Микро и малые гэс. Большое будущее малых гэс. Где можно установить объекты малой гидроэнергетики

Малая гидроэнергетика

В России энергетический потенциал малых рек очень велик. Число малых рек превышает 2,5 млн (цифра проверена)., их суммарный сток превышает 1000 км3 в год. По оценкам специалистов сегодняшними доступными средствами на малых ГЭС в России можно производить около 500 млрд. кВтч электроэнергии в год.

Малая гидроэнергетика за последние десятилетия заняла устойчивое положение в электроэнергетике многих стран мира. В ряде развитых стран установленная мощность малых ГЭС превышает 1 млн. кВт (США, Канада, Швеция, Испания, Франция, Италия). Они используются как местные экологически чистые источники энергии, работа которых приводит к экономии традиционных топлив, уменьшая эмиссию диоксида углерода. Лидирующая роль в развитии малой гидроэнергетики принадлежит КНР, где суммарная установленная мощность малых ГЭС превышает 13 млн. кВт. В развивающихся странах создание малых ГЭС как автономных источников электроэнергии в сельской местности имеет огромное социальное значение. При сравнительно низкой стоимости установленного киловатта и коротком инвестиционном цикле малые ГЭС позволяют дать электроэнергию удаленным от сетей поселениям.

В 90-е годы в России проблема производства оборудования для малых и микро-ГЭС в основном была решена. Особенно привлекательно создание малых ГЭС на базе ранее существовавших, где сохранились гидротехнические сооружения. Сегодня их можно реконструировать и технически перевооружить. Целесообразно использовать в энергетических целях существующие малые водохранилища, которых в России более 1000.

В середине прошлого века в России (РСФСР) работало большое количество малых ГЭС, однако, впоследствии предпочтение было отдано крупному гидроэнергостроительству, и малые ГЭС постепенно выводились из эксплуатации. Сегодня интерес к малым ГЭС возобновился. Несмотря на то, что их экономические характеристики уступают крупным ГЭС, в их пользу работают следующие аргументы. Малая ГЭС может быть сооружена даже при нынешнем дефиците капиталовложений за счет средств частного сектора экономики, фермерских хозяйств и небольших предприятий. Малая ГЭС, как правило, не требует сложных гидротехнических сооружений, в частности, больших водохранилищ, которые на равнинных реках приводят к большим площадям затоплений. Сегодняшние разработки малых ГЭС характеризуются полной автоматизацией, высокой надежностью и полным ресурсом не менее 40 лет. Малые ГЭС позволяют лучше использовать солнечную и ветровую энергию, так как водохранилища ГЭС способны компенсировать их непостоянство. В РФ налажено производство достаточно надёжного оборудования для малых ГЭС, например оборудование С. Петербургского ЗАО МНТО «ИНСЭТ».(http://www.inset.ru/r/index.htm), которое поставило 4 малых ГЭС и в РБ (Таналыкское водохранилище, пос. Табулды, Узянское водохранилище, МГЭС «Соколки») стоимостью от 9 до 70 тыс.р. за 1 кВт установленной мощности в зависимости от мощности МГЭС.

Примерная схема ТЭО строительства малых ГЭС.

Строительство малых ГЭС (МГЭС) по многим причинам имеет широкие перспективы в развитии различных регионов мира. При сравнении с крупными ГЭС следствия от строительства МГЭС имеют большие преимущества. Однако удельные затраты на строительство МГЭС при их индивидуальном проектировании и строительстве превышают удельные затраты на строительство крупных ГЭС.
Выделяются две фундаментальные задачи, решение которых обеспечит значительное сокращение удельных затрат на возводимые МГЭС:
А. Комплексный подход в развитии энергообеспечения указанного региона.
Б. Применение унифицированных конструктивных и технологических решений как при создании МГЭС в целом, так и отдельных ее элементов.
Таким образом для решения задачи А необходимо:
1. Из всего гидроэнергетического потенциала определенного региона необходимо выделить ту его часть, использование которой экономически наиболее выгодно. Это так называемый «экономический гидроэнергетический потенциал региона». Основными факторами, влияющими на экономический потенциал, приняты следующие показатели:
- уровень развития экономики региона;
- уровни и режимы энергопотребления;
- структура всех мощностей потребления в балансе энергетической системы региона;
- прогнозное изменение величины тарифной ставки за 1 кВт/час.
Важным фактором, влияющим на величину экономического потенциала, является использование гидроэнергетического потенциала уже зарегулированных водотоков: при водохранилищах неэнергетического назначения (для орошения, водоснабжения и др.), на участках сосредоточенных перепадов, на каналах, трактах переброски стоков, при сооружениях в системах водопровода, очистных сооружениях и системах охлаждения энергоблоков ТЭЦ, на трассах промышленных водосбросов.
2. Все водотоки, составляющие экономический потенциал, необходимо систематизировать и выделить среди них малые в зависимости от напора и расхода.
3. После систематизации водотоков и выделения малых водотоков в отдельную категорию следует сделать предварительный выбор створов для строительства малых ГЭС.
4. Анализ гидрологических характеристик створов с учетом данных о напорах в предполагаемом месте строительства ГЭС позволяет сделать предварительную оценку возможной установленной мощности МГЭС в данном створе, а также свести все многообразие возможных вариантов МГЭС с различными типами турбин к возможно минимальному их количеству.
Необходимо отметить при этом, что для более полного использования экономического потенциала региона возможно применение на МГЭС турбин различных типоразмеров, т.е. в зависимости от характеристик водотока на МГЭС могут быть установлены турбины с быстроходностью, отличающейся от применяемой традиционно на таких напорах.
Для решения задачи Б необходимо учитывать целый ряд обстоятельств, позволяющих повысить экономическую эффективность строительства:
- проектирование конкретных объектов должно вестись на основе унифицированных проектно-конструкторских решений,
- при проектировании необходимо использовать унифицированные технологические процессы строительства малых ГЭС.
- проектирование и производство оборудования МГЭС должно строиться по модульному принципу и состоять из унифицированных блоков и агрегатов.
В связи с тем, что стоимость оборудования для малых ГЭС может достигать половины и даже более от общих затрат на строительство, необходимо при разработке энергетического оборудования провести следующие работы:
1. По унификации и стандартизации оборудования;
2. По созданию полностью автоматизированного оборудования, исключающего присутствие на ГЭС дежурного персонала;
3. По использованию оборудования упрощенной конструкции и повышенной надёжности с применением современных материалов;
4. По выбору проточной части, обеспечивающей наибольшее упрощение и удешевление строительных конструкций без существенного снижения энергетических параметров;
5. По обеспечению положительной высоты отсасывания, позволяющей сократить объём подводной части здания ГЭС, а также удешевить и упростить производство работ;
6. По использованию турбин, в основном, одинарного регулирования;
7. По сборке оборудования, производить на заводе-изготовителе для снижения сроков и стоимости монтажа на месте;
8. По применению серийных генераторов и мультипликаторов;
9. По применению унифицированных систем регулирования (систему регулирования гидроагрегатом необходимо привязывать к автоматике ГЭС);
10. По использованию современных технологий для повышения надежности в эксплуатации, снижения затрат на техническое содержание и уход, увеличение срока службы.

На основании разработанных проектов гидроагрегатов задача разработки унифицированных агрегатных блоков для заданных диапазонов напора и расходов гидротурбин для малых ГЭС может быть решена относительно просто, так как габариты указанных блоков можно определить исходя из условий размещения основного и вспомогательного оборудования. Подвод воды по турбинным водоводам и ее отвод по открытому отводящему каналу позволяют в едином ключе для всех малых ГЭС решить конструктивно условие примыкания последних к зданию ГЭС.
Анализ параметров малых ГЭС, намечаемых к строительству, позволит свести все многообразие возможных вариантов ГЭС с различными типами гидроагрегатов к 2-3 типам.
Анализ собранной информации позволяет сделать следующие выводы:
1. По данным характеристик водотоков необходимо возведение МГЭС следующих категорий:
а) Безнапорные и малонапорные ГЭС, Н=0-5 м, на которых в зависимости от местных условий устанавливаются русловые или осевые гидроагрегаты.
б) Низконапорные ГЭС, Н=5-15 м, на которых устанавливаются осевые вертикальные и горизонтальные агрегаты.
2. Для уменьшения количества типоразмеров оборудования с целью обеспечения серийного его изготовления, а также применения типовых строительных конструкций, состоящих из унифицированных блоков, необходимо для будущих МГЭС систематизировать и подобрать оборудование по расходным и напорным характеристикам внутри каждой категории МГЭС.
Это значительно уменьшит количество типоразмеров оборудования, что повысит как эффективность производства турбин, за счет снижения затрат на их освоение, так и эффективность строительных работ.
3. Исходя из сказанного, целесообразно иметь 2-4 типоразмера гидроагрегатов, характеристики которых для выбора оптимального варианта перекрывались бы в переходных по напорам зонах. При этом для упрощения конфигурации и уменьшения строительных работ в подводной части агрегата, необходимо обеспечить положительную высоту Н расположения гидроагрегата с реактивными турбинами.
4. Агрегаты МГЭС следует по возможности комплектовать серийными асинхронными генераторами или двигателями в качестве генераторов, а случае необходимости, серийными повышающими передачами - мультипликаторами. В ряде случаев могут быть использованы серийные синхронные генераторы.
Исходя из вышесказанного и, учитывая неразрывность решения всего комплекса задач, с целью уменьшения затрат при создании МГЭС предлагается следующий алгоритм решения по вышеуказанной тематике:
І. Выполнение изыскательских и предпроектных работ с разработкой ТЭО
на строительство малых ГЭС:
1. Обследование энергетических потребителей
2. Характер и графики электрических нагрузок.
3. Характер и графики тепловых нагрузок.
4. Обследование гидроресурсов
5. Изыскательские работы в выбранных створах.
6. Обследование схемы электро и теплоснабжения
7. Расчет гидротехнических ресурсов водотоков
8. Выбор вариантов малых ГЭС (МГЭС).
9. Выбор схемы подключения МГЭС к существующим электросетям.
10. Расчет технико-экономических показателей строительства МГЭС.
11. Формирование технических заданий на проектирование МГЭС и энергетического оборудования.
12. Определение перечня работ для безопасной работы объектов.

Стоимость выполнения данных работ – 2 млн. рублей.
Сроки выполнения работ – 80-90 дней с момента начала финансирования.

После выполнения технико-экономического обоснования предлагается провести следующие работы:
ІІ. На базе Технико-экономического обоснования решить следующие вопросы:
а) определить общую стоимость всей программы и сроки реализации;
б) выбрать очередность строительства и финансирования объектов (сроки, суммы, условия оплаты);
в) определить пути технико-экономической реализации поставленных задач;
г) провести выбор типоразмеров агрегатных блоков и строительных модулей;
д) осуществить проектирование агрегатных блоков;
е) осуществить проектирование строительных модулей;
ж) осуществить проектирование турбин, генераторов, системы автоматического управления (САУ);
з) изготовить необходимые турбины, генераторы, САУ;
и) изготовить необходимые строительные модули;
провести работы по строительству и монтажу МГЭС на месте;
к) провести пуско-наладочные работы;
л) осуществить пуск объектов в эксплуатацию.

Невозможно при обзоре альтернативных источников энергии обойти генераторы
Грицкевича. (http://napolskih.com/modules/newbb_plus/viewtopic.php?topic_id=405)

Олег Вячеславович Грицкевич родился во Владивостоке в 1947 году, окончил Дальневосточный политехнический институт, работал в системе энергоавтоматики Прибайкалья, в Дальневосточном отделении РАН.
В конце 1999 года восемь владивостокских ученых вместе с семьями навсегда переехали в Америку. Конструкторское бюро под руководством Олега Грицкевича увезло из России не только свои умы, но и уникальные изобретения.

Суть их разработок - создание принципиально нового энергетического генератора. Как отметил в беседе с корреспондентом "Сегодня" автор идеи и конструктор первой установки Олег Грицкевич, он просто предложил способ получения энергии, основанный на известных физических принципах, но использующий уникальные конструктивные решения. Подробностей изобретатель избегает. "Старика Вольта вывернуло не в ту сторону, и все пошло наперекосяк: кучи железа, - смеется он. - А про электростатику забыли. Хотя первые опыты с электростатикой проводили еще в Древней Греции. А нам удалось за 20 лет научиться пользоваться этой энергией".
То, что говорит Грицкевич, звучит неожиданно: "Благодаря этой установке мы получаем доступ к неиссякаемому источнику энергии. Генератор достаточно компактен и может поместиться в каждом автомобиле, самолете, доме, заводе, даже в контейнере. Он безмеханический, там нет ни одного насоса. Он не требует обслуживания и работает беспрерывно в течение 25-30 лет, а с применением новейших материалов и все 50. При этом мощность средней установки достаточно велика". Да и стоит гидромагнитное динамо дешево, а следовательно, стоимость вырабатываемой им энергии в 40 раз меньше, чем на атомной электростанции, в 20 раз - чем на тепловой, и даже в 4 раза дешевле дармовой энергии ветряков. Постройка гидромагнитного динамо обходится в 500 долларов за киловатт. При всей уникальности описания эта установка вполне материальна.

Сама идея была запатентована еще в 1988 году в Госкомиссии СССР по делам изобретений и открытий как "Способ генерации и реализующий его электростатический плазмогенератор ОГРИ". Первый опытный образец работал более пяти лет в горах Армении, снабжая электричеством полевой научный лагерь. Наконец, гидромагнитное динамо Грицкевича получило не только свидетельство Роспатента, но и одобрение российских научных кругов вплоть до Высшего инновационного совета.

По словам изобретателя, ни копейки госсредств потрачено не было, все делалось за собственный счет и с подачи и благословения академика Виктора Ильичева. "Работали не покладая рук, - говорит Грицкевич. - На первую установку деньги дал один богатый армянин, открыл ящик с деньгами и сказал, мол, берите сколько надо. Мы попросили 500 тысяч рублей "павловскими". Потом не хватило, пришлось еще сброситься". В 1991 году Грицкевич выступил на Высшем инновационном совете. Заключение совета - положительное. "В 1994 году меня принял Олег Сосковец, - продолжает Грицкевич. - Но при этом сказал: "Идея блестящая, но денег на ее реализацию в бюджете нет". Я получал ответы и от Путина, и от Степашина. Скорее от их секретариатов. Ответы однотипные - это прекрасно, если деньги изыщите. Признание мировой науки появилось не сразу. Схожими проблемами в США занимается Институт альтернативной энергии. Они проводили аналогичные опыты, но их генератор получался радиоактивным. У Грицкевича экологически все стерильно. Максимум, что с ней может произойти, - закипит и взорвется".

На американцев Грицкевич вышел не сам. В прошлом году его конструкторское бюро разместило информацию об установке в Интернете. Пошли отклики со всего света, даже от Далай-Ламы, который назначил премию в миллион долларов тому, кто первый получит выход к свободной энергии. "А затем мне позвонили из американского генконсульства во Владивостоке, - продолжает рассказ Грицкевич, - и пригласили на Всемирный конгресс новых энергетик в Солт-Лейк-Сити в августе этого года. Наутро за два часа оформили все документы. Резвость объяснили тем, что имеют указание о содействии из Госдепартамента США".
С конгресса Олег Грицкевич вернулся не столько окрыленный признанием коллег, сколько ошарашенный предложением американцев перебираться в Штаты всем бюро и продолжать свои исследования (а также организовать серийное производство динамо) на базе конструкторского бюро в Сан-Диего, корпус которого военные предложили ему в пользование. Отъезду предшествовали месяцы раздумий и переговоров - и невостребованное изобретение вместе с создателями покинуло Владивосток и Россию. Там они уже приступили к организации научного процесса на благо американского народа.

Глобальная энергия» – ловушка для идей!

Не секрет, что в недалекой перспективе новый мировой энергетический и экономический баланс будет определяться не нефтегазовыми монополиями, а теми, кто владеет принципиально новыми источниками энергии. Причем, этот процесс неизбежен. Самое главное сейчас, кто начнет и будет первым. Кто решится на это, тот и получит соответствующе возможности - экономические и политические.

11 ноября 2002г. в Брюсселе на итоговой пресс-конференции после завершения саммита глав государств России и Евросоюза В.В. Путин объявил о создании международной научной награды "Глобальная энергия".

Считается, что её учреждение - хорошая возможность мотивировать ученых и талантливую молодежь всего мира на выдающиеся достижения в области энергии и энергетики.

Интересно, что знает Президент о реальных российских разработках новых источников энергии, которые уже доказали свою эффективность и могли стать причиной краха крупнейших энергетических компаний страны - ОАО "Газпром", РАО "ЕЭС России" и НК "ЮКОС", при поддержке которых учреждена указанная награда?

Как понимать ситуацию? Или эти компании, инициировавшие создание премии, хотят прибрать к рукам передовые разработки и в скором будущем перевести свой энергетический контроль на новые источники энергии (газ и нефть кончаются, и они это прекрасно понимают) или наоборот - не хотят допустить распространения новых видов энергии пока всю нефть не выкачают?

Почему ранее не оказывалась государственная помощь таким разработчикам, как, к примеру, Олег Грицкевич, который со своим уникальным изобретением в 1999 году был вынужден уехать в США? Идея О. Грицкевича была запатентована еще в 1988 году в Госкомиссии СССР по делам изобретений и открытий как "Способ генерации и реализующий его электростатический плазмогенератор ОГРИ".

Первый опытный образец успешно работал более пяти лет в горах Армении, снабжая электричеством полевой научный лагерь. Гидромагнитное динамо Грицкевича получило не только свидетельство Роспатента, но и одобрение российских научных кругов вплоть до Высшего инновационного совета.

Его изобретение принимали на самом высоком уровне с восторгом... и возмущением. "Ты нам поломаешь всю нефтегазовую политику! Куда мы денем армады энергетиков?" - эта очень показательна фраза бала брошена Грицкевичу одним из участников симпозиума, проходившего в 1991 году в Атоммаше.

Ситуация вокруг премии действительно неоднозначная, этому недавно поступило подтверждение из информированных источников:

«При Президенте РФ создана специальная аналитическая группа, в задачи которой входит поиск и анализ информации о реальных разработках в сфере перспективных источников энергии и ресурсосберегающих технологий.

Что примечательно, кроме представителей Академии наук РФ в эту закрытую группу по инициативе спецслужб вошли два экстрасенса суперкласса (мужчина и женщина), использующие нетрадиционные методы получения информации. Именно они дают основное заключение о перспективности той или иной идеи.

Цель всей затеи – создать контролируемую ситуацию внедрения инноваций.

Подразумевается, что в итоге на рынок будут дозировано допускаться только те технологии, которые на каждом конкретном этапе не станут угрожать благополучию крупнейших энергетических компаний и всей инфраструктуре традиционной энергетики.»

Известный российский ученый, академик Евгений Велихов считает:

"... Появление международной энергетической премии, не имеющей на сегодняшний день аналогов ни в одной стране мира, - это попытка научного сообщества показать всей планете свою прямую заинтересованность в совершенствовании топливно-энергетического комплекса".

Или академик наивно заблуждается, или просто не хочет видеть, что это не «попытка научного сообщества» - показать.., а проснувшееся желание монстров традиционного топливно-энергетического комплекса - взять...

С учетом примеров недавнего равнодушия к новым технологиям со стороны Правительства России и фактов препятствования их распространению силами нефтегазовых монополий, многое становится понятным.

Мы являемся свидетелями реальных шагов по контролю над процессом преобразования мировой экономики и перераспределения ее ресурсов.

В России еще остались изобретения подобные генератору О.Грицкевича, а на выходе ожидаются новые, но какая судьба постигнет их и их авторов?

Об этом, наверное, надо трижды подумать прежде, чем попытаться стать номинантом «Глобальной энергии»?!

Конечно, изобретателя в РФ нет, но остались его патенты http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6697.html , которые можно найти провести соответствующие НИОКР и довести идею до внедрения. И можно найти самого О.В. Грицкевича. По последним данным он наладил промышленный выпуск своих генераторов в Южной Корее и Болгарии.
В условиях энергетического кризиса, при постоянной нехватке нефти и газа и повышении цен на них, в условиях глобального потепления, альтернативная энергетика помогает решить сразу 2 задачи. 1-экономит углеводороды для химического производства, где их использовать намного выгоднее. 2-не повышает температуру окружающей среды, а понижает её. Конечно, при существующем тренде постоянного повышения энергопотребления и переходе человечества полностью на такие источники энергии, может возникнуть эффект охлаждения земли, но такая перспектива никак не может быть близкой, и уже в описанных устройствах есть такие, которые могут в принципе качать энергию из космоса, где она неисчерпаема.

Все больше мирового внимания в последние годы привлекает нетрадиционная энергетика. Это совершенно правомерно и объяснимо: применение солнечной, речной, морской, ветряной энергии замещает использование дорого топлива, а небольшие станции могут обслуживать труднодоступные районы. Этот факт актуален для стран с горными массивами или малонаселенными пунктами, где прокладка электросетей экономически нецелесообразна.

В России же почти 70% территории относятся к зоне децентрализованного электроснабжения. Даже сегодня у нас можно найти населенные регионы, которые не обеспечены электричеством. И это не всегда Сибирь или Крайний Север. Некоторые поселки Урала весьма неблагополучны для энергетики. Но если разобраться, электрификация «трудных» районов может оказаться не таким уж трудным делом. Ведь даже в самых отдаленных уголках можно отыскать речку или ручей, где с легкостью разместиться микро-ГЭС.

Тем более, что в нашей стране для повсеместного развития гидроэнергетики есть все условия. Российский потенциал гидроресурсов сопоставим с объемом вырабатываемой электроэнергии всеми существующими электростанциями. А энергетические возможности малой гидроэнергетики во много раз больше, чем потенциал ветра, солнца и биомассы сложенных вместе. Но, к сожалению, энергию рек мы задействовали только на четверть от возможного. Хотя именно с ней многие эксперты связывают развитие энергетической отрасли в обозримом будущем.

Гидроэнергетика – это выработка электрической энергии с помощью гидротурбин различных мощностей, которые установлены на постоянных водотоках. В большинстве случаев при создании гидроэлектростанции требуется возведение плотины с установкой гидротурбин, но не исключается возможность создания бесплотинных станций. К объектам малой гидроэнергетики относятся малые ГЭС (гидроагрегаты мощностью от 100 кВт до 30 МВт) и микро-ГЭС (мощность до 100 кВт).

Малые ГЭС (МГЭС) представляют собой турбину с генератором и системой автоматического управления. А в соответствии с характером использования гидроресурсов они подразделяются на русловые — станции с маленькими водохранилищами; станции, в использовании которых находится скоростная энергия свободного течения реки; станции с источником энергии в виде перепада уровня воды.

Спектр источников энергии для МГЭС очень обширен. Это небольшие речушки и ручьи, также используется перепад высоты озерных водосборов и оросительных каналов ирригационных систем. Турбины малых электростанций могут быть гасителем энергии на перепаде высоты различных трубопроводов, которые перекачивают жидкие продукты. Установить небольшие гидроагрегаты возможно на технологических водотоках, таких как промышленный или канализационный сбор. С микро-ГЭС ситуация еще проще – они устанавливаются почти в любых местах и могут использоваться в качестве источника энергии в дачных поселках, фермерских хозяйствах, хуторах, небольших производствах.

У каждого способа получения электроэнергии есть свои плюсы и минусы, МГЭС в этом случае не являются исключением. Основное достоинство малой гидроэнергетики в том, то она экологически безопасна. Процесс сооружения и эксплуатации не имеет вредного воздействия на водоем, атмосферу, растительный или животный мир, местный микроклимат. Помимо этого, современные МГЭС характеризуются простотой конструкции и полной автоматизацией. Они могут осуществлять работу как самостоятельно, так и в качестве составной части электросети, причем эксплуатационный ресурс данных агрегатов – не менее 40 лет.

Немаловажен и тот факт, что для организации работы МГЭС большие водохранилища с огромными затопленными территориями не требуются. При их создании повышается энергетическая безопасность региона, обеспечивается независимость от дорогостоящих видов топлива, происходит экономия дефицитных ископаемых. Строительство таких станций не нуждается в крупных капиталовложениях, большом количестве энергоемкого строительного материала и существенных тудозатратах, окупается в относительно короткий период времени.

Минусы малой гидроэнергетики не так существенны, как в некоторых других видах получения энергии, но, тем не менее, они есть. Как и все локализированные источники, объекты МГЭС уязвимы в случае возможности выхода из строя, тогда потребители рискуют остаться без электричества. Решение проблемы – ввод резервной генерирующей мощности. Самыми распространенными авариями могут быть разрушения плотины при переливе через нее воды, при неожиданном подъеме. Иногда малые ГЭС становятся причиной заливания водохранилищ, а также могут оказывать влияние на процессы формирования русла. Выработка электроэнергии такими станциями неравномерна в силу зимних и летних спадов. Поэтому многие районы используют малую гидроэнергетику, как резервный вариант.

В последние десятилетия малые гидроэлектростанции находят широкое распространение во многих странах. В некоторых из них общая мощность МГЭС составляет более 1 млн. кВт. Такие результаты наблюдаются в США, Канаде, Швеции, Испании, Франции, Италии. Неоспоримый лидер в этой сфере КНР. Здесь работает большое количество МГЭС составной мощностью 13 млн. кВт. В перечисленных странах малые электростанции выступают в качестве местных экологически чистых источников энергии. Их работа экономит традиционные топлива, значительно сокращая вредные выбросы диоксида углерода.

Российская малая гидроэнергетика имеет огромный потенциал. Количество небольших рек у нас более 2,5 млн., в сумме их сток превышает 1000 км. кубических в год. Специалисты оценивают, что сегодня мы в состоянии с помощью малых ГЭС генерировать более 500 млрд. кВтч в год. Основной ресурс для развития МГЭС сосредоточен в районах Дальнего Востока, Архангельске, Мурманске, Калининграде, Карелии, Туве, Якутии, Тюменской области.

Свое развитие в нашей стране малая гидроэнергетика начала в первые годы 20 века. Исторические документы говорят о том, что в 1913 году в России работали 78 станций, общей мощностью 8,4 МВт, самая большая из них располагалась на реке Мургаб – 1,35 МВт. Руководствуясь данными показателями, можно сделать вывод, что эти ГЭС относятся к разряду малых. В 1941 на территории России работало более 600 МГЭС, суммарной мощностью в 330 МВт. Бум в строительстве малых станций наблюдается в 40-50е гг. 20 века, когда каждый год вводились более 1000 гидрообъектов малой мощности. После окончания ВОВ их общее количество составило 6500 единиц.

Но в 50-е годы произошел глобальный переход к строительству ГЭС больших мощностей и перевод сельских потребителей на централизованное энергоснабжение, что привело к полному упадку отрасли малых ГЭС. На момент распада СССР в стране осталось всего 55 действующих МГЭС. В 2000-х правительство попыталось стимулировать развитие малой гидроэнергетики, но этому помешал кризис. До последнего момента процент энергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями медленно, но постоянно снижался: в 1995 году его доля составляла 21%, в 1996 – 18%, в 1997 – 16%. Причина этого в износе оборудования и увеличении в энергобалансе страны роли другого энергоресурса, которым является природный газ.

Но, тем не менее, эксперты прогнозируют, что доля электроэнергии малых ГЭС в ближайшем будущем станет постепенно увеличиваться. Наиболее актуален этот процесс будет для зоны децентрализованного обеспечения, где с помощью МГЭС будут заменять старые неэкономичные дизель- электростанции. Данная мера позволит сократить расходы федерального бюджета и повысить эффективность и энергетическую безопасность «трудных» районов. Так, в Дальневосточных регионах энергию до сих пор вырабатывают несколько тысяч дизельных электростанций, зависимость электроснабжения от поставок дизельного топлива почти 100%. Стоимость и доставка дизтоплива для подобных целей очень высока, поэтому вопрос о введении тут других энергоресурсов стоит очень остро.

Работа по обеспечению таких районов альтернативными источниками энергии, в том числе и малыми ГЭС уже началась. Так, в Адыгее введены в действие 2 МГЭС, работа которых направлена на подачу питьевой воды. В Краснодарском крае установили несколько небольших гидроагрегатов мощностью в 350 кВт. В Тыве и на Алтае работают 3 МГЭС – 10, 50 и 200 кВт. В Карелии и Ленинградской области действуют 4 мини ГЭС мощностью от 10 до 50 кВт., в Башкирии есть 4 МГЭС, оснащенные агрегатами от 10 до 50 кВт., и многие другие. К 2020 году правительство планирует довести объем электроэнергии малых ГЭС до 1000 МВт мощности.

При помощи гидротурбин разной мощности, устанавливаемых на постоянных водотоках (чаще всего — в руслах рек). Как правило, создание гидроэлектростанции требует возведения плотины, в которой устанавливаются гидротурбины, но возможно также создание бесплотинных ГЭС.

Мы рассмотрим возможности производства энергии при помощи малых ГЭС и микро-ГЭС (МГЭС). В российской практике под микро-ГЭС подразумевают станции мощностью до 100 кВт, а под малыми - общей установленной мощностью до 30 МВт с мощностью единичного гидроагрегата до 10 МВт и диаметром рабочего колеса гидротурбины до 3 м.

Как считают эксперты, подобная классификация затрудняет расчет валового энергетического потенциала малой гидроэнергетики, поскольку не позволяет определить технические параметры гидроэлектростанции. При этом под валовым потенциалом ВИЗ понимается его средний годовой объем, содержащийся в данном ресурсе, при полном его превращении в полезную энергию. На эту проблему следует обратить внимание, поскольку все расчеты потенциала возобновляемых энергоресурсов базируются на моделях и методиках, определяющих точность конечного результата, а значит и эффективность применения конкретного энергоресурса в конкретных условиях.

В наиболее полной работе по оценке гидроэнергетических ресурсов СССР, опубликованной в 1967 г., к категории МГЭС относились все гидроэлектростанции, создаваемые на равнинных реках, имеющие валовой потенциал до 2.0 МВт и горных - до 1.7 МВт. Эти классификационные признаки считаются оптимальными, поскольку не относятся к техническим параметрам будущих ГЭС.

В большинстве случаев предполагается, что МГЭС устанавливаются на малых реках и водотоках. Хотя малые реки являются одним из наиболее распространенных типов водных объектов, единого подхода к их определению в настоящее время нет. Применяются различные критерии при определении понятия малая река (малый водоток).

Прежде всего используют количественные критерии. В соответствии с ГОСТ 17.1.1.02-77,; у малой реки площадь водосбора не превышает 2000 км2, а средний многолетний сток в период низкой межени (минимальный уровень I воды) не превышает 5 м3/с. В то же время, согласно другой систематике, площадь водосбоpa малой реки не должна превышать 200 км2, а ее длина должна быть не более 100 км. Также есть примеры того, как при классификации учитывается возможность хозяйственного использования малых рек. Но единого, общепринятого подхода к определению понятия «малая река» в России нет.

Достоинства и недостатки малой гидроэнергетики

Как и любой другой способ производства энергии, применение малых и мини-ГЭС имеет как преимущества, так и недостатки.

Среди экономических, экологических и социальных преимуществ объектов малой гидроэнергетики можно назвать следующие. Их создание повышает энергетическую безопасность региона, обеспечивает независимость от поставщиков топлива, находящихся в других регионах, экономит дефицитное органическое топливо. Сооружение подобного энергетического объекта не требует крупных капиталовложений, большого количества энергоемких строительных материалов и значительных трудозатрат, относительно быстро окупается. Кроме того, есть возможности для снижения себестоимости возведения за счет унификации и сертификации оборудования.

В процессе выработки электроэнергии ГЭС не производит парниковых газов и не загрязняет окружающую среду продуктами горения и токсичными отходами, что соответствует требованиям Киотского протокола. Подобные объекты не являются причиной наведенной сейсмичности и сравнительно безопасны при естественном возникновении землетрясений. Они не оказывают отрицательного воздействия на образ жизни населения, на животный мир и местные микроклиматические условия.

Возможные проблемы, связанные с созданием и использованием объектов малой гидроэнергетики, менее выражены, но о них также следует сказать.

Как любой локализованный источник энергии, в случае изолированного применения, объект малой гидроэнергетики уязвим с точки зрения выхода из строя, в результате чего потребители остаются без энергоснабжения (решением проблемы является создание совместных или резервных генерирующих мощностей - ветроагрегата, когенерирующей мини-котельной на биотопливе, фотоэлектрической установки и т.д.).

Наиболее распространенный вид аварий на объектах малой гидроэнергетики - разрушение плотины и гидроагрегатов в результате перелива через гребень плотины при неожиданном подъеме уровня воды и несрабатывании запорных устройств. В некоторых случаях МГЭС способствуют заиливанию водохранилищ и оказывают влияние на руслоформирующие процессы.

Существует определенная сезонность в выработке электроэнергии (заметные спады в зимний и летний период), приводящая к тому, что в некоторых регионах малая гидроэнергетика рассматривается как резервная (дублирующая) генерирующая мощность.

Среди факторов, тормозящих развитие малой гидроэнергетики в России, большинство экспертов называют неполную информированность потенциальных пользователей о преимуществах применения небольших гидроэнергетических объектов; недостаточную изученность гидрологического режима и объемов стока малых водотоков; низкое качество действующих методик, рекомендаций и СНиПов, что является причиной серьезных ошибок в расчетах; неразработанность методик оценки и прогнозирования возможного воздействия на окружающую среду и хозяйственную деятельность; слабую производственную и ремонтную базу предприятий, производящих гидроэнергетическое оборудование для МГЭС, а массовое строительство объектов малой гидроэнергетики возможно лишь в случае серийного производства оборудования, отказа от индивидуального проектирования и качественно нового подхода к надежности и стоимости оборудования - по сравнению со старыми объектами, выведенными из эксплуатации.

Гидропотенциал России, его использование

Согласно сделанным в начале 60-х годов XX века оценкам, СССР располагал 11.4% мировых гидроэнергетических ресурсов. Средняя годовая мощность гидроресурсов бывшего СССР оценивалась в 434 млн. кВт (3.800 млрд. кВт. ч отдачи энергии в год). Расчеты показывали, что технически возможно и экономически целесообразно получать около 1.700 млрд. кВ ч электроэнергии, что более чем в 5 раз превышало выработку всех электростанций страны в тот период.

Основная часть этого гидропотенциала (74%) располагалась на территории Российской Федерации. Средняя годовая потенциальная мощность гидроресурсов России оценивалась в 320 млн. кВт (производство - 2.800 млрд. кВт ч в год), из которых выработка более 1.340 млрд. кВт ч в то время была технически возможна.

По своему потенциалу гидроресурсы России сопоставимы с существующими объемами выработки электроэнергии всеми электростанциями страны, однако этот потенциал используется всего на 15%. В связи с ростом затрат на добычу органического топлива и соответствующим увеличением его стоимости, представляется необходимым обеспечить максимально возможное развитие гидроэнергетики, являющейся экологически чистым возобновляемым источником электроэнергии.

При оптимистическом и благоприятном вариантах развития выработка электроэнергии на гидроэлектростанциях может возрасти до 180 млрд. кВт ч в 2010 г. и до 215 млрд. кВт ч в 2020 г. с дальнейшим увеличением до 350 млрд. кВт ч за счет сооружения новых гидроэлектростанций. Предполагается, что гидроэнергетика преимущественно будет развиваться в Сибири и на Дальнем Востоке. В европейских районах строительство МГЭС получит развитие на Северном Кавказе.

Исторический экскурс

В настоящее время гидроэнергетический потенциал практически полностью реализуется за счет больших и гигантских ГЭС. Вместе с тем, согласно имеющимся данным, в 1913 г. число действовавших в России ГЭС составляло 78 единиц, общей мощностью 8.4МВт. Крупнейшей из них была ГЭС на р. Мургаб, мощностью 1.35 МВт. Таким образом, согласно современной классификации, все действовавшие в то время ГЭС являлись малыми.

Менее чем через 30 лет - в 1941 г. в России работали 660 малых сельских ГЭС, общей мощностью 330 МВт. На 40-е и 50-е годы XX века пришелся пик строительства МГЭС, когда ежегодно в эксплуатацию вводились до 1000 объектов. По разным оценкам, к 1955 г. на территории Европейской части России насчитывалось от 4000 до 5000 МГЭС. А общее количество МГЭС в СССР после окончания Великой Отечественной войны составляло 6500 единиц.

Правда, уже в начале 50-х годов, в связи с переходом к строительству гигантских энергетических объектов и присоединением сельских потребителей к централизованному электроснабжению, это направление энергетики утратило государственную поддержку, что привело практически к полному разрушению и упадку созданной прежде инфраструктуры. Прекратилось проектирование, строительство, изготовление оборудования и запасных частей для малой гидроэнергетики.

В 1962 г. в СССР насчитывалось 2665 малых и микро-ГЭС. В 1980 г. их было около 100 с суммарной мощностью 25 МВт. А к моменту распада СССР в 1990 г. действовавших МГЭС оставалось всего 55. Согласно данным разных источников, в настоящее время по всей России действуют от нескольких десятков (60-70) до нескольких сотен (200-300) единиц.

Программой развития гидроэнергетики СССР до 2000 г. предусматривалось увеличение мощности действующих ГЭС почти в два раза. Предполагалось построить 93 новых гидроэлектростанции, затопить 2 млн. га плодородных земель и переселить с затопляемых территорий более 200 тыс. человек. (Малым ГЭС в этих планах места не нашлось.) Распад СССР и экономический кризис не позволили реализовать эти грандиозные планы.

В течение последних 10 лет доля вырабатываемой на гидростанциях электроэнергии в общем энергетическом балансе России снижается. В 1995 г. она составляла 21%, в 1996 г. - 18%, в 1997 г. - 16%. Это связано как с устареванием и износом оборудования на гидроэнергетических гигантах прошлого, так и с увеличением в энергобалансе страны доли более удобного энергоресурса - природного газа.

По мнению экспертов, в ближайшем будущем выработка электроэнергии на гидростанциях будет увеличиваться. Это будет происходить преимущественно в регионах с децентрализованным электроснабжением за счет ввода в действие новых малых ГЭС, которые будут замещать устаревающие и неэкономичные дизельные электростанции.

Место малой гидроэнергетики среди других ВИЗ

В производстве электроэнергии малая гидроэнергетика России делит первенство с тепловыми электростанциями на биотопливе. Согласно имеющимся данным за 2002 и 2003 гг., на МГЭС и био-ТЭС было произведено примерно равное количество электроэнергии - по 2.4 млрд. кВт ч (2002 г.) и по 2.5- 2.6 млрд. кВт ч (2003 г.). То есть вклад каждого из этих ресурсов в выработку электроэнергии в России составлял менее 0.3%.

Общая установленная мощность 59 МГЭС, сведениями о которых мы располагаем, составляла 610 МВт в 2001 г. Согласно экспертным оценкам, в настоящее время этот показатель выше. При этом средние значения КИУМ для действующих МГЭС составляли 38-53%, а столь важный для расчета эффективности энергоустановки показатель, как расход электроэнергии на собственные нужды, не превышал 1.5%.

Принятая в 1997 г. Федеральная целевая программа «Топливо и энергетика» предусматривала ускорение создания МГЭС, но слабое бюджетное финансирование не позволило выполнить ее в полном объеме.

Несмотря на финансовые проблемы, производится строительство новых и восстановление действовавших прежде, но остановленных и частично разрушенных МГЭС. В большинстве случаев их строительство и ввод в эксплуатацию производится без участия средств федерального бюджета. Для этого привлекаются средства из местных бюджетов, средства спонсоров и инвесторов.

В новом строительстве преобладают микро-ГЭС с единичной мощностью агрегатов от 10 до 50 кВт, объединенные в системы по 2-5 единиц. Строятся малые ГЭС с единичной мощностью агрегатов от 200 до 550 кВт, объединенных в системы по 2-7 единиц.

Как правило, МГЭС создаются в удаленных районах, где существует проблема с завозом органического топлива (в большинстве случаев - дизельного топлива, реже - угля). В Адыгее построены 2 МГЭС мощностью 50 и 200 кВт, используемые для подачи питьевой воды. В Кабардино-Балкарии построена МГЭС мощностью 1100 кВт. В 2003 г. в Краснодарском крае установлены 7 гидроагрегатов по 350 кВт. В республике Тыва и на Алтае построены 3 МГЭС с агрегатами 10, 50 и 200 кВт, объединенные по 2-3 единицы. В Карелии и Ленинградской обл. - 4 мини-ГЭС с агрегатами от 10 до 50 кВт. В Башкирии также 4 мини-ГЭС с агрегатами от 10 до 50 кВт. Кроме этого были построены заново или восстановлены другие МГЭС.

Ожидаемые сдвиги в энергобалансе

По мнению экспертов, основное назначение МГЭС в ближайшие годы будет заключаться в замещении завозимого в удаленные регионы России органического топлива (в первую очередь - дизельного) с целью снижения расходов федерального бюджета и повышения эффективности и энергетической безопасности энергодефицитных регионов. Строительство МГЭС производится на охраняемых природных территориях и в местах с достаточно стабильным режимом водности малых водотоков.

Планируется создание 5 МГЭС на реках Корякского АО. Это позволит заместить в энергобалансе до 18 тыс. т дизельного топлива, что составляет 30% от общего объема, ежегодно завозимого в регион.

В Дальневосточном регионе в настоящее время действуют более 3000 дизельных электростанций (ДЭС) мощностью до 500 кВт. Электроснабжение региона полностью зависит от стабильности поставок дизельного топлива и качества оборудования для его сжигания. Стоимость как самого дизельного топлива, так и его доставки в настоящее время столь высока, что возникла срочная необходимость в его замещении другими энергоресурсами. Кроме того, износ оборудования большинства ДЭС так велик, что необходимо срочно решать вопрос стабильности электроснабжения региона.

В этих условиях организации, проектирующие МГЭС и производящие соответствующие обследования малых водотоков выявили более 200 мест для строительства МГЭС, что позволит, по приблизительным оценкам, производить до 1.5 млрд. кВт ч электроэнергии в год. В соответствии с более поздними исследованиями, электроснабжение ряда населенных пунктов Дальнего Востока и Приморья может быть оптимизировано за счет строительства 7-8 МГЭС, расположенных вблизи потребителей и объединенных в местную энергосистему.

Реализация этих проектов поможет сократить объем завозимого в регион дизельного топлива на 28 тыс. т в год, что высвободит автотранспорт и сократит загрузку местных портов. Все это существенно увеличит энергетическую независимость Дальнего Востока и Приморья.

Возможности восстановления разрушенных МГЭС

В разных регионах России до настоящего времени встречаются руины МГЭС, которые еще в середине XX века снабжали населенные пункты и сельскохозяйственные предприятия электроэнергией. Проведенные в последние годы инженерные обследования разрушенных МГЭС показали, что на многих объектах сохранились бетонные сооружения, восстановление которых может быть экономически оправданно.

Среди преимуществ реконструкции и восстановления разрушенных МГЭС эксперты называют следующие: автономность снабжения местных потребителей электроэнергией, независимость от сетей РАО «ЕЭС России»; уменьшение расходов на создание местных линий электропередач; уменьшение нагрузки на локальные электрические сети РАО ЕЭС России; уменьшение расходов на дорогостоящее органическое топливо; экологическая чистота гидроэнергетики.

Начиная с 1995 г. в НИИ энергетического строительсва производят работы по созданию базы данных гидротехнических сооружений и МГЭС на малых реках Европейской части России. В настоящее время база данных содержит сведения о 200 подобных объектах на реках бассейна верхней и средней Волги, а также северо-запада России. По 100 объектам выполнено инженерное обследование сооружений. Ряд объектов имеет проектную документацию. Практически все гидротехнические объекты, включенные в базу данных, имели в составе гидроэлектрические установки. На реках строились каскады из 2- 6 МГЭС, которые формировали хозяйственную прибрежную инфраструктуру. Кроме того, каскады обеспечивали защиту от наводнений.

Специалисты НИИЭС провели обследования некоторых частично разрушенных МГЭС и выполнили технико-экономические обоснования их восстановления. Среди обследованных объектов Веселовская МГЭС (Ростовская обл.), Копылковская МГЭС (р. Великая, Псковская обл.), Петровская и Мирславльская МГЭС (р. Нерль, Ивановская обл.).

Для поиска оптимальных инженерно-технических решений по восстановлению МГЭС в 2003 г. была построена Хоробровская МГЭС (р. Нерль-Волжская, Ярославская обл.) мощностью 160 кВт, вырабатывающая 840 тыс. кВт ч электроэнергии. Она была восстановлена как постоянно действующая опытно-экспериментальная база ОАО НИИЭС РАО «ЕЭС России» для испытания в натурных условиях новых технологий и оборудования для технического перевооружения гидроэнергетики - в т.ч. малой. Эта МГЭС работает в полностью автоматическом режиме как в отношении выработки электроэнергии, так и при пропуске паводков. На водосливной плотине МГЭС установлены экспериментальные автоматические затворы и Гидроплюс, выполненные при участии французских специалистов.

В 2004 г. на оз. Сенеж (Московская обл.) введена в эксплуатацию восстановленная малая гидроэнергетическая установка XIX века барона Кноппа, построенная на основе гидроэнергетических сооружений середины XVIII века. Гидроэнергетическое оборудование восстановленной МГЭС представляет собой ортогональную гидротурбину, позволяющую эффективно использовать низконапорные плотины, изготовленную на предприятии «Прометей» в подмосковном Чехове. В дополнение к МГЭС, на ее плотине установлены ортогональные энергетические ветроустановки с новой конструкцией аэродинамического торможения. Сочетание работы МГЭС и ветровых машин позволит оптимизировать производство электрической мощности, поставляемой в местную электросеть.

Суммарная мощность гидро-ветрокомплекса составляет 70 кВт. Он состоит из двух ветроагрегатов по 10 кВт и двух гидроагрегатов мощностью 45 и 5 кВт. В ходе испытаний предполагается проверить способность комплексной системы работать на сеть и на локальную нагрузку, что позволит использовать подобные энергокомплексы для электроснабжения потребителей в удаленных регионах.

В целом можно сказать, что малая гидроэнергетика в своем развитии испытывает те же проблемы, что и энерготехнологии на остальных возобновляемых источниках энергии. Если бы всего несколько процентов от тех субсидий, которые направляются из федерального бюджета на поддержку тепловой или атомной энергетики, или так называемого «северного топливного завоза», направлялись государственными структурами на развитие возобновляемой энергетики, - наша страна могла бы смотреть в будущее с гораздо большим оптимизмом.

Под малой гидроэнергетикой понимают производство электроэнергии при помощи гидротурбин разной мощности, устанавливаемых на постоянных водотоках. Как правило, создание гидроэлектростанции (ГЭС) требует возведения плотины, в которой устанавливаются гидротурбины, но возможно также создание бесплотинных ГЭС.

Под микро-ГЭС подразумевают станции мощностью до 100 кВт, а под малыми (МГЭС) - общей установленной мощностью до 30 МВт с мощностью единичного гидроагрегата до 10 МВт и диаметром рабочего колеса гидротурбины до 3 м. В большинстве случаев предполагается, что МГЭС устанавливаются на малых реках и водотоках. МГЭС могут работать на зарегулированном стоке или без подпора на естественном стоке. Для МГЭС используют также холостые сбросы через плотины крупных гидроузлов и шлюзов, перепады уровней больших масс воды на промышленных предприятиях, сбросы воды горно-обогатительных комбинатов, ТЭЦ, ГРЭС, АЭС и т. д. МГЭС строятся также на ирригационных каналах.

Как и любой другой способ производства энергии, применение малых и микро-ГЭС имеет как преимущества, так и недостатки.

Среди экономических, экологических и социальных преимуществ объектов малой гидроэнергетики можно назвать следующие. Их создание повышает энергетическую безопасность региона, обеспечивает независимость от поставщиков топлива, находящихся в других регионах, экономит дефицитное органическое топливо. Сооружение подобного энергетического объекта не требует крупных капиталовложений, большого количества энергоемких строительных материалов и значительных трудозатрат, относительно быстро окупается.

В процессе выработки электроэнергии ГЭС не производит парниковых газов и не загрязняет окружающую среду продуктами горения и токсичными отходами, что соответствует требованиям Киотского протокола. Подобные объекты не являются причиной наведенной сейсмичности и сравнительно безопасны при естественном возникновении землетрясений. Они не оказывают отрицательного воздействия на образ жизни населения, на животный мир и местные микроклиматические условия.

Проблемой малых ГЭС является их уязвимость с точки зрения выхода из строя, в результате чего потребители остаются без энергоснабжения. Решением проблемы является создание резервных генерирующих мощностей - ветроагрегата, когенерирующей мини-котельной, фотоэлектрической установки и т.д.

Наиболее распространенный вид аварий на объектах малой гидроэнергетики - разрушение плотины и гидроагрегатов в результате перелива через гребень плотины при неожиданном подъеме уровня воды и несрабатывании запорных устройств. В некоторых случаях МГЭС способствуют заиливанию водохранилищ и оказывают влияние на руслоформирующие процессы.

Существует определенная сезонность в выработке электроэнергии, когда в зимний и летний периоды в силу снижения расхода на водотоке мощность МГЭС значительно уменьшается.

Факторами, тормозящими развитие малой гидроэнергетики в России, являются:

• отсутствие информации у потенциальных пользователей о преимуществах применения МГЭС;
• слабая изученность гидрологического режима малых водотоков;
• отсутствие научно обоснованных методик оценки и прогнозирования возможного воздействия на окружающую среду и хозяйственную деятельность;
• низкая производственная и ремонтная база предприятий, производящих оборудование для МГЭС;
• отсутствие серийного оборудования для массового строительства МГЭС.

Малые ГЭС

Человек еще в глубокой древности обратил внимание на реки как на доступный источник энергии. Для использования этой энергии люди научились строить водяные колеса, которые вращала вода. Этими колесами приводились в движение мельничные жернова и другие установки. Водяная мельница является ярким примером древнейшей гидроэнергетической установки, сохранившейся во многих странах до нашего времени почти в первозданном виде. До изобретения паровой машины энергия воды была основной двигательной силой на производстве. По мере совершенствования водяных колес увеличивалась мощность гидравлических установок, приводящих в движение станки. В первой половине XIX века была изобретена гидротурбина, открывшая новые возможности по использованию гидроэнергоресурсов. С изобретением электрической машины и способа передачи электроэнергии на значительные расстояния началось освоение водной энергии путем преобразования ее в электрическую энергию на гидроэлектростанциях (ГЭС).

Малые и микро-ГЭС – объекты малой гидроэнергетики. Эта часть энергопроизводства занимается использованием энергии водных ресурсов и гидравлических систем с помощью гидроэнергетических установок малой мощности (от 1 до 3000 кВт). Малая энергетика получила развитие в мире в последние десятилетия, в основном, из-за стремления избежать экологического ущерба, наносимого водохранилищами крупных ГЭС, изза возможности обеспечить энергоснабжение в труднодоступных и изолированных районах, а также, из-за небольших капитальных затрат при строительстве станций и быстрого возврата вложенных средств. Строительство МГЭС имеет также широкие перспективы развития в различных регионах мира с трансграничными речными бассейнами.

В настоящее время нет общепринятого для всех стран понятия малой ГЭС. Однако во многих странах в качестве основной характеристики такой ГЭС принята ее установленная мощность. К малым, как правило, относятся ГЭС мощностью до 30 МВт. Малая гидроэнергетика свободна от многих недостатков крупных ГЭС и признана одним из наиболее экономичных и экологически безопасных способов получения электроэнергии, особенно при использовании небольших водотоков. В малых, микро- или нано-ГЭС сочетаются преимущества большой ГЭС с одной стороны и возможность децентрализованной подачи энергии с другой стороны.

Особенности малых ГЭС

В последние годы широко распространена практика установки малых гидроэлектростанций. Электростанция подобного типа представляет собой установку, все виды оборудования которого являются гидроэлектрическими устройствами. В зависимости от мощностей установок, они градуируются на мини-ГЭС с мощностью, не превышающей 10 МВт, микроГЭС с мощностью, не превышающей 0,1 МВт, и малые гидроэлектростанции с мощностью от 10 до 30 МВт. Схема устройства гидроэлектростанции приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема устройства гидроэлектростанции: 1 – водохранилище; 2 – затвор; 3 – трансформаторная подстанция с распределительным устройством; 4 – гидрогенератор; 5 – гидравлическая турбина

Гидроагрегат малой гидроэлектростанции состоит из энергоблока, водозаборной установки и элементов управления. По виду гидроресурсов, которые используются при работе малых ГЭС, их можно подразделить на:

• станции руслового или приплотинного типа, имеющие небольшие по объёму водохранилища;
• мини-станции стационарного характера, в работе которых используется энергия свободного потока рек;
• гидроэлектростанции, работающие с использованием энергии существующих перепадов уровня воды.

Турбины для гидроагрегатов малых гидроэлектростанций существуют:

• осевого типа;
• радиально-осевого исполнения;
• ковшовой конструкции;
• с поворотно-лопастными устройствами.

Турбины применяют в зависимости от напора воды, используемого гидроэлектростанцией. Так, турбины ковшового и радиально-осевого действия разработаны и применяются для высоконапорных мини-станций. Турбины с поворотно-лопастными и радиально-осевыми устройствами применяют на средненапорных ГЭС. На низконапорных станциях малой мощности устанавливают турбины поворотно-лопастного действия.

Принцип действия всех видов турбин одинаков, под напором поступающей на лопасти воды, они осуществляют вращательные движения. Мощность всех гидроэлектрических мини-станций зависит от напора воды и её расхода, от КПД установленных генераторов и турбин.

Выбирая ГЭС малой мощности необходимо учитывать, что всё оборудование должно быть адаптировано для конкретных условий, соответствовать нуждам и назначению объекта и отвечать определённым аспектам. Всё оборудование должно быть оснащено автоматическими системами управления и контроля работы с возможностью перехода на ручное управление в случаях аварийных ситуаций и внезапного отключения электроэнергии. Малые ГЭС должны быть оборудованы надёжными системами защиты и безопасности.

Преимущества и недостатки малых ГЭС

Одним из основных достоинств объектов малой гидроэнергетики является экологическая безопасность. В процессе их сооружения и последующей эксплуатации вредных воздействий на свойства и качество воды нет. Водоемы можно использовать и для рыбохозяйственной деятельности, и как источники водоснабжения населения. Однако и помимо этого у микро- и малых ГЭС немало достоинств. Современные станции просты в конструкции и полностью автоматизированы. Вырабатываемый ими электрический ток соответствует требованиям ГОСТа по частоте и напряжению, причем станции могут работать как в автономном режиме, так и в составе электросети. Объекты малой энергетики не требуют организации больших водохранилищ с соответствующим затоплением территории и колоссальным материальным ущербом.

При строительстве и эксплуатации МГЭС сохраняется природный ландшафт, практически отсутствует нагрузка на экосистему. К преимуществам малой гидроэнергетики, по сравнению с электростанциями на ископаемом топливе, можно также отнести: низкую себестоимость электроэнергии и эксплуатационные затраты, относительно недорогую замену оборудования, более длительный срок службы ГЭС (40–50 лет), комплексное использование водных ресурсов (электроэнергетика, водоснабжение, мелиорация, охрана вод, рыбное хозяйство).

Многие из малых ГЭС не всегда обеспечивают гарантированную выработку энергии, являясь сезонными электростанциями. Зимой их энергоотдача резко падает, снежный покров и ледовые явления (лед и шуга) так же, как и летнее маловодье и пересыхание рек могут вообще приостановить их работу. Сезонность малых ГЭС требует дублирующих источников энергии, большое их количество может привести к потере надежности энергоснабжения. Поэтому во многих районах мощность малых ГЭС рассматривается не в качестве основной, а в качестве дублирующей.

У водохранилищ малых ГЭС, особенно горных и предгорных районов, очень остро стоит проблема их заиления и связанная с этим проблема подъема уровня воды, затоплений и подтоплений, снижения гидроэнергетического потенциала рек и выработки электроэнергии.

Строительство и реконструкция малых ГЭС позволит не только получить экологически чистую электроэнергию, но и обеспечить электричеством энергодефицитные районы, где отсутствует централизованное электроснабжение. Развитие малой гидроэнергетики способствует децентрализации общей энергетической системы, что позволяет стабильно обеспечивать труднодоступные регионы электричеством. Энергия, вырабатываемая малыми ГЭС, используется ближайшими потребителями. При этом снижаются траты на ее транспортировку, и повышается надежность энергоснабжения.

Регионы развития и технологические ограничения

Малая гидроэнергетика является одним из наиболее понятных для инвесторов направлений развития возобновляемых источников энергии. Развитие малой гидроэнергетики сейчас перспективно в районах с высокой плотностью гидроэнергетических ресурсов, особенно в регионах отсутствия централизованного электроснабжения и дефицита мощностей (рис. 2.2).

Наиболее перспективными регионами Российской Федерации для развития малой гидроэнергетики являются Республики Северного Кавказа: Дагестан, Чечня, Ингушетия, Карачаево-Черкессия, Кабардино-Балкария, Северная Осетия, Адыгея, а также Ставропольский и Краснодарский край, Карелия, Мурманская область, Южная Сибирь, Прибайкалье и регионы Дальнего Востока.

Гидроэнергетический потенциал России и его использование

Гидроэнергетический потенциал, подобно другим природным ресурсам, оценивается по нескольким категориям для отражения природнофизических, технических и социально-экономических аспектов. Определяются три категории оценки:

• валовой гидроэнергетический потенциал, т.е. полный запас энергии, которые несут реки;
• технический гидроэнергетический потенциал - часть валового, освоение которой в принципе осуществимо с помощью известных технических средств;
• экономический гидроэнергетический потенциал - часть технического, освоение которой представляется экономически эффективным, целесообразным.

Валовой потенциал (теоретические или потенциальные гидроэнергетические ресурсы) определяется по формуле

где Э - энергия, кВт ·ч; Q i - средний годовой расход реки на i -м рассматриваемом участке, м 3 /с; H i - падение уровня реки на этом участке, м; n - число участков; 8760 - число часов в году.

Он подсчитываются в предположении, что весь сток будет использован для выработки электроэнергии без потерь при преобразовании гидравлической энергии в электрическую.

Мировые потенциальные гидроэнергетические ресурсы оцениваются в 35000 млрд кВт·ч в год, потенциальные ресурсы России составляют 2896 млрд кВт·ч.

Технические гидроэнергетические ресурсы всегда меньше теоретических, так как они учитывают потери:

• гидравлических напоров в водоводах, бьефах, на неиспользуемых участках водотоков;
• расходов воды на испарение из водохранилищ, фильтрацию, холостые сбросы и т.п.;
• энергии в различном гидроэнергетическом оборудовании.

Технические ресурсы характеризуют возможность получения энергии на современном этапе.

Технические гидроэнергетические ресурсы России составляют 1670 млрд кВт·ч в год, в том числе по МГЭС - 382 млрд кВт·ч в год.

Выработка электроэнергии на действующих ГЭС России в 2002 г. составила 170,4 млрд кВт·ч, в том числе на МГЭС - 2,2 млрд кВт·ч.

Экономические гидроэнергетические ресурсы существенно зависят от прогресса в энергетике, удаленности ГЭС от места подключения к энергосистеме, обеспеченности рассматриваемого региона другими энергетическими ресурсами, их стоимостью, качеством и т.п.

В табл.4.1 приведены значения экономически эффективного гидроэнергетического потенциала России.

В 2003 г. на МГЭС России было выработано около 2,5 млрд кВт·ч электроэнергии, что составило менее 0,3% от общей выработки электроэнергии в России. Для сравнения, на конец 1980-х гг., малыми ГЭС США и Китая соответственно вырабатывалось 28 и 11 млрд кВт·ч электроэнергии.

По своему потенциалу гидроресурсы России сопоставимы с существующими объемами выработки электроэнергии всеми электростанциями страны, однако этот потенциал используется всего на 15%. В связи с ростом затрат на добычу органического топлива и соответствующим увеличением его стоимости, представляется необходимым обеспечить максимально возможное развитие гидроэнергетики. Предполагается, что гидроэнергетика преимущественно будет развиваться в Сибири и на Дальнем Востоке. В европейских районах строительство МГЭС получит развитие на Северном Кавказе.

Примерно 17% общего гидроэнергетического потенциала страны приходится на малые реки. Полный энергетический потенциал этих рек оценивается в 360 млн т у.т. в год, из которого технический - 125 млн т у.т. (35%), экономический - 65 млн т у.т. (18%). Он может быть реализован путем строительства малых ГЭС.

Около 40% гидроэнергетического потенциала рек Северного Кавказа приходится на Дагестан, что в общем энергетическом потенциале составляет 50,8 млрд кВт·ч в год. До 1990-х гг. экономически целесообразный потенциал рек Дагестана оценивался в 16 млрд кВт·ч. Из них 12 млрд кВт·ч предполагалось освоить большими и средними ГЭС, а 4 млрд кВт·ч - малыми ГЭС. В настоящее время идет переоценка экономически целесообразного потенциала рек Дагестана, в сторону его увеличения, в том числе и доли, приходящейся на малые ГЭС.

На 1940–1950-е гг. пришелся пик строительства МГЭС, когда ежегодно в эксплуатацию вводились до 1000 объектов. По разным оценкам к 1955 г. на территории Европейской части России насчитывалось от 4000 до 5000 МГЭС. А общее количество МГЭС в СССР после окончания Великой Отечественной войны составляло 6500 единиц.

В начале 1950-х гг., в связи с переходом к строительству крупных энергетических объектов и присоединением сельских потребителей к централизованному электроснабжению, это направление энергетики утратило государственную поддержку, что привело практически к полному разрушению и упадку созданной прежде инфраструктуры. Прекратилось проектирование, строительство, изготовление оборудования и запасных частей для малой гидроэнергетики.

К моменту распада СССР в 1990 г. действовавших МГЭС оставалось всего 55. Согласно данным разных источников, в настоящее время по всей России действуют от 70 до 350 МГЭС.

В последние годы доля вырабатываемой на гидростанциях электроэнергии в общем энергетическом балансе России снижается. В 1995 г. она составляла 21%, в 1996 г. - 18%, 1997 г. - 16%. Это связано как с устареванием и износом оборудования на гидроэнергетических гигантах прошлого, так и с увеличением в энергобалансе страны доли более удобного энергоресурса - природного газа.

По мнению экспертов, в ближайшем будущем выработка электроэнергии на гидростанциях будет увеличиваться. Это будет происходить преимущественно в регионах с децентрализованным электроснабжением за счет ввода в действие новых МГЭС, которые будут замещать устаревающие и неэкономичные дизельные электростанции.

Основное назначение МГЭС в ближайшие годы будет заключаться в замещении завозимого в удаленные регионы России органического топлива с целью снижения расходов федерального бюджета и повышения эффективности и энергетической безопасности энергодефицитных регионов.

В Дальневосточном регионе действуют более 3000 дизельных электростанций. Электроснабжение региона полностью зависит от стабильности поставок дизельного топлива. Из-за высокой стоимость дизельного топлива и его доставки возникла необходимость в его замещении другими энергоресурсами. Электроснабжение региона может быть оптимизировано за счет строительства МГЭС.

В последние годы разработаны схемы использования гидроресурсов и определены первоочередные объекты возможного строительства с учетом нужд потребителей. На Камчатском полуострове планируется строительство 20 МГЭС. В первую очередь намечено ввести в эксплуатацию шесть ГЭС общей установленной мощностью 50,2 МВт. Эти электростанции будут возводиться на реках, где не развито промысловое рыбоводство, или же они будут строиться без плотин. Во вторую очередь будут введены в строй еще 11 ГЭС общей мощностью 132,8 МВт. До 2015 г. завершится строительство еще трех ГЭС, суммарная мощность которых составит 300 МВт.

Северный Кавказ также относится к энергодефицитным регионам. В последние годы построены МГЭС в Адыгее (250 кВт), КабардиноБалкарии (1100 кВт), Краснодарском крае (2450 кВт).

По программе строительства малых ГЭС в Дагестане отобрано 20 наиболее перспективных проектов в бассейне р. Сулак с суммарной мощностью 46200 кВт, выработкой электроэнергии 274,4 млн кВт · ч и 12 наиболее перспективных МГЭС в Южном Дагестане с общей мощностью 11700 кВт, с суммарной среднегодовой выработкой электроэнергии 68 млн кВт·ч. Пущены в эксплуатацию Ахтинская МГЭС (1800 кВт), Агульская МГЭС (600 кВт), Аракульская МГЭС (1200 кВт), Амсарская МГЭС (1000 кВт), Курушская МГЭС (480 кВт), Бавтугайская МГЭС (600 кВт), Гунибская МГЭС (15000 кВт), Магинская МГЭС (1200 кВт), Шиназская МГЭС (1400 кВт).

Программа ОАО «ГидроОГК» по строительству и восстановлению МГЭС предусматривает ввод 300 МВт мощностей на малых гидростанциях к 2010 г. и 3000 МВт мощностей к 2020 г. (преимущественно на Северном Кавказе).

Расширение сети МГЭС позволит снабжать горные районы электроэнергией в полном объеме, что приведет к резкому улучшению социальных условий жизни горцев, расширению существующих и созданию новых производств (оросительных систем, цехов по выпуску строительных материалов, систем водоснабжения и водоотведения, агропромышленных комплексов и т.п.) и, соответственно, к созданию дополнительных рабочих мест. В конечном итоге снабжение электроэнергией горных районов на основе использования возобновляемой и экологически чистой гидравлической энергии будет способствовать возрождению и развитию отдаленных горных селений и закреплению на местах коренного населения.

Создание напора и основное оборудование ГЭС

Для создания напора на ГЭС могут использоваться следующие схемы:

• плотинная, при которой напор создается плотиной;
• деривационная, когда напор создается с помощью деривации (отведения, отклонения), выполняемой в виде канала, туннеля или трубопровода;
• комбинированная, в которой напор создается плотиной и деривацией.

Плотинная схема предусматривает создание подпора уровня водотока путем сооружения плотины. Образующееся при этом водохранилище может использоваться в качестве регулирующей емкости, позволяющей периодически накапливать запасы воды и более полно использовать энергию водотока.

В деривационной схеме отвод воды из естественного русла осуществляется по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон. Уровень воды в конце такого водовода оказывается выше уровня воды в реке, и эта разность уровней является напором ГЭС. Чем больше уклон реки и длиннее деривация, тем больший напор может быть получен. Деривация может быть безнапорной - канал, лоток, безнапорный туннель или напорной - напорный туннель, трубопровод. В практике встречаются смешанные схемы ГЭС: плотинно-деривационные, в которых напор создается как плотиной, так и деривацией, и смешанные деривационные, в которых имеются и напорные и безнапорные водоводы.

Деривационные ГЭС сооружают на горных реках и предгорных участках, где имеются значительные уклоны. С помощью деривации могут быть получены напоры 1000 м и более.

Основным энергетическим оборудованием ГЭС являются гидротурбины и генераторы.

Гидравлическая турбина преобразует энергию движения воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса. В зависимости от принципа преобразования энергии гидротурбины разделяются на активные и реактивные.

Активные турбины используют кинетическую часть энергии потока (скоростной напор).

Реактивные турбины (рис.4.1) используют преимущественно потенциальную энергию потока (энергия давления).

На ГЭС турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной. Чтобы получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших напорах используют турбины с малыми значениями коэффициента быстроходности, а при больших напорах - с большими значениями этого коэффициента.

Объединение «ИНСЭТ» (г. Санкт-Петербург) выпускает гидроагрегаты для МГЭС единичной мощностью до 5000 кВт и для микро-ГЭС мощностью от 3 до 100 кВт. Гидроагрегаты предназначены для эксплуатации в широком диапазоне напоров и расходов с высокими энергетическими характеристиками и выпускаются с пропеллерными, радиально-осевыми и ковшовыми турбинами. В комплект поставки входят, как правило, турбина, генератор и система автоматического управления гидроагрегатом.

АО «Тяжмаш» (г. Сызрань) поставляет гидротурбины мощностью 15000 для МГЭС, а также производит ремонт и восстановление отдельных узлов, монтаж и наладку оборудования.

Гидроэнергетическое оборудование для МГЭС разрабатывает НПО «РАНД» (г. Санкт-Петербург). Созданы гидротурбины, позволяющие эффективно использовать низкие напоры. Мощность таких установок составляет от 6–20 до 2500 кВт.

В последние годы разработаны погружные свободнопроточные гидротурбины, использующие для получения мощности скорость течения воды в водотоках и не требующие возведения плотин. Для размещения погружных гидротурбин можно использовать водотоки, имеющие достаточную ширину и глубину, а также скорость течения воды порядка 3 м/с.

Переносные погружные гидротурбины могут найти широкое применение при необходимости в быстром получении электроэнергии с минимальными временными и финансовыми затратами.

Микро-ГЭС (мощностью до 100 кВт) можно установить практически в любом месте. Гидроагрегат состоит из энергоблока, водозаборного устройства и устройства автоматического регулирования (рис.4.2).

Микро-ГЭС отличаются простотой. Они надежны, экологичны, компактны, быстро окупаемы. В первую очередь микро-ГЭС востребованы как источники электроэнергии для деревень, хуторов, дачных поселков, фермерских хозяйств; мельниц, небольших производств в отдаленных, горных и труднодоступных районах, где нет поблизости линий электропередач (а строить такие линии сейчас и дольше, и дороже, чем приобрести и установить микро-ГЭС).

Большое число микро-ГЭС может быть построено на гидроузлах водоснабжения и ирригации. В системах водоснабжения на участках трассы с большой разницей отметок поверхности вместо различного рода гасителей энергии (напора) могут быть построены микро-ГЭС. При расходах воды в пределах от 5 до 100 л/с их мощность может достигать от 20 до 200 кВт.

Интересные конструктивные решения реализуют некоторые зарубежные фирмы. На рис.4.3 представлена конструкция надувной водосливной плотины, предлагаемой фирмой «Dyrhoff». Вместо традиционных для плотин материалов: бетона, стали и дерева фирма использует «пузырь» из армированной резины. Для создания напора плотину надувают воздухом или наполняют водой с давлением, на 20–30% большим напора (h).

На бетонном основании «пузырь» удерживается с помощью анкеров. Компрессор или насос связаны со внутренней полостью плотины через трубопровод, расположенный в бетонном основании. Удобство такой конструкции заключается в том, что, при необходимости можно быстро и легко выпустить воздух из полости и «пузырь» опустится на дно, позволяя воде беспрепятственно проходить вниз по течению. Это свойство плотины наилучшим образом может быть использовано на реках с быстро нарастающими многоводными паводками для транзитного пропуска воды. Возможно применение этих плотин при сезонном пропуске рыбы и льда. Достоинствами этой плотины по данным фирмыпроизводителя является низкий уровень стоимости, простота работы и минимальные эксплуатационные расходы.

Другим, не менее интересным проектом является водозаборная плотина с экраном Coanda (рис.4.4). На сегодня более 40 водозаборов малых ГЭС в Европе оборудованы такими экранами. Эти экраны обладают свойством самоочищения и поэтому требуют незначительных эксплуатационных расходов. По существу, водозабор состоит из водосливной плотины, через гребень которой переливается вода и на низовой стороне которой располагается наклонная профилированная поверхность экрана, выполненного из коррозионностойкого материала. Через решетчатую структуру экрана вода проваливается вниз и попадает в трубопровод или канал, подающий воду на ГЭС. За счет специальной конфигурации прутьев решетки плавающий мусор, наносы и рыба скатываются по экрану вниз с некоторой частью воды. Экран Coanda способен устранить 90% частиц размером от 0,5 мм.

К ускоренному развитию малой гидроэнергетики могут подтолкнуть аварии, участившиеся в энергосистеме страны, поскольку гидроагрегаты могут быть источниками автономного питания. Другой фактор ускорения - экологические требования к вырабатываемой энергии, что стало еще более актуальным в связи с введением в действие Киотского протокола.

Сегодня малые ГЭС (микро-ГЭС) получили уже распространение во многих странах мира. Они характеризуются большой часовой наработкой, значительными конструктивными запасами и высокой надежностью, не требуют постоянного присутствия обслуживающего персонала. Экологические последствия от строительства и эксплуатации МГЭС минимальны. Малая гидроэнергетика практически не зависит от погодных условий и способна обеспечить устойчивую подачу электроэнергии потребителю. МГЭС вырабатывают дешевую электроэнергию, и срок их окупаемости не превышает 3–5 лет.

Энергия и мощность ГЭС

Мощность (кВт) на валу гидротурбины определяется как

где Q т - расход воды через гидротурбину м 3 /с; H - напор турбины с учетом потерь, м; η т - коэффициент полезного действия (КПД) турбины (η т = 0,93–0,96).

Электрическая мощность генератора

где η ген - КПД гидрогенератора, обычно равный 0,97.

Регулирование мощности агрегата производится изменением расхода воды, проходящей через гидротурбину. Мощность ГЭС в i -й момент времени равна

где Q г i , H г i , η г i - расход, напор и КПД ГЭС в i -й момент времени.

Выработка электроэнергии ГЭС (кВт · ч) за период времени T (ч) определяется по формуле

Годовая выработка электроэнергии ГЭС не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от объема стока, поступившего в водохранилище, степени его регулирования и условий эксплуатации ГЭС.

Электрическая мощность, подведенная к потребителю, меньше мощности, производимой ГЭС. Сумма всех потерь при передаче электроэнергии от ГЭС к потребителю оцениваются при помощи КПД системы передачи и преобразования η пер = 0,92–0,93.

Установленная мощность ГЭС N уст определяется как сумма номинальных (паспортных) мощностей установленных на ней генераторов. Она соответствует максимальной мощности, которую может развивать ГЭС.

Гидроаккумулирующие электростанции

Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) предназначена для перераспределения во времени энергии и мощности в энергосистеме. В часы пониженных нагрузок ГАЭС работает как насосная станция. За счет потребляемой энергии она перекачивает воду из нижнего бьефа в верхний и создает запасы гидроэнергии (рис. 4.5).

В часы максимальной нагрузки ГАЭС работает как ГЭС. Вода из верхнего бьефа пропускается через турбины в нижний бьеф, и ГАЭС вырабатывает и выдает электроэнергию в энергосистему. В процессе работы ГАЭС за счет разности тарифов потребляет дешевую электроэнергию, а выдает более дорогую в период пика нагрузки (ночью себестоимость электроэнергии ниже из-за небольшого спроса, а днем электроэнергии не хватает). Заполняя провалы нагрузки в энергосистеме, ГАЭС позволяет эксплуатировать тепловые и атомные электростанции в наиболее экономичном и безопасном режиме, резко снижая при этом удельный расход топлива на производство 1 кВт · ч электроэнергии в энергосистеме.

Таким образом, ГАЭС не вырабатывает энергию, а лишь перераспределяет ее во времени перекачкой воды из нижнего бассейна в верхний в ночное время и использования запасенной энергии в периоды максимальной нагрузки путем пропуска воды из верхнего бассейна в нижний через турбины ГАЭС.

Достоинством ГАЭС является малый объем требуемых удельных капиталовложений и численности обслуживающего персонала. Они не требуют наличия крупных рек, оказывают меньшее влияние на окружающую среду по сравнению с другими энергоисточниками, хорошо работают и широко используются в режиме синхронного компенсатора, вырабатывая реактивную мощность.

На ГАЭС используют преимущественно обратимые гидромашины, работающие как в насосном, так и в турбинном режиме, и реверсивные электромашины, работающие как генератор или электродвигатель. Обратимые гидромашины создают для напоров до 1000 м.

Эффективность ГАЭС в значительной степени зависит от величины используемого напора: чем он выше, тем эффективнее ГАЭС, что связано прежде всего с уменьшением емкости бассейнов. Так, удельные капиталовложения в ГАЭС при увеличении напора со 100 до 500 м снижаются на 20–25 %.

В промышленно развитых странах интенсивный ввод новых гидроэнергетических мощностей обеспечивается, как правило, строительством ГАЭС.

Загорская ГАЭС-1 является первой и пока единственной ГАЭС в России. ГАЭС-1 располагается в 100 км севернее Москвы на реке Кунья, подпитывающей нижний бассейн ГАЭС. При ее строительстве был использован природный перепад высот между верхним и нижним бассейнами, достигающий 100 м. С пуском последнего агрегата в 2000 г. ГАЭС-1 вышла на проектную мощность 1200 МВт. Для решения энергообеспечения Центрального региона России необходимо построить еще четыре аналогичные станции.

В отличие от ГЭС, ГАЭС использует для выработки электроэнергии воду в замкнутом цикле и наносят минимальный ущерб окружающей среде. Для восполнения потерь воды на испарение и просачивание в грунт осуществляется подпитка воды, циркулирующей между обоими бассейнами. Подпитка осуществляется из открытого источника и ее расход намного ниже циркуляционного расхода.

А давайте-ка сегодня про малые ГЭС поговорим. Про те самые, которых уже почти не осталось в эксплуатации, про те, чьи остовы и полуразрушенные плотины встречаются в самых разных уголках нашей страны.

Каким образом они появились, для чего возводились и почему затем в массе своей канули в Лету, оставив после себя лишь живописные руины и немногочисленные черно-белые фото?

Чтобы разобраться нам придётся обратиться к истории развития электроэнергетики в России, и начнём мы с самого начала, когда зажглись первые лампочки царской России.

В конце 70-х — начале 80-х годов XIX века, с изобретением генераторов постоянного тока и электроламп, появились и ранние проекты точечной электрификации (а точнее освещения и иллюминации).

Как и любой инновационный проект, электричество стоило немалых денег, и появлялось прежде всего там, где эти деньги готовы были платить. Неудивительно, что первые лампы осветили Невский проспект, Литейный мост, Кремль, Зимний дворец и Эрмитаж, а вместе с ними неподалёку появились мини-электростанции, состоящие из нескольких котлов, пар которых вращал турбины динамо-машин.

А. П. Боголюбов. Иллюминация Кремля [по случаю коронации Александра III]. 1883 г.

К концу 80-х маломощные генераторы появляются на производствах, в преуспевающих магазинах, в домах обеспеченных жителей. В это же время открываются первые районные электростанции (Георгиевская, Городская, Университетская, Дворцовая), обслуживающие конкретные объекты или потребителей в радиусе километра. Электричество всё так же используется лишь для освещения, по проводам течёт постоянный ток, и ни о какой единой энергосистеме не идёт и речи.

Слева. Георгиевская электростанция на Б. Дмитровке. Ныне Новый Манеж. 1903 г. Фото http://pastvu.com/
Справа. Электростанция Жигулёвского пивоваренного завода в Самаре. 1898 г. Фото http://историческая-самара.рф/

Новый толчок распространению электричества дали появившиеся в 90-х годах XIX века первые массовые генераторы переменного тока. Их использование позволило снизить потери на передачу, а соответственно увеличить максимальную протяженность линии и вместе с тем нарастить мощность станций.

Также расширилась сфера применения электричества, промышленное оборудование стало массово переходить на электротягу, в ряде городов открылись трамвайные линии. До конца XIX века в Москве и Петербурге были запущены несколько электростанций переменного тока, мощность которых уже измерялась мегаваттами.

Слева. Прокладка кабеля на Софийской набережной. Фото http://so-l.ru/
Сверху. Трамвай на улице Москвы. Фото http://so-l.ru/
Снизу. Машинный зал электростанции на Раушской набережной. 1911 г. Фото http://pastvu.com/

В это же время появляются первые ГЭС. Зыряновский рудник на Алтае для собственных нужд запускает станцию мощностью 150 кВт, Охтинский пороховой завод под Петербургом строит ГЭС на 300 кВт. Гидростанция «Белый уголь», между Кисловодском и Ессентуками, несёт электрический свет на улицы прилегающих курортов, приводит в движение трамваи и питает насосы, поднимающие минеральные воды.

Слева. ГЭС на реке Подкумок. Открытка начала XX века.
Справа. ГЭС Охтинского порохового завода. 1912 г. Фото http://pastvu.com/

В течение первого десятилетия XX века процесс строительства городских электростанций охватывает регионы Российской империи, появляются электростанции в Курске, Ярославле, Чите, Владивостоке и многих других крупных городах. Растут мощности, модернизируются существующие электростанции, совершенствуются механизмы передачи электроэнергии, электричество находит всё новые и новые области применения.

К 1917 г. мощность всех 78 ГЭС Российской империи составляла около 17 МВт, из них две (Алавердинская и Гиндукушская) имели мощность свыше 1 МВт. Кроме того, в стране насчитывалось до двух тысяч мелких гидротурбинных установок, работавших на механические приводы, и около 40 тысяч мельниц с водяными колесами мощностью в среднем 10 л.с.

Слева. Генераторы Гиндукушской ГЭС — самой мощной гидростанции Российской империи. Ныне находится на территории Туркменистана. 1911 г. Фото С. М. Прокудина-Горского.
Справа. Водяное колесо небольшой мельницы в Абхазии

Но если ты был жителем села, то в твоей избе по-прежнему горела свеча и лучина, в хозяйстве господствовал ручной привод, а из средств механизации была разве что лошадь.

Третий этап развития электроэнергетики начался уже при Советской власти. Сразу после революции был разработан и принят план ГОЭЛРО (ГОсударственная ЭЛектрификация РОссии), по которому растущие потребности в электричестве со стороны набирающей обороты советской промышленности, должны были опережающими темпами обеспечиваться генерирующими мощностями.

Плакат А. Лемещенко «План ГОЭЛРО» (из триптиха). 1967 г. Фото RIA Novosti archive, image #763450 / RIA Novosti / CC-BY-SA 3.0, CC BY-SA 3.0 , https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17824956

Тут важно отметить, что процесс этот был вполне естественным, а не так, что при царе страна была с сохой, а потом пришёл Ленин, распедалил ситуацию и начал строить станции направо-налево. Авторами плана в большинстве были те же специалисты, которые при царе занимали соответствующие должности.

Так или иначе, план ГОЭЛРО предусматривал строительство в течение 10-15 лет 30 крупных электрических станций (20 ТЭС и 10 ГЭС) в различных районах страны от Урала до Кавказа, призванных создать энергетический каркас для обеспечения электричеством строящихся предприятий.

Волховская ГЭС — одна из первых ГЭС, построенных по плану ГОЭЛРО. Фото Wilson44691 - собственная работа , Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7055784

Но решать вопросы крестьянина со свечой и лучиной, осуществлять электрификацию сельского хозяйства предполагалось «на основе широкого использования местных энергоресурсов, в частности гидроэнергии малых рек». Так бы сказал Первый канал, если бы он существовал в те времена.

А на житейском уровне всё было куда проще – до 1954 года действовали серьёзные ограничения по подключению сельскохозяйственных районов к государственным энергосистемам, и в большинстве случаев единственным источником электроэнергии на селе были те самые малые ГЭС.

Как правило станции строились по достаточно слабым проектам, зачастую не учитывающим реальные гидрологические условия. Материалы были преимущественно местными, в ход шло буквально всё, что попадалось под руку, зачастую в ущерб качеству. Оборудование не было стандартизировано и изготавливалось местными заводами, и турбина, к примеру, вполне могла иметь деревянные лопатки.

ГЭС на реке Протве в с. Борисово Можайского района. Построена в 30-е годы в рамках плана ГОЭЛРО. Фото http://pastvu.com/

Немудрено, что после снятия запрета в 1954-м году большинство малых ГЭС были выведены из эксплуатации и разобраны, а построено их было немало. За период до 1941 года было запущено около 950 малых ГЭС средней мощностью 35 кВт, а в послевоенное время их количество увеличилось до максимальных 6614 в 1952-м году. Средняя мощность при этом возросла незначительно, до уровня 40 кВт.

Фото maxzhukov

Типичный пример станции довоенной волны – первая малая ГЭС Липецкой области, построенная в 1923 году у села Курапово. На станции работала всего лишь одна водяная турбина системы «Френсис», с лопатками из морёного дуба, спаренная с генератором мощностью 76 кВт. Станция проработала до 1953 года, когда неподалёку была открыта Троекуровская ГЭС мощностью 500 к Вт. Остатки плотины и коробку «машинного зала» и сейчас можно увидеть на Красивой Мече.

В начале 50-х годов XX века был взят курс на строительство более крупных, а соответственно более экономичных и надёжных, станций. Те, что побольше назывались сельскими ГЭС (мощность в среднем 440 кВт), те, что поменьше – межколхозными (около 300 кВт). Только в 1951-1953 гг. в разных районах страны было построено по сотне с небольшим тех и других. Одной из них была упомянутая выше Троекуровская ГЭС.

Временные решения сменил научный подход. Гидроэнергоресурсы местного значения и возможность их освоения были посчитаны, для проектирования малых станций была создана отдельная структура «Гипросельэлектро», а всесоюзным институтом гидромашин была разработана номенклатура турбин для небольших ГЭС, производством которой и занялись Щелковский завод и «Уралгидромаш» (г. Сысерть).

Но централизованное энергоснабжение не стояло на месте, к 70-м годам были введены в строй десятки крупных гидро- и теплоэлектростанций, дефицит энергоресурсов остался в прошлом, и строительство малых ГЭС в стране практически остановилось. Большая часть действующих малых ГЭС была заброшена из-за относительно высокой себестоимости вырабатываемой электроэнергии и трудностей эксплуатации. Именно их остовы мы и видим в глубинке по берегам небольших рек.

Фото victorborisov

Есть ли перспективы у малых ГЭС?

Безусловно есть, и прежде всего в труднодоступных районах, богатых энергоресурсами. Например, РусГидро в течение последних 20 лет ввело в эксплуатацию и реконструировало несколько десятков МГЭС, прежде всего этот каскады Дагестанских и Кабардино-Балкарских МГЭС.

Если же речь идёт о Центральном районе, то здесь всё несколько сложнее.

Минимальная мощность, начиная с которой имеет смысд эксплуатировать МГЭС, учитывая повсеместную доступность единой энергосистемы, находится на уровне 1 МВт. Чтобы обеспечить такие показатели, необходим напор, создать который на среднестатистической реке Центрального региона можно только возведением плотины и созданием водохранилища, что не всегда возможно.

Станции меньшей мощности, без большого водохранилища, нуждаются либо во включении в ЕЭС, либо в строительстве тепловой станции по соседству. Это связано с тем, что в определённые периоды вырабатываемая МГЭС мощность может падать до нуля. Например, в середине лета может критически сокращаться расход воды, а во время весеннего паводка уменьшаться до нуля напор за счёт подъема уровня воды в нижнем бьефе.

Есть, правда, и другой путь, по которому пошли на Ярополецкой ГЭС. Станцию восстановили в качестве памятника архитектуры и культурного наследия, при этом она не является действующей, а просто радует глаз.

Так или иначе, я за то, чтобы малые ГЭС жили. Чёрт бы с ним, с электричеством, ведь ГЭС – это просто красиво:-)

Фото muph