของ Pumped Hydro Storage

สวนประกอบสําคญัของระบบ

Pumped Hydro Storage

1. อางเก็บน้ํา

2. ทอสงน้ํา

3. กังหัน

4. เครื่องกําเนิดกระแสไฟฟา

5. หมอแปลงไฟฟา

6. ระบบสายสงไฟฟา

มีความสําคัญมากในการกักเก็บน้ํา ควบคมุทิศทาง และปริมาณการไหลของน้ํา

1. อางเก็บน้ํา

เปนทอสงน้ําอยูในตัวเขื่อนหรอืรับน้าํจากเขื่อน สงน้ําเขาสูกังหนั

2. ทอสงน้ํา

3. กังหัน

http://www.topomatika.hr/Applications/Images/Big/turbine_13-b.jpg

4. เครื่องกําเนิดกระแสไฟฟา

5. หมอแปลงไฟฟา

6. ระบบสายสงไฟฟา

โรงไฟฟาพลังน้ําแบบสบูกลับในประเทศไทย โรงไฟฟาพลังน้ําแบบสบูกลับในประเทศไทย

โรงไฟฟาระบบสูบกลับ เขื่อนศรีนครินทร จังหวัดกาญจนบรุี

ติดตั้ง จํานวน 2 เครื่อง รวมกําลังผลิต 360,000 กิโลวัตต

โรงไฟฟาระบบสูบกลับ เขื่อนศรีนครินทร จังหวัดกาญจนบรุี


โรงไฟฟาระบบสูบกลับ เขื่อนภูมิพล จังหวัดตาก




โรงไฟฟาระบบสูบกลับ เขื่อนลําตะคอง จังหวดันครราชสีมา


โรงไฟฟาระบบสูบกลับ เขื่อนลําตะคอง จังหวดันครราชสีมา


โรงไฟฟาพลังน้ําแบบสูบกลับ โรงไฟฟาพลังน้ําแบบสูบกลับ



โรงไฟฟาระบบสูบกลับ เขื่อนศรีนครนิทร


โรงไฟฟาระบบสูบกลับ เขื่อนลําตะคอง

กรณีศึกษาระบบสะสมพลังงานน้ําแบบสูบกลับ

โรงไฟฟาพลังน้ําแบบสูบน้ํากลับ ลําตะคอง

โรงไฟฟาพลังน้ําลําตะคอง เปนการผลิตไฟฟาดวยพลังน้ํา

วิธีหนึ่งที่สามารถนําเอาทรัพยากรน้ําที่มีอยู มา หมุนเวียนใชใหเกิด

ประโยชนสูงสุด และเปนการชวยใหระบบการผลิตไฟฟา ดวย

พลังงานความรอนมีประสิทธิภาพดียิ่งขึ้น

โรงไฟฟาพลังน้ําลําตะคอง เปนการผลิตไฟฟาดวยพลังน้ํา

วิธีหนึ่งที่สามารถนําเอาทรัพยากรน้ําที่มีอยู มา หมุนเวียนใช

ใหเกิดประโยชนสูงสุด และเปนการชวยใหระบบการผลิต

ไฟฟา ดวยพลังงานความรอนมีประสิทธิภาพดียิ่งขึ้น

ความเปนมา

- ภาคตะวันออกเฉียงเหนือมีความตองการใชไฟฟามาก กวากําลังผลิตที่มีอยูภายใน

ภูมิภาค อยูเปนจํานวนมาก

- กฟผ . จึงทําการศึกษา โครงการโรงไฟฟาพลังน้ํ าลําตะคองแบบสูบกลับในป

พ.ศ.2528 และนํามา บรรจุไวในแผนพัฒนากําลังผลิตไฟฟาของ กฟผ. (ป พ.ศ. 2535-

2549)

- ในปพ.ศ.2532 องคการความรวมมือระหวางประเทศญี่ปุน (JICA) ไดให ความชวยเหลือ

กฟผ. ในการศึกษาความเหมาะสมโครงการและดําเนินการ แลวเสร็จในป พ.ศ.2534

- จากนั้น กฟผ. ไดวาจางมหาวิทยาลัยขอนแกน ศึกษารายละเอียดและวิเคราะห

ผลกระทบสิ่งแวดลอม เพื่อพิจารณากําหนด มาตรการและแนวทางแกไขปญหา

สิ่งแวดลอมแลว จึงวาจางบริษัทวิศวกร ที่ปรึกษาจากประเทศญี่ปุนทําการศึกษา

รายละเอียดโครงการ เพื่อนําเสนอ ขออนุมัติกอนสรางโครงการและคณะรัฐมนตรี มีมติ

อนุมัติใหดําเนินการได เมื่อวันท ี่15 กุมภาพันธ พ.ศ. 2537 วงเงิน 21,000 ลานบาท

ที่ตั้งและลักษณะ โครงการโรงไฟฟาพลังน้ําลําแบบสูบกลับตะคอง

ตั้งอยูระหวางอําเภอสีคิ้วและอําเภอปากชอง จังหวัดนครราชสีมา หาง

จากตัว เมืองประมาณ ๗๐ กิโลเมตร ลักษณะของโครงการที่สําคัญ

ประกอบดวย โรงไฟฟาใตดิน อางพักน้ําบนเขา อางเก็บน้ําตอนลาง (อาง

เก็บน้ําลําตะคอง ที่มีอยูเดิม) อุโมงคสงน้ําจากพักน้ําเขาโรงไฟฟา อุโมงค

ทายน้ําจากโรงไฟฟาสูอางเก็บน้ําตอนลาง และสายสงไฟฟาแรงสูง

โรงไฟฟาลําตะคอง ประกอบดวย

1. อางเก็บน้ําตอนบน

2. โรงไฟฟาใตดิน

3. อุโมงคสงน้ําเขาโรงไฟฟา

4. อุโมงคทายน้ํา

อางเก็บน้าํตอนบน

- อางเก็บน้ําเปนแบบหินถม ดาดดวยยางมะตอย (แอสฟลท) เพื่อปองกัน

น้ําซึมออกจาก

- อางเก็บกักน้าํได 10.3 ลานลูกบาศกเมตร พื้นที่ผิวน้ํา0.34 ตารางกิโลเมตร

- ความลึก 50 เมตร ความยาว 2,170 เมตร

- ระดับเก็บกกัสูงสุด 660 ม.ระดับเก็บกกัต่ําสุด 620 ม.

- ความจุอางใชงาน 9.9 ลานลูกบาศกเมตร

จงคํานวณพลังงานศักยที่สะสมไวไดสูงสุด ?

โรงไฟฟาใตดิน

- ตั้งอยูลึกจากผิวดินประมาณ 350 เมตร มีขนาดกวาง 23 เมตร

ยาว 175 เมตร สูง 47 เมตร

- ภายในโรงไฟฟาติดตั้งเครื่องกําเนิดไฟฟาขนาด 250,000 กิโลวัตต รวม 4

เครื่อง ขนาดกวาง 23 เมตร ยาว 175 เมตร สูง 47 เมตร

- กังหันน้ํา/สูบกลับ Vertical Shaft Francis Type/Reversible Pump-

Turbine

- เครื่องกําเนิดไฟฟา 3 Phase AC Synchronous Generator - Motor

กําลังผลิตติดตั้ง ระยะแรก 2 x 250 เมกะวัตต

- ระยะที่สอง 2 x 250 เมกะวัตต พลังงานไฟฟาเฉลี่ย 400 ลานกิโลวัตต -

ชั่วโมง

อุโมงคสงน้ําเขาโรงไฟฟา

เชื่อมระหวางอางเก็บน้ําบนภูเขาและโรงไฟฟาใตดิน เปนอุโมงค

คอนกรีตดาดผิวเหล็ก จํานวน 2 ทอ ความยาวทอละ 651 เมตร

ชนิด คอนกรีตดาดผิวเหล็ก เสนผาศูนยกลางภายใน 17.0 - 6.0 เมตร

ความยาว 52 เมตร จํานวน 2 ชุด

อุโมงคทายน้ํา

เชื่อมระหวางโรงไฟฟาใตดิน และอางเก็บน้ําลําตะคอง จํานวน 2 ทอ

ชนิด คอนกรีตเสริมเหล็ก เสนผาศูนยกลางภายใน 4.4 - 6.8 เมตร

ความยาว 1,430 เมตร จํานวน 2 ทอ

กรณีศึกษาโรงไฟฟาพลังงานน้าํแบบสูบกลับ Waldeck, Germany

อุโมงคทางเขา

ภายในอุโมงคของโรงไฟฟา

ทอสงน้ํา

โรงไฟฟา

หองควบคุม

อุโมงคใตดิน

กังหนั

เครื่องกําเนิดไฟฟา

ขอมลูทางเทคนิคของโรงไฟฟาสูบกลับ Waldeck

-Waldeck I (ground level system) เปนโรงไฟฟาสูบกลับแหง

แรกของเยอรมัน เริ่มจายไฟฟาครั้งแรกในป ค.ศ. 1931 (64 ปที่

แลว)

- Waldeck II (underground system) สรางในชวงป ค.ศ. 1969 –

1975

ขอมลูทางเทคนิคของโรงไฟฟาสูบกลับ Waldeck

Pumped storage power station Waldeck I Waldeck II

Rate output of generators 140 MW 440 MW

Power requirement of turbines 96 MW 480 MW

Upper basin capacity 0.7 MCM 4.3 MCM

Storage capacity 478 MWh 3,428 MWh

Reservoir datum height difference 298 m 329 m

No. of machine sets 4 2

Max. turbine power 35 MW/turbine 240 MW/turbine

Max. pumping power 24 MWpump 245 MW/pump

RPM 500 500

ขอดีระบบสะสมพลังงานน้ําแบบสูบกลับ

1. คาใชจายในการดําเนินงานต่าํมาก

2. คาบํารุงรักษานอย

3. ไมมีมลภาวะ

4. สามารถเดินเครื่องกําเนดิไฟฟาไดรวดเร็ว

5. ไมตองมีการสํารองเชื้อเพลิงไวใชงาน

6. มีอายุการใชงานนาน

7. มีผลพลอยไดจากอางเกบ็น้ําสําหรับโครงการอเนกประสงค

อื่นๆ

ขอเสียระบบสะสมพลงังานน้ําแบบสูบกลับ

1. คาใชจายในการกอสรางโรงไฟฟาและเขื่อนสูงมาก

2. กําลังการผลิตไฟฟาไมแนนอน

3. อยูไกลจากผูใชไฟฟา ทําใหเสียคาใชจายสูงในการสราง

สายสงไฟฟา

4. เกดิผลกระทบตอสิ่งแวดลอม

อนาคตของการพฒันาระบบ

Pumped Hydro Energy Storage

พลังงานน้ําเปนพลังงานที่สะอาดและไมมีมลภาวะใดๆ

กับสิ่งแวดลอม ดังนั้นความสําคัญของระบบนี้จึงยังคง

มีความจําเปนอยูมาก ที่สําคัญพื้นที่ตางๆในโลกนี้ยัง

สามารถสรางระบบนี้มากกวา 1,000 แหง

เอกสารอางอิง

การไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย

pump storage : ระบบสะสมพลังงานน้ำแบบสูบกลับ

Documents