Малая гидроэнергетика: что это такое и каковы перспективы?
В последние годы во всем мире уделяется пристальное внимание нетрадиционной энергетике. Заинтересованность в использовании возобновляемых источников энергии - ветра, солнца, морского прилива и речной воды, - легко объяснима: нет нужды закупать дорогостоящее топливо, имеется возможность использовать небольшие станции для обеспечения электроэнергией труднодоступных районов.
В России зоны децентрализованного энергоснабжения составляют более 70% территории страны. До сих пор у нас можно встретить населенные пункты, в которых электричества не было никогда. Причем не всегда это поселения Крайнего Севера или Сибири. Электрификация не затронула, например, некоторые уральские поселки - края, который вряд ли назовешь неблагополучным с точки зрения энергетики.
Между тем, электрификация отдаленных и труднодоступных населенных селений - дело не такое уж и сложное. Использование энергии небольших водотоков с помощью малых ГЭС является одним из наиболее эффективных направлений развития возобновляемых источников энергии и в нашей стране. Природа дает нам самый неприхотливый способ добычи энергии. Увы, мы им почти не пользуемся.
В последние годы в России растет интерес к строительству малых гидроэлектростанций. Эксперт отдела корпоративного управления и устойчивого развития KPMG Владимир Лукин объясняет, почему радикальные взгляды как противников, так и защитников гидроэнергетики выглядят голословными.
Малая гидроэлектростанция или малая ГЭС (МГЭС) - гидроэлектростанция, вырабатывающая сравнительно малое количество электроэнергии. Чаще к малым гидроэлектростанциям относят гидроэнергетические установки, установленная мощность которых не превышает 5 МВт (Австрия, Германия, Польша, Испания и др.).
В Латвии и Швеции малыми считают ГЭС с установленной мощностью до 2 МВт, в некоторых других странах - до 10 МВт (Греция, Ирландия, Португалия). Время от времени происходят смены классификации: в США, где были принятые меры стимулирования развития малой гидроэнергетики (путём упрощения лицензионной процедуры оформления проектов здания малых ГЭС), изначально к ним относили ГЭС с установленной мощностью до 5 МВт, затем верхняя граница была увеличена до 15 МВт, а в 1980 их максимальная установленная мощность была ограничена 30 МВт.
В СССР согласно СНиП 2.06.01-86 к малым относились ГЭС с установленной мощностью до 30 МВт при диаметре рабочего колеса турбины до 3 м. Во введенном в действие в 2004 г. СНиП 33-01-2003 (заменившим собой СНиП 2.06.01-86) характеристики, по которым гидроэлектростанция классифицировалась бы как «малая», были исключены.
В действующем в настоящее время СП 58.13330.2012 (введен с 1 января 2013 г. Следует отметить, что в СНиП 33-01-2003 и в СП 58.13330.2012 в пунктах 5.4.8 и 8.31 соответственно всё-таки упоминаются малые ГЭС, но, вероятно, это является просто ошибкой.
В введённом в 1999 году ГОСТ Р 51238-98 «Нетрадиционная энергетика. Гидроэнергетика малая. Что такое малая ГЭС. Малая ГЭС является разновидностью классической ГЭС с одним важным отличием - у нее сравнительно небольшая мощность.
При проектировании мощность малой ГЭС представляет собой важнейший параметр, который влияет на большинство других технико-экономических показателей гидроэлектростанции этого типа. В разных странах граничное значение между мощностью малой ГЭС и мощностью классической ГЭС - разное. И возможный диапазон колебания граничной мощности достаточно широк.
В отечественной практике проектирования гидростанция считается малой при мощности 30 000 кВт и меньше. Эта величина задана в действующем ГОСТ Р 51238-98 «Нетрадиционная энергетика. Гидроэнергетика малая.
Следует отметить, что у малых ГЭС внутри диапазона мощности 0 - 30 000 кВт существует дополнительное разделение на подвиды:
- 0 - 100 кВт - микро ГЭС;
- 100 - 1 000 кВт - мини ГЭС;
- 1 000 - 30 000 кВт - собственно малые ГЭС (т.е. стратегической программе АО «Росатом Сервис» до 2030г. станций) в Российской Федерации и за рубежом.
МикроГЭС (мощностью до 100 кВт) можно установить практически в любом месте. Гидроагрегат состоит из энергоблока, водозаборного устройства и устройства автоматического регулирования.
В 20-30 годы ХХ ст. началось массовое развитие малой гидроэнергетики. В 1924 г. в Украине эксплуатировалось 84 малых гидроэлектростанции (МГЭС) (суммарная мощность 4000 кВт, средняя мощность 47,6 кВт), а к 1929г. В Сортавальском районе завершается строительство малой ГЭС "Каллиокоски" на реке Тохмайоки. Ввод станции запланирован на конец ноября. Строительство и отделка уже завершены, осталось выполнить косметический ремонт и пуско-наладочные работы.
Нетрадиционной энергетике последнее время уделяется пристальное внимание во всем мире. Заинтересованность в использовании возобновляемых источников энергии - ветра, солнца, морского прилива и речной воды, - легко объяснима: нет нужды закупать дорогостоящее топливо, имеется возможность использовать небольшие станции для обеспечения электроэнергией труднодоступных районов.
Гидроэнергетика - это наиболее развитая область энергетики с использованием возобновляемых ресурсов (энергия солнца, падающей воды, ветра). Это более 20% от общего энергетического объема в нашей стране.
Перспективные регионы строительства, на данный момент, сосредоточенны в районах с высокой плотностью гидроэнергетических ресурсов(горная местность) и низкой плотностью электросетей. Также МГЭС становятся одними из основных конкурентов дизельных генераторов и мини ТЭС. Малогабаритность МГЭС дает возможность устанавливать гидроагрегаты, состоящие из турбины, генератора и системы автоматического управления, на небольших реках.
Основные характеристики и компоненты малой ГЭС
Гидроагрегат малой ГЭС (МГЭС) состоит из турбины, генератора и системы автоматического управления.
По характеру используемых гидроресурсов МГЭС можно разделить на следующие категории:
- новые русловые или приплотинные станции с небольшими водохранилищами;
- станции, использующие скоростную энергию свободного течения рек;
- станции, использующие существующие перепады уровней воды в самых различных объектах водного хозяйства - от судоходных сооружений до водоочистных комплексов (а сейчас уже существует опыт использования питьевых водоводов, а также промышленных и канализационных стоков).
Гидроагрегаты для малых ГЭС предназначены для эксплуатации в широком диапазоне напоров и расходов с высокими энергетическими характеристиками. Для сооружения малых ГЭС, как правило, используется технология деривации (отведения части потока), хотя иногда для них и создают небольшие искусственные водохранилища.
Малые гидростанции могут быть автономными и интерактивными. Автономная гидростанция оснащается блоком перезаряжаемых батарей, способных частично или целиком накапливать производимую электроэнергию. Аккумуляторы применяются в качестве вспомогательного источника энергии или резервного - на случай, если турбина не работает.
Аккумулирующая интерактивная система использует для подзарядки аккумуляторов электричество, поставляемое коммунальными службами (сетевое электричество), а не то, что вырабатывается турбиной. При применении интерактивной системы без аккумуляторов излишки электроэнергии в период минимального потребления продаются коммунальной службе, поставляющей электричество« сеть, а в периоды повышенного потребления выкупаются обратно у этой же компании.
Для МГЭС с использованием статического напора применяются гидроагрегаты с радиально-осевыми, пропеллерными, ковшовыми, наклонно- и поперечно-струйными, фронтальными гидротурбинами упрощенной конструкции.
Для МГЭС с использованием скоростного напора применяются гидротурбины типа «Дарье», «Уэллс», «Савониус» и др. Генераторы для малых ГЭС производят АО «Электросила» (г. Санкт-Петербург), АО «Урал-электротяжмаш», АО «Привод» (г. Лысьва), АО «СЭГПО» (г. Сарапул), АО «СЭЗ» (г.
Для МГЭС, как правило применяются следующие гидротурбины:
- Каплан - это осевая, поворотно-лопастная гидротурбина для небольших напоров.
- Френсис - это радиально-осевая гидротурбина для широких диапазонов напоров.
Преимущества и недостатки малой гидроэнергетики
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. Так же водоемы можно использовать как для рыбохозяйственной деятельности, так и как источники водоснабжения населения. Объекты МГЭС не требуют сооружений больших водохранилищ, что не приводит к затоплениям территорий и огромным материальным убыткам. 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, т.е. не требуют присутствия человека при эксплуатации. Вырабатываемый ими электрический ток соответствует требованиям ГОСТа по частоте и напряжению, причем станции могут работать как в автономном режиме, т.е. вне электросети энергосистемы края или области, так и в составе этой электросети. А полный ресурс работы станции - не менее 40 лет (не менее 5 лет до капитального ремонта).
В малых, микро- или нано-ГЭС сочетаются преимущества большой ГЭС с одной стороны и возможность децентрализованной подачи энергии с другой стороны. Они не имеют многих недостатков, характерных для больших ГЭС, а именно: дорогостоящие трансмиссии, проблемы, связанные с негативным воздействием на окружающую среду.
Кроме того, использование малой гидроэнергетики ведёт к децентрализованному использованию электроэнергии, способствует развитию данного региона, главным образом основанном на самодостаточности и использовании местных ресурсов.Большинство из них не имеют больших водохранилищ, то есть вода не собирается позади дамбы. Они вырабатывают электроэнергию, если естественный уровень воды в реке достаточен, но в периоды высыхания реки или падения скорости потока ниже определенной величины производство электроэнергии приостанавливается.
К недостаткам МГЭС можно отнести, что объекты, как и любые технические оборудования, могут выйти из строя, в результате потребители останутся без электроснабжения.
Высокие капитальные затраты - самый большой барьер на пути широкомасштабного развития малой гидроэнергетики. Однако, несмотря на этот факт и длительный срок окупаемости (7-10 лет в некоторых странах, например в Словакии), малые ГЭС являются рентабельными из-за их продолжительного срока службы (более 70 лет) и низких затрат на техническое обслуживание.
Современное состояние и перспективы развития малой гидроэнергетики в России
Объекты малой гидроэнергетики условно делят на два типа: «мини» - обеспечивающие единичную мощность до 5000 кВт, и «микро» - работающие в диапазоне от 3 до 100 кВт. Использование гидроэлектростанций таких мощностей для России вовсе не новое, а хорошо забытое старое: в 50-60-х гг. в стране работало несколько тысяч малых ГЭС. Сегодня их количество едва достигает нескольких сотен штук.
Технико-экономический потенциал малой гидроэнергетики в России превышает потенциал таких возобновляемых источников энергии, как ветер, солнце и биомасса, вместе взятых. В настоящее время он определен в размере 60 млрд. кВт-ч в год. Но используется этот потенциал крайне слабо: всего на 1%. Не так давно, в 1950-60-х годах, у нас действовало несколько тысяч МГЭС.
Развитие малой гидроэнергетики поможет обеспечить потребителей энергией в отдаленных районах нашей страны. В настоящее время в России около 200 МГЭС. Что касается Волгоградской области, то строительство нетрадиционных и возобновляемых источников, а также строительство МГЭС входит в областную программу по энергосбережению. В области на данный момент построено всего лишь две МГЭС - это межшлюзовая, мощностью 22МВт, расположенная на реке Волга иФомёнковская, мощностью 1МВт, расположенная на реке Медведица.
По предварительным оценкам 58% средних и еще 90% небольших водохранилищ (а это 20 и 1 млн м3 соответственно) не используются для выработки электроэнергии. Очевидно, что первоочередными объектами рассмотрения должны быть существующие и незадействованные гидроузлы.
В настоящее время разработана методика определения эффективности и программы освоения энергетического потенциала малых водостоков. Микро-ГЭС в основном предназначены для покрытия местных нужд и изолированной работы от энергосистем. Малые ГЭС в настоящее время могут быть рентабельными при упрощении схемы их управления (например, за счет балластной нагрузки) и работы без обслуживающего персонала.
Эффективность микро ГЭС может быть повышена за счет многоцелевого использования ее сооружений, а также при выдаче мощности в местную сеть (без протяженных высоковольтных линий). При работе микро-ГЭС на изолированную нагрузку возникает необходимость регулирования частоты и напряжения. Если водохранилище имеет достаточную емкость, можно обеспечивать суточное и недельное регулирование, в противном случае рекомендуется регулирование с помощью балластной нагрузки.
По данным МНТО «ИНСЭТ» (г. Санкт-Петербург) при строительстве малой ГЭС установленной мощностью около 500 кВт стоимость строительно-монтажных работ составляет порядка 14,5-15,0 млн руб. При совмещенном графике разработки проектной документации, изготовления оборудования, строительства и монтажа малая ГЭС вводится в эксплуатацию за 15-18 месяцев. Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на подобной ГЭС, составляет не более 0,45-0,5 рублей за 1 кВт×ч, что в 1,5 раза ниже, чем стоимость электроэнергии, фактически реализуемой энергосистемой. Таким образом, затраты на строительство окупятся за 3,5-5 лет.
В России до 2015 года планировалось ввести в эксплуатацию 65 малых гидроэлектростанций (18 - на территории Республики Тува, 35 - в Республике Алтай, 12 - в Бурятии). Разработана концепция развития и схема размещения объектов малой гидроэнергетики для этих республик. Уже построены две станции и ведется строительство еще трех. Микро-ГЭС в Туве была построена в 1995 г. на курорте Уш-Белдир, в 2001 г. была введена в строй микро-ГЭС «Кызыл-Хая».
Бо́льшее число микро-ГЭС может быть построено на эксплуатируемых и намеченных к сооружению водоснабжающих и ирригационных гидроузлах и их сооружениях (быстротоки, гасители энергии, пороги, отклонители), на водосборных каналах и системах каптажа крупных гидроузлов.
В системах водоснабжения на участках трассы с большой разницей отметок поверхности вместо различного рода шахтных сопряжений, энергогасителей и других сооружений 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.
В 1990-х годах в связи с сокращением объемов крупного гидроэнергетического строительства в России частично переориентировали свое производство на нужды малой гидроэнергетики такие предприятия, как АО «ЛМЗ» и АО «НПО ЦКТИ» (г. Санкт-Петербург), АО «Тяжмаш» (г. Сызрань) и др. Одновременно возникли, в том числе, в рамках конверсии, малые предприятия и акционерные компании, производящие оборудование для МГЭС. Среди них наиболее известны АО «МНТО Инсет» и НПЦ «Ранд» из Санкт-Петербурга, и АО «Напор», АО «НИИЭС», АО «Энергомаш» из Москвы.
В числе поставщиков оборудования следует отметить также региональные организации, входившие когда-то во Всесоюзный институт «Гидропроект». В настоящее время на российском рынке имеются комплектные гидроагрегаты с системами автоматического управления и регулирования для сетевых и автономных МГЭС на напоры от 1 до 250 метров, а также нестандартное гидромеханическое, подъемное оборудование, напорные трубопроводы, предтурбинные затворы, трансформаторные подстанции, распределительные устройства и другие компоненты, необходимые для строительства объектов малой энергетики.
Осенью прошлого года санкт-петербургское АОЗТ «МНТО Инсет» завершило работы по вводу в эксплуатацию грузинской МГЭС «Чала» мощностью 1500 кВт (три гидроагрегата по 500 кВт). Строительство этой станции началось давно, в 1994 году, а первые гидроагрегаты были отгружены еще в 1995-1996 гг. Однако вовремя завершить строительство помешало отсутствие средств у заказчика - завода по производству спиртных напитков (бывший завод «Слезы Лозы», хорошо известный на российском рынке). Особенность станции в том, что на ней установлены гидроагрегаты с ковшовыми турбинами. Такие гидроагрегаты не выпускались в России около 30 лет. Они рассчитаны на большие напоры сравнительно небольшого количества воды, их целесообразно устанавливать в высокогорных районах: республиках Закавказья, Кабардино-Балкарии, Дагестане, Чечне, Карачаево-Черкесии. При производстве ковшей турбин станции использовалась технология точного литья. Изготовлены они были на заводе им. Климова (г. Санкт-Петербург). Руководил работами на станции - монтажом и пуском в эксплуатацию гидроагрегатов - М. В. В ближайшее время фирма «Инсет» планирует установить еще три такие же станции в Кабардино-Балкарии.
| Характеристика | Малая гидроэнергетика (МГЭС) | Крупная гидроэнергетика (ГЭС) |
|---|---|---|
| Мощность | Обычно до 30 МВт (в зависимости от страны) | Свыше 30 МВт |
| Водохранилища | Небольшие или отсутствуют | Крупные водохранилища |
| Воздействие на окружающую среду | Минимальное | Значительное (затопление территорий, изменение экосистем) |
| Капитальные затраты | Относительно низкие | Очень высокие |
| Срок окупаемости | 7-10 лет | Длительный |
| Срок службы | Более 70 лет | Более 50 лет |
| Обслуживание | Низкие затраты | Высокие затраты |
| Применение | Децентрализованное энергоснабжение, труднодоступные районы | Централизованное энергоснабжение, крупные промышленные объекты |