Малые гэс можно разделить следующим критериям

Малая гидроэнергетики для энергоснабжения отдаленных территорий на примере горных районов РСОА Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Хузмиев Измаил Каурбекович

Использование местных возобновляемых энергоресурсов позволяет удобно и выгодно для электроснабжения территориально разобщенных и имеющих небольшой объем электропотребления объектов, находящихся в труднодоступных местах. Рассмотрены перспективы строительства малых ГЭС .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Малая гидроэнергетики для энергоснабжения отдаленных территорий на примере горных районов РСОА»

Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 17 =

Малая гидроэнергетика для энергоснабжения отдаленных территорий на примере горных районов Республики Северная Осетия-Алания

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Академии электротехнических наук, советник главы РСОА по проблемам ТЭК

Использование местных возобновляемых энергоресурсов удобно и выгодно для электроснабжения территориально разобщенных и имеющих небольшой объем электропотребления объектов, находящихся в труднодоступных местах. Рассмотрены перспективы строительства малых ГЭС.

Ключевые слова: альтернативная энергетика, гидроэнергетический потенциал, малые ГЭС.

Основной целью развития нетрадиционной энергетики должно быть рациональное использование природных энергоресурсов с сохранением экологического равновесия и социальной стабильности. При этом должны решаться следующие задачи:

— повышение уровня жизни населения на основе современных систем энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии и инновационных технологий;

— сокращение потребления нефтепродуктов и развитие региональной энергетической базы;

— стабилизация цен на энергоносители и обеспечение бесперебойного энергоснабжения;

— подготовка квалифицированного персонала в области производства и потребления энергоресурсов и их эффективного использования.

В нашей стране около 70% территории находится вне централизованной системы энергоснабжения и проживает на ней около 15 млн человек. В связи с этим использование местных возобновляемых энергоресурсов позволит существенно экономить жидкое и твердое топливо, которое необходимо туда доставлять для обеспечения жизнедея-

тельности. Существует также задача электроснабжения территориально разобщенных, мобильных и имеющих небольшой объем электропотребления, в основном сельскохозяйственных, объектов, находящихся в труднодоступных местах с плотностью электрической нагрузки от 0,5 до 70 кВт на квадратный километр. Возведение для этих целей воздушных ЛЭП 10 — 6/0,4 кВ с учетом постоянно растущих цен на строительные материалы представляется экономически нецелесообразным. Отдельные регионы страны при этом располагают большим потенциалом возобновляемых источников энергии (энергией водных потоков, солнца, ветра, геотермальных вод). Поэтому проблема энергоснабжения отдаленных потребителей может решаться с помощью возобновляемых, нетрадиционных источников энергии [1].

Наиболее доступным и дешевым источником электрической энергии, особенно в горных условиях, является гидроэнергетический потенциал. По данным Российско-Европейского технологического центра, технический гидроэнергетический потенциал малой гидроэнергетики по России равен: в СЗФО -15 млрд кВт-ч, в ЮФО — 15,5 млрд кВт-ч, ПФО — 9 млрд кВт-ч, СФО — 153 млрд кВт-ч, ДФО -146 млрд кВт-ч. Этот потенциал позволит повысить

Энергобезопасность и энергосбережение

социально-культурныи уровень жизни жителем регионов, снизить издержки производства, повысить надежность и качество энергоснабжения на базе местных ресурсов, снизить антропогенное воздеиствие на окружающую среду. Малые гидроэлектрические станции нетрудно совместить с традиционными технологиями получения продуктов питания и мелкотоварного производства. Особый интерес такие источники энергии представляют для сельскохозяиственных потребителей на отдаленных территориях и в горной зоне.

Если традиционным способом освоения гидроэнергетического потенциала является строительство крупных станций, которое требует больших капиталовложений и длительного срока строительства, то нетрадиционным решением этой проблемы является строительство малых и сверхмалых ГЭС на реках и ручьях. Мощность таких станций может колебаться от нескольких сотен ватт до мегаватт. Их массовое строительство позволит улучшить условия жизни, увеличит использование сельскохозяйственных угодий и рекреационный потенциал горной зоны, повысит отдачу капиталовложений в энергетику, учитывая, что срок строительства малых и сверхмалых ГЭС колеблется от одного месяца до трех лет, в зависимости от конкретных гидрологических условий и мощности [2].

В настоящее время нет однозначной классификации малых ГЭС по мощности, однако малую гидроэнергетику можно разделить следующим образом:

— микроГЭС от 0,1 до 100 кВт;

— миниГЭС до 1000 кВт;

— малые ГЭС до 25000 кВт;

по условиям эксплуатации:

— сетевые (для работы параллельно с сетью);

— автономные (для работы на изолированного потребителя).

По условиям работы малые ГЭС можно разделить на ГЭС, работающие на несколько потребителей (групповые), и ГЭС, работающие на отдельного потребителя (индивидуальные).

По характеру исполнения малые ГЭС делятся на:

В условиях проживания на отдаленных территориях и в горной зоне наличие устойчивого энергоснабжения становится зачастую задачей выживания. Низкая надежность энергоснабжения, высокие тарифы на электроэнергию, трудности транспортного сообщения в зимние месяцы создали условия для оттока населения из горной зоны РСОА, которая составляет половину территории. В этих условиях с помощью строительства микроэнергетических установок можно активизировать использование всех

ресурсов гор, привлечь население, увеличить производство уникальной сельскохозяйственной продукции, полнее использовать рекреационные ресурсы. Такая работа в РСОА уже начата, так как для электроснабжения поселений в горной зоне несложно организовать применение рукавных микроГЭС, которые могут устанавливаться на местности в течение нескольких дней. Цена электрической энергии для конечных потребителей при этом будет не более 50 коп. за кВт-ч. Так, например, в с. Джимара местные жители установили микроГЭС мощностью 30 кВт, в с. Зарамаг восстанавливается ГЭС мощностью 100 кВт и строится новая мощностью 30 кВт.

Экономика возобновляемой энергетики

Стоимость строительства малых ГЭС в среднем составляет от 500 до 2000 долл. за один киловатт установленной мощности со сроком окупаемости от 2 до 12 лет в зависимости от конкретных условий. Гидрологические и морфометрические характеристики горных территорий страны, например Северный Кавказ, допускают использование всех типов выпускаемых в России и странах СНГ микроГЭС и оборудования для малых ГЭС.

Удельные капитальные затраты, долл/кВт

500 2 1000 3 1500 4^-2000

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Число часов использования установленной мощности в год

Рис. 1. Зависимость срока окупаемости для автономных электроустановок от числа часов использования установленной мощности в год и удельный капитальныа затрат при стоимости топлива в регионе — 300 долл/т. у. т., норме издержек — 1% от капитальныа вложений, удельном расходе условного топлива — 380 г. у. т./кВт- ч (среднее значение для автономный энергосистем на базе дизельнык электростанций) [3]

Отечественное оборудование дешевле импортного как минимум в 1,5 раза. Например, удельная стоимость 1 кВт установленной мощности в России для малых гидростанций (ГЭС) составляет в среднем 1000 долл., а на микроГЭС, работающих изолированно, — 500 долл., тогда как в Европе удельная стоимость доходит до 5000 долл. Стоимость электроэнергии от ВИЭ по многим видам электростанций находится на уровне традиционной энергетики. Срок окупаемости вложений в энергетике в среднем составляет от 10 до 20 лет. Кроме того, тепловая станция строится 6-8 лет, крупная гидростанция — 10-12 лет. По результатам наших расчётов срок окупаемости

Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 19 =

различных проектов на ВИЭ в России составляет от 3 до 15 лет. Расчёты, проведенные для различных сочетаний факторов, влияющих на срок окупаемости объектов возобновляемой энергетики, показывают следующее. В централизованных энергосистемах приемлемый срок окупаемости до 15 лет имеет место при удельных капитальных вложениях 1000 долл./кВт и числе часов использования установленной мощности 2200 и более в год. Для автономных энергосистем эти величины составляют соответственно 600 долл./кВт и 3000 и более часов в год, срок окупаемости до 5 лет. Этим критериям соответствуют практически все виды оборудования для МГЭС (рис. 1).

О перекрестном субсидировании на оптовом рынке электроэнергии для малых ГЭС до 25 МВт, подключенных к единой энергосистеме.

Развитие альтернативной энергетики в России должно создать основу для ухода от энергетики, основанной на ископаемых углеводородах. Однако на первом этапе основой является энергообеспечение отдаленных регионов, где нет централизованной системы энергоснабжения. В этой связи необходимо создать соответствующие условия для привлечения инвестиций. Это могут быть средства бюджетов разных уровней и частного капитала, а также затраты местных жителей.

Меры по увеличению мотивации привлечения средств в возобновляемую энергетику должны носить системный характер и не создавать условий для необоснованной финансовой поддержки инвесторов. Так, например, сегодня предлагается ввести перекрестное субсидирование на оптовом рынке для малых гидроэлектростанций мощностью до 25 МВт, работающих параллельно с сетью, в размере 2,28 рубля на кВт-ч. То есть участники оптового рынка должны оплачивать прибыль работающих в единой энергосистеме малых ГЭС, обеспечивая им окупаемость за 3-4 года. Такое предложение нарушает права потребителей и противоречит Гражданскому кодексу. При этом для станций, работающих автономно в отдаленных регионах, никакой компенсации не предусматривается. Понятно, что условия работы сетевых станций мощностью до 25 МВт аналогичны условиям работы крупных ГЭС, действующих в регионе, и поэтому они в дополнительном поощрении не нуждаются. Для примера рассмотрим строящуюся в РСОА Фиагдонскую МГЭС мощностью 5 МВт, с напором 198 метров и среднегодовой выработкой электроэнергии 23,7 млн кВт-ч. Стоимость проекта по предварительной оценке 150 млн рублей. При существующем росте тари-

фов на электроэнергию станция окупится за срок не более 6 лет. О какой дополнительной поддержке за счет других потребителей на оптовом рынке в этом случае можно вести речь? Если предлагаемая надбавка с оптового рынка в размере 2,28 рубля на кВ-ч будет принята, станция окупится менее чем за 3 года. Общая сумма средств, изъятых с оптового рынка для субсидирования малых ГЭС, до 2015 года при неизменной величине доплаты за 1 кВт-ч с учетом предполагаемой выработки электроэнергии составит более 80 млрд рублей.

Необходимо разработать прозрачные рыночные инструменты финансовой поддержки инвесторов в ВИЭ в виде налоговых льгот, льготных кредитов и прямой бюджетной поддержки. Также можно организовать бюджетное финансирование нетрадиционных источников электроэнергии для передачи их в управление или в собственность муниципальным образованиям в регионах. Меры поддержки необходимо определять в зависимости от условий региона, вида возобновляемой энергии и типа используемого оборудования.

В заключение необходимо отметить, что интенсивное освоение гидроресурсов с помощью экономически выгодных малых ГЭС ставит целый ряд экологических, гидрологических, технических и организационных вопросов. Их необходимо решать в рамках осуществления соответствующей программы. В программу должны входить схема размещения малых ГЭС с учетом экологических, географических и экономических факторов и очередность их строительства. Для установления экологической и экономической обоснованности развития малой энергетики необходимо повысить изученность малых рек.

Разработку основных направлений развития малой энергетики необходимо начать с определения экономически обоснованного гидроэнергетического потенциала малых рек и уточнения потребителей энергии малых ГЭС. Необходимо также обследовать действующие и выведенные из эксплуатации малые ГЭС, решая вопрос о целесообразности их восстановления и модернизации. Создание малых ГЭС требует организации системы мониторинга и разработки прогнозов для принятия мер по ликвидации возможных отрицательных последствий функционирования этих гидроэлектростанций.

В Республике Северная Осетия — Алания принята программа строительства малых ГЭС [4]. Фаснальская МГЭС мощностью 6,4 МВт согласно этой программе должна быть первой введена в эксплуатацию.

1.Хузмиев И. К. Регулирование энергетических естественных монополий и энергоменеджмент: Научныетруды ВЭО. Т. 42, 2003.

2. Костюков В., Хузмиев И. Возобновляемые источники энергии.- М.: ИКАР, 2009.

3. Использование возобновляемых и нетрадиционных источников энергии // ЭСКО.- 2005,- №11.

4. Хузмиев И. Концепция развития электроэнергии Республики Северная Осетия-Алания.-Владикавказ, 2008.

Малые гэс. Малая гидроэнергетика россии

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

По теме малой и микрогидроэнергетики мы поддерживаем отдельный информационный сайт www.microhydro.ru

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. Последнее обстоятельство особенно важно для стран, в которых имеются малонаселенные районы или горные массивы, где прокладка электросетей экономически нецелесообразна.

Две трети территории России не подключено к энергосистеме

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. Так, в любом уголке России найдется речка или ручей, где можно установить микроГЭС.

Малые и микроГЭС — 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, из-за возможности обеспечить энергоснабжение в труднодоступных и изолированных районах, а также, из-за небольших капитальных затрат при строительстве станций и быстрого возврата вложенных средств (в пределах 5 лет).

Где можно установить небольшую гидроэлектростанцию?

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). Использование энергии небольших водотоков с помощью малых ГЭС является одним из наиболее эффективных направлений развития возобновляемых источников энергии и в нашей стране. Основные ресурсы малой гидроэнергетики в России сосредоточены на Северном Кавказе, на Дальнем Востоке, на Северо-Западе (Архангельск, Мурманск, Калининград, Карелия), на Алтае, в Туве, в Якутии и в Тюменской области.

МикроГЭС (мощностью до 100 кВт) можно установить практически в любом месте. Гидроагрегат состоит из энергоблока, водозаборного устройства и устройства автоматического регулирования. Используются микроГЭС как источники электроэнергии для дачных поселков, фермерских хозяйств, хуторов, а также для небольших производств в труднодоступных районах — там, где прокладывать сети невыгодно.

Малая энергетика востребована всего на 1%

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. Сейчас — всего лишь несколько сотен — сказались результаты перекосов в ценовой политике и недостаточное внимание к совершенствованию конструкций оборудования, к применению более совершенных материалов и технологий.

К вопросу экологии

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, 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). Ну а главное — объекты малой энергетики не требуют организации больших водохранилищ с соответствующим затоплением территории и колоссальным материальным ущербом.

О производителях оборудования

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. 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. Сафоново) и др.

Природа дает нам самый неприхотливый способ добычи энергии. Увы, мы им почти не пользуемся. Остается только надеяться, что в дальнейшем, при развитии малого производства, необходимость в использовании энергии бесчисленного количества естественных водоемов России все-таки возникнет.

Малая ГЭС ‘Чала’

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). Впрочем, станция была нужна не только заводу: в поселке, расположенном рядом с МГЭС, электричества до последнего времени не было.

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. На МГЭС ‘Чала’ (напор в двести метров) для обеспечения мощности 500 кВт достаточно 300 литров воды.

При производстве ковшей турбин станции использовалась технология точного литья. Изготовлены они были на заводе им. Климова (г. Санкт-Петербург). Турбинные агрегаты были изготовлены в турбинном комплексе ЗАО ‘Киров-Энергомаш’ Кировского завода.

Руководил работами на станции — монтажом и пуском в эксплуатацию гидроагрегатов — М. В. Добрер, один из лучших специалистов Ленин-градского Металлического завода.

В ближайшее время фирма ‘Инсет’ планирует установить еще три такие же станции в Кабардино-Балкарии. На одну из них — ‘Адыл-су’, мощностью 1200 кВт уже поставлено оборудование.

В последнее время, из-за роста тарифов на электроэнергию, все более актуальными становятся возобновляемые источники практически бесплатной энергии.

Малая гидроэлектростанция или малая ГЭС (МГЭС ) — гидроэлектростанция, вырабатывающая сравнительно малое количество электроэнергии и основано на гидроэнергетических установках мощностью от 1 до 3000 кВт. Общепринятого для всех стран понятия малой гидроэлектростанции нет, в качестве основной характеристики таких ГЭС принята их установленная мощность.

Установки для малой гидроэнергетики классифицируют по мощности на:

оборудование для мини гидроэлектростанции мощностью до 100 кВт;
оборудование для микро гидроэлектростанций мощностью до 1000 кВт.

Из известной классической триады: солнечные батареи , ветрогенераторы, гидрогенераторы (ГЭС), последние наиболее сложные. Они, во-первых, работают в агрессивных условиях, а во-вторых, имеют максимальную наработку за равный промежуток времени.

Наиболее просто делать бесплотинные ГЭС, т.к. сооружение плотины достаточно сложное и дорогое дело и часто требует согласования с местными властями или, по крайней мере, с соседями. Бесплотинные мини ГЭС называют проточными. Существует четыре основных варианта таких устройств.

Типы мини ГЭС

Водяное колесо — это колесо с лопастями, установленное перпендикулярно поверхности воды. Колесо погружено в поток меньше чем наполовину. Вода давит на лопасти и вращает колесо. Существуют также колеса-турбины со специальными лопатками, оптимизированными под струю жидкости. Но это достаточно сложные конструкции скорее заводского, чем самодельного изготовления.

Гирляндная мини-ГЭС — представляет собой трос, с жестко закрепленными на нем роторами. Трос перекинут с одного берега реки на другой. Роторы как бусы нанизаны на трос и полностью погружены в воду. Поток воды вращает роторы, роторы вращают трос. Один конец троса соединен с подшипником, второй с валом генератора.

Ротор Дарье — это вертикальный ротор, который вращается за счет разности давлений на его лопастях. Разница давлений создается за счет обтекания жидкостью сложных поверхностей. Эффект подобен подъемной силе судов на подводных крыльях или подъемной силе крыла самолета.

Пропеллер — это подводный «ветряк» с вертикальным ротором. В отличие от воздушного, подводный пропеллер имеет лопасти минимальной ширины. Для воды достаточно ширины лопасти всего в 2 см. При такой ширине будет минимальное сопротивление и максимальная скорость вращения. Такая ширина лопастей выбиралась для скорости потока 0.8-2 метра в секунду. При больших скоростях, возможно, оптимальны другие размеры.

Достоинства и недостатки различных систем миниГЭС

Недостатки гирляндной МГЭС очевидны: большая материалоемкость, опасность для окружающих (длинный подводный трос, скрытые в воде роторы, перегораживание реки), низкий КПД. Гирляндная ГЭС – это небольшая плотина. Ротор Дарье сложен в изготовлении, в начале работы его нужно раскрутить. Но он привлекателен тем, что ось ротора расположена вертикально и отбор мощности можно производить над водой, без дополнительных передач. Такой ротор будет вращаться при любом изменении направления потока.

Таким образом, с точки зрения простоты изготовления и получения максимального КПД с минимальными затратами, необходимо выбрать конструкцию типа водяное колесо или пропеллер .

Конструкция малой гидростанции

Конструкция малой ГЭС базируется на гидроагрегате, который включает в себя энергоблок, водозаборное устройство и элементы управления. В зависимости от того, какие гидроресурсы используются малыми гидростанциями, их делят на несколько категорий:

Русловые или приплотинные станции с небольшими водохранилищами;

Стационарные мини ГЭС, использующие энергию свободного течения рек;

МГЭС, использующие существующие перепады уровней воды на различных объектах водного хозяйства;

Мобильные мини ГЭС в контейнерах, с применением в качестве напорной деривации пластиковых труб или гибких армированных рукавов.

Разновидности гидроагрегатов для малых гидроэлектростанций

Основой для малой гидростанции является гидроагрегат, который, в свою очередь, базируется на турбине того или иного вида. Существуют гидроагрегаты с:

МГЭС классифицируются и в зависимости максимального использования напора воды на :

Высоконапорные — более 60 м;

Средненапорные — от 25 м;

Низконапорные — от 3 до 25 м.

От того, какой напор воды использует микрогидроэлектростанция, различаются и виды применяемых в оборудовании турбин. Ковшовые и радиально-осевые турбины разработаны для высоконапорных ГЭС. Поворотно-лопастные и радиально-осевые турбины применяются на средненапорных станциях. На низконапорных малых гидростанциях(МГЭС) устанавливают в основном поворотно-лопастные турбины в железобетонных камерах.

Что касается принципа работы турбины мини ГЭС, то он во всех конструкциях практически идентичен: вода под напором поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Энергия вращения передается на гидрогенератор, который отвечает за выработку электроэнергии. Турбины для объектов подбираются в соответствии с некоторыми техническими характеристиками, среди которых главной остается напор воды. Кроме того, турбины выбираются в зависимости от вида камеры которая идет в комплекте — стальной или железобетонной.

Мощность миниГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы.

При выборе мини ГЭС стоит ориентироваться на такое энергетическое оборудование, которое было бы адаптировано под конкретные нужды объекта и отвечало таким критериям, как:

Наличие надежных и удобных в эксплуатации средств управления и контроля над работой оборудования;

Управление оборудованием в автоматическом режиме с возможностью перехода при необходимости на ручное управление;

Генератор и турбина гидроагрегата должны иметь надежную защиту от вероятных аварийных ситуаций;

Площади и объемы строительных работ для установки малых ГЭС должны быть минимальными.

Выгоды использования мини-ГЭС:

Гидроэлектростанции малой мощности обладают целым рядом преимуществ, которые делают это оборудование все более популярным. Прежде всего, стоит отметить экологическую безопасность мини ГЭС – критерий, который становится все более важным в свете проблем защиты окружающей среды. Малые гидроэлектростанции не возникает вредного влияния ни на свойства, ни на качество воды. Акватории, где устанавливается гидроэлектростанция малой мощности, можно использовать как для рыбохозяйственной деятельности, так и в качестве источника водоснабжения населенных пунктов. Кроме того, для работы малых ГЭС нет необходимости в наличии больших водоемов. Они могут функционировать, используя энергию течения небольших рек и даже ручьев.

Что касается экономической эффективности, то и здесь у микро и мини гидроэлектростанций есть немало преимуществ. Станции, разработанные с учетом современных технологий, отличаются простой в управлении, они полностью автоматизированы. Таким образом, оборудование не требуют присутствия человека. Специалисты отмечают, что и качество тока, вырабатываемого малыми ГЭС, соответствует требованиям ГОСТа как по напряжению, так и по частоте. При этом, мини ГЭС могут действовать как автономно, так и в составе электросети.

Говоря о малых гидроэлектростанциях, стоит отметить и такое их преимущество, как полный ресурс их работы, который составляет не менее 40 лет. Ну а главное — объекты малой энергетики не требуют организации больших водохранилищ с соответствующим затоплением территории и колоссальным материальным ущербом.

Одним из важнейших экономических факторов является вечная возобновляемость гидротехнических ресурсов. Если подсчитать буквальную выгоду от применения малых ГЭС, то выяснится, что электроэнергия вырабатываемая ими практически в 4 раза дешевле электроэнергии, которую потребитель получает от теплоэлектростанций. Именно по этой причине сегодня ГЭС все чаще находят применение для электроснабжения электроёмких производств.

Не забудем и о том, что малые ГЭС не требуют приобретения какого-либо топлива. К тому же они отличаются сравнительно простой технологией выработки электроэнергии, в результате чего затраты труда на единицу мощности на ГЭС почти в 10 раз меньше, чем на ТЭЦ .

Нетрадиционная энергетика – именно на ней в настоящее время сосредоточено пристальное внимание всего мира. И это довольно легко объяснить. Приливы, отливы, морской прибой, течения малых и больших рек, магнитное поле Земли и наконец, ветер — есть неисчерпаемые источники энергии, причем дешевой и возобновляемой энергии и было бы большой ошибкой не воспользоваться таким подарком матушки природы. Еще одним плюсом такой энергетики — это возможность обеспечить дешевой электроэнергией труднодоступные районы, ну скажем высокогорные районы или глухие таежные деревушки, другими словами те населенные пункты, куда тянуть линию электропередач нецелесообразно.

А вы знаете, что 2/3 территории России не подключены к энергетической системе? Существуют даже населенные пункты, где электричества не было никогда, и это не обязательно поселки Крайнего Севера или бескрайней Сибири. Электроэнергия, например, не подведена к некоторым населенным пунктам Урала, а ведь эти районы никак нельзя назвать неблагополучными в отношении энергетики. А между тем электрификация труднодоступных населенных пунктов не такая уж и сложная проблема, ведь трудно найти поселение, где бы не было речушки или хотя бы маленького ручейка — вот вам и выход из положения. Именно на таком ручейке, не говоря уже о речке и можно установить мини ГЭС.

Так что же это такое мини и малые ГЭС? Это маленькие станции по производству электроэнергии при помощи использования течения имеющихся на месте водных ресурсов. Маленькими же считаются ГЭС, мощность которых менее 3 тысяч киловатт. И относятся они к малой энергетике. Такая энергетика стала стремительно развиваться в последнее десятилетие. Что в свою очередь связано со стремлением нанести как можно меньший экологический вред природе, которого не избежать при строительстве крупных ГЭС. Ведь большие водохранилища изменяют ландшафт, уничтожают естественные нерестилища, перекрывают миграционные пути для рыбы и что самое главное через какое-то время они обязательно превратятся в болото. Развитие малой энергетики так же связано с обеспечением энергией труднодоступных и изолированных мест, а также с быстрой окупаемостью (в течение пяти лет) капиталовложений.

Обычно МГЭС (малая ГЭС) состоит из генератора, турбины и системы управления. Делятся МГЭС и по типу использования, это в первую очередь приплотинные станции с водохранилищами, занимающими не большую площадь. Существуют станции, которые работают без сооружения плотины, а просто за счет свободного течения реки. Есть станции, Для работы которых используются уже существующие перепады воды, то ли природного, то ли искусственного происхождения. Природные перепады часто встречаются в горной местности, искусственные – это обычные объекты водного хозяйства от сооружений, приспособленных для судоходства, до комплексов очистки воды включая питьевые водоводы и даже канализационные стоки.

Малая гидроэнергетика по своим технико-экономическим возможностям превышает такие источники малой энергетики как станции использующие энергию ветра, солнечную энергии и биоэнергетические станции вместе взятые. В настоящее время они могут производить примерно 60 миллиардов кВт/ч за год, но, к сожалению, этот потенциал используется крайне слабо, всего на 1%. До конца 60-х годов в эксплуатации находились тысячи МГЭС, сегодня их насчитывается несколько сотен. Все это последствия перекосов советского государства связанных с ценовой политикой и не только.

Но вернемся к вопросу экологических последствий при строительстве МГЭС. Основным достоинством малых гидроэлектростанций — это полная безопасность с экологической точки зрения. Свойства воды как химические, так и физические при строительстве и эксплуатации этих объектов не изменяются. Водоемы можно использовать как водохранилища для питьевой воды и для разведения рыбы. Но основным достоинством есть, то, что для МГЭС совсем не обязательно сооружать крупные водохранилища наносящих огромный материальный ущерб и затопление больших территорий.
Кроме этого такие станции обладают еще рядом достоинств: это и простота конструкции, и возможность полной механизации, при их эксплуатации присутствие человека совсем не обязательно. Вырабатываемая электроэнергия соответствует общепринятым стандартам, как по напряжению, так и по частоте. Автономию такой станции тоже можно считать большим плюсом. Большой у МГЭС и рабочий ресурс — 40 лет и более.

Мини ГЭС. Микрогидроэлектростанции

Малая гидроэлектростанция или малая ГЭС (МГЭС) — гидроэлектростанция, вырабатывающая сравнительно малое количество электроэнергии и состоящая из гидроэнергетических установок с установленной мощностью от 1 до 3000 кВт.

Микро-гидроэлектростанция предназначена для преобразования гидравлической энергии потока жидкости в электрическую для дальнейшей передачи сгенерированной электроэнергии в энергосистему. Под термином микро подразумевается, что данная гидроэлектростанция устанавливается на малых водных объектах — небольших речках или даже ручьях, технологических протоках или перепадах высот систем водоподготовки, а мощность гидроагрегата не превышает 10 кВт.

МГЭС разделяют на два класса: это микро-гидроэлектростанции (до 200 кВт) и мини-гидроэлектростанции (до 3000 кВт). Первые применяются в основном в домохозяйствах, и на небольших предприятиях, вторые — на более крупных объектах. Для владельца загородного дома или небольшого бизнеса, очевидно больший интерес представляют первые.

Исходя из принципа действия, микро-гидроэлектростанции разделяют на следующие типы:

Водяное колесо . Это колесо с лопастями, установленное перпендикулярно поверхности воды и наполовину в неё погруженное. В процессе работы вода давит на лопасти и заставляет вращаться колесо.

С точки зрения простоты изготовления и получения максимального КПД с минимальными затратами, эта конструкция хорошо работает. Поэтому часто применяется и на практике.

Гирляндная мини-ГЭС . Представляет собой перекинутый с одного берега реки на другой трос с жестко закрепленными на нем роторами. Поток воды вращает роторы, а от них вращение передаётся на трос, один конец которого соединен с подшипником, а второй — с валом генератора.

Недостатки гирляндной ГЭС: большая материалоемкость, опасность для окружающих (длинный подводный трос, скрытые в воде роторы, перегораживание реки), низкий КПД.

Ротор Дарье . Это вертикальный ротор, который вращается за счет разности давлений на его лопастях. Разница давлений создается за счет обтекания жидкостью сложных поверхностей. Эффект подобен подъемной силе судов на подводных крыльях или подъемной силе крыла самолета. Фактически, МГЭС данной конструкции идентичны одноименным ветрогенераторам, но располагаются в жидкостной среде.

Ротор Дарье сложен в изготовлении, в начале работы его нужно раскрутить. Но он привлекателен тем, что ось ротора расположена вертикально и отбор мощности можно производить над водой, без дополнительных передач. Такой ротор будет вращаться при любом изменении направления потока. Как и у его воздушного собрата, КПД ротора Дарье уступает КПД МГЭС пропеллерного типа.

Пропеллер . Это имеющий вертикальный ротор подводный «ветряк», который в отличие от воздушного, имеет лопасти минимальной ширины всего в 2 см. Такая ширина обеспечивает минимальное сопротивление и максимальную скорость вращения и выбиралась для наиболее часто встречающейся скорости потока — 0.8-2 метра в секунду.

Пропеллерные МГЭС , также как и колесные, просты в изготовлении и обладают сравнительно высоким КПД, их частое применение этим и обусловлено.

Классификация Мини ГЭС

Классификация по вырабатываемой мощности (области применения) .

Вырабатываемая микро ГЭС мощность определяется сочетанием двух факторов, первый это напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие вырабатывающий электроэнергию генератор, и второй фактор — расходом, т.е. объемом воды, проходящем, через турбину за 1 секунду. Расход является определяющим фактором при отнесении ГЭС к определенному типу.

По вырабатываемой мощности МГЭС подразделяются на:

Бытовые мощностью до 15 кВт: используются для обеспечения электроэнергией частных домовладений и ферм.
Коммерческие мощностью до 180 кВт: питают электроэнергией небольшие предприятия.
Промышленные мощностью свыше 180 кВт: генерируют электроэнергию на продажу, либо энергия передается на производство.

Классификация по конструкции

Классификация по месту установки

Высоконапорные — более 60 м;
Средненапорные — от 25 м;
Низконапорные — от 3 до 25 м.

Данная классификация подразумевает, что электростанция работает на разных частотах вращения, и для ее механической стабилизации принимается ряд мер, т.к. скорость потока зависит от напора.

Составные части Мини ГЭС

Электрогенерирующая установка малой ГЭС состоит из турбины, генератора и системы автоматического управления. Часть элементов системы аналогичны для или . Основные элементы системы:

Гидротурбина с лопатками, соединённая валом с генератором
Генератор. Предназначен для выработки переменного тока. Присоединяется к валу турбины. Параметры генерируемого тока быть относительно нестабильны, однако ничего похожего на скачки мощности при ветряной генерации не происходит;
Блок управления гидротурбиной обеспечивает пуск и останов гидроагрегата, автоматическую синхронизацию генератора при подключении к энергосистеме, контроль режимов работы гидроагрегата, аварийную остановку.
Блок балластной нагрузки, предназначенный для рассеивания неиспользуемой потребителем на данный момент мощность, позволяет избежать выхода из строя электрогенератора и системы контроля и управления.
Контроллер заряда/ стабилизатор: предназначен для управления зарядом аккумуляторных батарей, контроля поворота лопастей и преобразования напряжения.
Банк АКБ: накопительная ёмкость, от размера которой зависит продолжительность функционирования в автономном режиме питаемого ею объекта.
Инвертор, во многих гидрогенерирующих системах применяются инверторные системы. При наличии банка АКБ и контроллера заряда, гидросистемы мало чем отличаются от других систем, применяющих ВИЭ.

Мини ГЭС для частного дома

Рост тарифов на электроэнергию и отсутствие достаточных мощностей, делают актуальными вопросы о применение бесплатной энергии возобновляемых источники в домашних хозяйствах. По сравнению с другими источниками ВИЭ, мини ГЭС представляют интерес, так как при равной мощности с ветряком и солнечной батареей они способны выдать за равный промежуток времени гораздо больше энергии. Естественное ограничение на их применение является отсутствие реки

Если возле вашего дома протекает небольшая река, ручей или имеют место перепады высот на озерных водосбросах, то значит у вас имеются все условия для установки мини ГЭС. Потраченные на её приобретение деньги быстро окупятся — вы будете в любое время года обеспечены дешёвой электроэнергией, независимо от погодных условий и иных внешних факторов.

Основным показателем, который указывает на эффективность использования МГЭС является скорость потока водоема. Если скорость меньше 1 м/с, то необходимо принять дополнительные меры по его разгону, например, сделать обводной канал переменного сечения или организовать искусственный перепад высот.

Преимущества и недостатки микрогидроэнергетики

К преимуществам мини гэс для дома можно отнести:

Экологическая безопасность (с оговорками для рыб-мальков) оборудования и отсутствие необходимости затопления больших площадей с колоссальным материальным ущербом;
Экологическая чистота получаемой энергии. Отсутствует влияние на свойства и качество воды. Водоемы можно использовать и для рыбохозяйственной деятельности, и как источники водоснабжения населения;
Низкую стоимость получаемой электроэнергии, которая в разы дешевле вырабатываемой на ТЭС;
Простоту и надёжность применяемого оборудования, и возможность его работы в автономном режиме (как в составе, так и вне сети электроснабжения). Вырабатываемый ими электрический ток соответствует требованиям ГОСТа по частоте и напряжению;
Полный ресурс работы станции — не менее 40 лет (не менее 5 лет до капитального ремонта);
неисчерпаемость используемых для выработки энергии ресурсов.

Основной недостаток микро-гэс это относительная опасность для обитателей водной фауны, т.к. вращающиеся лопатки турбин, особенно в скоростных потоках, могут представлять угрозу для рыб или мальков. Условным недостатком можно так же считать ограниченность применения технологии.

Оценка преимуществ малой гидроэнергетики в России

Григорьев Никита Дмитриевич – магистрант кафедры Разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений Санкт-Петербургского горного университета.

Катышева Елена Геннадьевна – кандидат экономических наук, доцент кафедры Экономики, организации и управления Санкт-Петербургского горного университета.

Аннотация: В статье охарактеризована роль гидроэнергетики как важного низкоуглеродного возобновляемого источника электроэнергии в мире. Приведен анализ установленных мощностей гидроэлектростанций (ГЭС) в различных странах. Выделены лидеры по приросту мощностей ГЭС. Отмечено, что в настоящее время потребность в ГЭС малой мощности в России велика, однако активное строительство малых ГЭС сдерживается высоким уровнем капитальных затрат. Выделен ряд преимуществ малых ГЭС с экологической, экономической и социальной точек зрения.

Ключевые слова: электроэнергетика, гидроэлектростанции, возобновляемые источники энергии, «зеленая» энергия.

Введение

В настоящее время особое значение в деятельности отраслей топливно-энергетического комплекса России приобретают проекты, нацеленные на обеспечение достаточным количеством энергии удаленных и труднодоступных регионов (Дальний Восток, Сибирь, Кавказ, регионы русского Севера). Именно поэтому решение проблемы энергодефицита на основе реализации инвестиционных проектов (ИП) строительства малых гидроэлектростанций (МГЭС) будет способствовать снижению зависимости ряда регионов России от внешних поставщиков электроэнергии, обеспечивать занятость населения, т.е. создавать благоприятные условия для социально-экономического развития региона.

В настоящее время в России реализуется значительное количество проектов по строительству новых и завершению строительства уже имеющихся крупных и малых гидроэлектростанций, однако существует ряд проблем, связанных с привлечением инвестиций в гидроэнергетическую отрасль РФ и реализации инвестиционных программ в данной отрасли.

Актуальность малой гидроэнергетики в России основывается на том, что в стране насчитывается 2,5 млн малых рек, а ежегодный потенциал малой гидрогенерации в стране оценивается в размере 60 млрд кВт·ч, из которых используется не более 1%. На территории бассейнов малых рек проживает до 44% городского населения и 90% сельского населения. При этом количество МГЭС составляет всего около 200 единиц, что свидетельствует о том, что отечественная модель электрификации второй половины XX века сделала малую гидрогенерацию практически невостребованной, а современная тарификация не привлекательна для собственника [1]

При сравнительно низкой стоимости 1 кВт установленной мощности и умеренном инвестиционном цикле малые ГЭС позволяют как обеспечить электроэнергией удалённых от сетей потребителей, так и снизить затраты на электроэнергию потребителям, подсоединённым к сетям, за счёт собственных источников генерации, какими могут быть МГЭС.

Станции, разработанные с учетом современных технологий, отличаются простотой в управлении, они полностью автоматизированы, оборудование не требуют присутствия человека. Специалисты отмечают, что качество тока, вырабатываемого малыми ГЭС, соответствует требованиям ГОСТа как по напряжению, так и по частоте. При этом, мини-ГЭС могут действовать как автономно, так и в составе электросети [2]

Следует отметить такое преимущество МГЭС, как полный ресурс их работы, который составляет не менее 40 лет. Кроме того объекты малой энергетики не требуют организации больших водохранилищ с соответствующим затоплением территории и колоссальным материальным ущербом.

Гидроэнергетика в настоящее время представляет собой значительный источник электроэнергии во всем мире, на его долю приходится пятая часть общей мощности, и во многих странах он является основополагающим источником для выработки электроэнергии.

Роль гидроресурсов в производстве электроэнергии значительно выше, чем у любой другой технологии использования возобновляемых источников энергии таких как: солнечная энергия, энергия ветра, геотермальная энергия и т.д. [3].

Малые гидроэлектростанции наряду с другими объектами гидроэнергетики играют ключевую роль в электрификации сельских районов во многих странах, а также они обладают большей мощностью, чем все другие возобновляемые источники энергии, что позволяет мгновенно заменить традиционные источники энергии.

Малые гидроэлектростанции (ГЭС) обладают специфичными характеристиками конкретного участка размещения, каждое сооружение проектируется с учетом реальных топографических и геологических условий размещения.

Для получения объективной картины реальных затрат, связанных со строительством ГЭС, необходимо наряду с оценкой коммерческой эффективности проводить оценку эколого-экономической эффективности проектов. Для этого в денежные потоки проекта надо включать экологические издержки и ущербы, причиняемые окружающей природной среде, природным ресурсам, населению и экономике региона, в котором будет происходить строительство ГЭС.

Сегодня возобновляемые ресурсы обеспечивают лишь небольшую долю мирового производства энергии. Тем не менее, необходимость перехода от ископаемого топлива и ядерной энергии к использованию возобновляемых источников энергии огромна. Энергетическая система, основанная на ископаемом топливе, представляет собой одну из глобальных проблем современной цивилизации, поскольку оказывает пагубное воздействие на окружающую среду, здоровье и безопасность.

В период с 2010 по 2020 гг. наблюдался необычайно высокий интерес к мировой гидроэнергетике. Впервые за всю историю выработка увеличилась на четверть [3]. Это связано с тем, что данной отрасли удалось обеспечить около 15 % мирового прироста производства электроэнергии. Драйвером роста выступили такие развивающиеся страны, как Китай, на который пришлось более половины вводов новых мощностей.

В результате гидроэнергетика стала наиболее крупным низкоуглеродным возобновляемым источником электроэнергии в мире, опережая атомную энергетику и все остальные ВИЭ и по установленной мощности (17 %) и выработке электроэнергии (15 %). Роль гидроэнергетики в мировой энергетике, на фоне роста производственных показателей в этот период была относительно стабильной, лишь с небольшим трендом к снижению. Согласно прогнозам МЭА, данная тенденция сохранится до 2030 г. и должна усилиться в долгосрочной перспективе, ввиду ожидаемого к 2050 г. значительного снижения темпов роста производственных показателей в гидроэнергетике и бурного развития альтернативных видов ВИЭ — солнечной и ветровой энергетики [3].

На сегодняшний день компании из США, Германии, Китая, России и Японии считаются крупнейшими в мире поставщиками гидроэнергетического оборудования, такого как турбины и генераторы. Основное количество поставок — более 50 % , осуществляется тремя компаниями — Voith, GE Renewable Energy, Andritz. При этом в странах Юго-Восточной Азии и Латинской Америки китайские компании занимают лидирующие позиции в развитии гидроэнергетики.

Установленная мощность ГЭС в мире в 2021 г. достигла 1360 ГВт, что составляет 17% суммарных мировых электроэнергетических мощностей. Безусловным лидером в этой отрасли является Китай с долей 29 % суммарных мировых гидроэнергетических мощностей. Большая часть мировой гидроэнергетики сконцентрирована в пяти странах. Между Китаем, Бразилией, Канадой, США и Россией распределено свыше половины от общей выработки гидроэнергетики на нашей планете. За период 2010–2021 гг. по вводу новых мощностей ГЭС лидером с большим отрывом являлся Китай с показателем 174 ГВт, или около 50 % суммарного показателя по миру. Лидерство Китая было обеспечено, в том числе, реализацией крупнейших по мощности проектов (например, ГЭС «Три ущелья»). В число лидеров по вводу мощностей также входят Бразилия (2-е место в мире по абсолютному размеру установленных мощностей), Турция, Вьетнам, Индия, Канада. Россия с объемом ввода 4,3 ГВт находится на 9-м месте.

Таким образом, лидерами по приросту мощностей ГЭС за последние 10 лет являлись преимущественно развивающиеся страны (за исключением Канады и Норвегии), а также Россия. Это вызвано опережающим ростом спроса на электроэнергию в этих странах и реализацией политики по развитию гидроэнергетики с целью обеспечения внутреннего рынка сравнительно недорогой энергией, а также ее низкоуглеродным характером и комплексными социально-экономическими эффектами.

МГЭС — это растущий сегмент рынка гидроэнергетики, позиционируемый как «зеленая» и «автономная» энергия. Общая мощность МГЭС в мире в 2019 г., согласно данным ЮНИДО [4], составляла 78 ГВт (+10 % к 2013 г.). Мощность малой гидроэлектростанции составляет около 10 МВт, хотя в большинстве стран схема определяется по-разному [2].

ГЭС могут служить точкой роста для новых (необжитых) территорий за счет привлечения населения и развития производств. Основными факторами выступают новые возможности, обеспеченные за счет строительства ГЭС, главным образом — сравнительно дешевая электроэнергия. При этом существуют две основные модели развития гидроэнергетики — точечное и ареальное. Точечное предполагает строительство ГЭС и минимальной вспомогательной инфраструктуры для обеспечения его работы с последующей передачей электроэнергии по ЛЭП в районы потребления электроэнергии. Ареальный тип подразумевает комплексное развитие территорий расположения ГЭС и ближайших территорий путем развития новых производств и появления новых поселений.

В России примером строительства ГЭС под реализацию конкретных производственных проектов являются проекты на Дальнем Востоке. Выбор экономически эффективного способа энергоснабжения подобных проектов (в основном связанных с добычей и первичной переработкой полезных ископаемых, например, золота) реализуется на основе альтернативных возможностей, среди которых строительство объектов генерации на иных видах топлива (уголь, газ, мазут и пр.), строительство ЛЭП и строительство ГЭС. Наличие гидроэнергетического потенциала вблизи мест перспективного потребления обеспечивает выбор в пользу гидропроектов.

Стоит отметить, что сейчас малая гидроэнергетика является очень важной стратегической отраслью, как для страны, так и для людей, задействованных в её развитии. Говоря о преимуществах, которые может дать объект гидрогенерации, а это: электрификация нуждающихся районов, создание малых водохранилищ, благоустройство территории для ведения хозяйственной деятельности и туризма, активного отдыха. Перспективы развития отрасли в России огромны, основным сдерживающим фактором является стоимость строительства объектов малой гидроэнергетики, которая в значительной мере больше, чем других электростанций.

Однако потребность в малых ГЭС в настоящее время достаточно велика, это обусловлено рядом причин:

Использование по возможности не только электроэнергии, но и других преимуществ малых ГЭС: благоустройство и застройка береговых зон, развитие орошаемого земледелия, рыболовство, организация туризма, в том числе водного и т.д.
Оптимизация конструкций и режимов эксплуатации малых ГЭС. Наличие эксплуатационного персонала, например, резко снижает эффективность малых и, особенно, микро- ГЭС. Решение этого вопроса – автоматические малые ГЭС.

Малые гидроэнергетические системы позволяют достичь эффекта самообеспеченности за счет наилучшего использования дефицитного природного ресурса, которым является вода, в качестве децентрализованного и недорогостоящего источника производства энергии.

Малые ГЭС имеют ряд преимуществ, которые делают это оборудование все более популярным. В первую очередь, необходимо отметить экологическую безопасность малых ГЭС – критерий, который становится все более важным в свете проблем защиты окружающей среды. Также стоит отметить, что МГЭС не оказывают вредного влияния ни на свойства, ни на качество воды в той акватории, где устанавливается гидроэлектростанция. Следовательно, эту воду можно использовать как для рыбохозяйственной деятельности, так и в качестве источника водоснабжения близлежащих населенных пунктов. Помимо этого, для функционирования малых ГЭС нет нужды в больших водоемах, они могут работать, используя энергию течения небольших рек и даже ручьев.

Что касается экономической эффективности, то и здесь у объектов малой гидроэнергетики есть немало преимуществ. Станции, разработанные с учетом современных технологий, отличаются простотой в управлении, они полностью автоматизированы. В 2020 году доля МГЭС в мире установленной мощности электростанций составила 1%, Объем рынка МГЭС, по прогнозу Research Markets, к 2030 г. увеличится на 24 % (альтернативный сценарий Kenneth Research +23 %) и к 2030 г. составит 2,56 млрд долл. [5].

Сегмент микро-гидроэнергетики (станции мощностью менее 1 МВт) в 2021 г. составил более 55 % рынка МГЭС [5]. Оборудование МГЭС является более стандартизированным, что позволяет оперативно проводить его сборку и замену при необходимости. МГЭС может использоваться как автономная система, работать в изолированных энергокомплексах совместно с другими видами генерации (в т. ч. другими энергоустановками ВИЭ) и может быть включена в работу объединенной энергосистемы. Таким образом, оборудование не требуют присутствия человека.

Специалисты отмечают, что и качество тока, вырабатываемого малыми ГЭС, соответствует требованиям ГОСТа как по напряжению, так и по частоте.

Рассмотрим основные преимущества строительства и использования малых ГЭС.

Следует отметить, что малые ГЭС могут работать автономно, включаясь в энергосистему, например, в некоторых случаях малые ГЭС могут быть возведены на функционирующих водохранилищах. Для строительства такого объекта достаточно небольших рек, каналов или ручьев, в гидрографической сети России порядка 95% длины речной сети приходится на малые реки.

С экологической стороны малую гидроэнергетику можно отнести к одному из наиболее чистых видов производства электроэнергии, количество вредных выбросов в атмосферу относительно низко, риски затопления близлежащих территорий невелики, а источниками энергии для малых ГЭС могут выступать природные перепады высот на питьевых трубопроводах, оросительных каналах, на озёрных, так и на промышленных водосбросах, к тому же, в большинстве случаев пути миграции нерестовых промысловых рыб не перекрываются [6, 7].

При строительстве объектов малой гидроэнергетики безусловно требуется меньше строительных материалов, не требуется дорогостоящая строительная техника, также можно сэкономить за счет восстановления и реконструкции некогда действовавших старых ГЭС, но, несмотря на это, общая сумма затрат достаточно высока за счет использования более современного цифрового оборудования.

К вопросу рассмотрения преимуществ и недостатков проектов строительства малых ГЭС нужно подходить системно, ведь процесс от идеи и обоснования до ввода объекта в эксплуатацию занимает большое количество времени и требует соблюдения множества процедур. Несмотря на то, что экономические, социальные и экологические аспекты устойчивого развития были в той или иной степени реализованы в технологической парадигме малой гидроэнергетики, для достижения целей устойчивого развития необходимо провести углубленный анализ.

Принято считать, что малые ГЭС с экономической точки зрения имеют преимущества:

сжатые сроки строительства;
низкие относительно других видов электростанций, эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание [8];
использование долговечной и надежной технологии, системы могут прослужить порядка 100 лет без новых крупных инвестиций [9];
надежный источник энергии [10];
способствуют региональному развитию;
генерируют доходы для поддержания других водных ресурсов [11];
создание новых рабочих мест и экономия топлива.
К недостаткам относят:
высокие капитальные затраты [12];
необходимость долгосрочного планирования.

Рассматривая социальный аспект, можно выделить следующие преимущества:

повышение уровня жизни;
обеспечение защиты от наводнений;
повышение доступности территории и её ресурсов;
сохранение доступности воды для других целей.

К недостаткам с социальной стороны следует отнести:

зависимость выработки от режима водотока;
реализация объекта может привести к переселению народов;
ограничение навигации;
изменение ландшафта местности за счет линий электропередач [13];
высокие удельные затраты;
ограничение доступа к некоторым районам..

С экологической точки зрения необходимо отметить такие преимущества как:

отсутствие загрязняющих атмосферу выбросов, выделение очень малого количества парниковых газов [14];
отсутствие образования отходов в процессе функционирования;
возможность избежать истощения невозобновляемых топливных ресурсов и источников энергии [15];
создание новых пресноводных экосистем с повышенной продуктивностью [16].

С другой стороны, имеются и недостатки с экологической точки зрения:

появление барьеров для миграции рыбы [17];
вмешательство и изменение водной среды обитания;
перекрытие плотинами районов, богатых биологически разнообразной флорой, что приводит к выбросам углекислого газа [18, 19].

Анализируя преимущества и недостатки можно с уверенностью утверждать, что сценарии для каждого региона, а также препятствия на пути к внедрению малых ГЭС различны.

Бляшко Я.И., Сафронов Н.С. Малые ГЭС: развивать нельзя откладывать // С.О.К., 2022, № 7, с. 60 — 62. URL: https://www.c-o-k.ru/articles/malye-ges-rossii-razvivat-nelzya-otkladyvat.
Радкевич А.А. Технико-экономическое обоснование для строительства малых ГЭС //Актуальные проблемы энергетики. СНТК-74. Материалы 74-й научно-технической конференции. – Минск, 2018, с. 512 – 516. URL: https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/50328/tekhniko-ehkonomicheskoe_obosnovanie_dlya_stroitelstva_malyh_gehs.pdf?sequence=1&isallowed=y.
Гидроэнергетика России и зарубежных стран. Декабрь 2022 ЦСР, Ассоциация «Гидроэнергетика России». URL: https://www.csr.ru/ru/research/gidroenergetika-rossii-i-zarubezhnykh-stran.
World Small Hydropower Development Report (WSHPDR) 2019, Организация Объединенных Наций по промышленному развитию (World Small Hydropower Development Report UNIDO).
Global Small Hydropower (SHP) Market to Witness a Soaring (globenewswire.com).
Ayik A. et al. Preliminary assessment of small hydropower potential using the Soil and Water Assessment Tool model: A case study of Central Equatoria State, South Sudan // Energy Reports. 2023. Vol. 9. P. 2229–2246.DOI: 1016/j.egyr.2023.01.014.
Khan R. Small Hydro Power in India: Is it a sustainable business? // Appl. Energy. 2015. Vol. 152. P. 207–216.DOI: 1016/j.apenergy.2014.11.063.
Yang W. et al. Eigen-analysis of hydraulic-mechanical-electrical coupling mechanism for small signal stability of hydropower plant // Renew. Energy. 2018. Vol. 115. P. 1014–1025.DOI: 1016/j.renene.2017.08.005.
Sebestyén V. Renewable and Sustainable Energy Reviews: Environmental impact networks of renewable energy power plants // Renew. Sustain. Energy Rev. 2021. Vol. 151. P. 111626.DOI: 1016/j.rser.2021.111626.
Zahedi R., Ahmadi A., Gitifar S. Reduction of the environmental impacts of the hydropower plant by microalgae cultivation and biodiesel production // J. Environ. Manage. 2022. Vol. 304. P. 114247.DOI: 1016/j.jenvman.2021.114247.
Yuan W. et al. Optimal scheduling of cascade hydropower plants in a portfolio electricity market considering the dynamic water delay // Energy. 2022. Vol. 252. P. 124025.DOI: 1016/j.energy.2022.124025.
Su C. et al. Short-term optimal scheduling of cascade hydropower plants with reverse-regulating effects // Renew. Energy. 2022. Vol. 199. P. 395–406.DOI: 1016/j.renene.2022.08.159.
Nasir J. et al. Capacity optimization of pumped storage hydropower and its impact on an integrated conventional hydropower plant operation // Appl. Energy. 2022. Vol. 323. P. 119561.DOI: 1016/j.apenergy.2022.119561.
Wang X. et al. Decarbonization of China’s electricity systems with hydropower penetration and pumped-hydro storage: Comparing the policies with a techno-economic analysis // Renew. Energy. 2022. Vol. 196. P. 65–83.DOI: 1016/j.renene.2022.06.080.
Liu X. et al. Techno-ecological synergies of hydropower plants: Insights from GHG mitigation // Sci. Total Environ. 2022. Vol. 853. P. 158602.DOI: 1016/j.scitotenv.2022.158602.
Mishra M.K., Khare N., Agrawal A.B. Small hydro power in India: Current status and future perspectives // Renew. Sustain. Energy Rev. 2015. Vol. 51. P. 101–115.DOI: 1016/j.rser.2015.05.075.
van Treeck R. et al. The European Fish Hazard Index – An assessment tool for screening hazard of hydropower plants for fish // Sustain. Energy Technol. Assessments. 2021. Vol. 43. P. 100903.DOI: 1016/j.seta.2020.100903.
Zhang Y., Ma H., Zhao S. Assessment of hydropower sustainability: Review and modeling // J. Clean. Prod. 2021. Vol. 321. P. 128898.DOI: 1016/j.jclepro.2021.128898.
Nikolaeva N.A. et al. Ecological aspects of water quality investigation in connection with projects of hydropower plants’ construction on the Timpton River, Yakutia, Russia // Polar Sci. 2022. Vol. 32. 100843.DOI: 10.1016/j.polar.2022.100843.

Классификация малых ГЭС

В ЕС нет общего стандарта по определению малых ГЭС, например. В Португалии, Испании, Ирландии и совсем недавно Греции и Бельгии, верхний предел составлял 10 МВт. В Италии рубежом для малых ГЭС было принято 3 МВт, в Швеции — 1,5 МВт, а в Польше — 5 МВт. В зависимости от принятых местных решений для операторов и администраций применяются предпочтения для малых ГЭС, когда упрощена процедура для их постройки и преференции при покупке электроэнергии, которую они произвели. Среди малых ГЭС часто встречаются мини-, микро- и пикоэлектрические ГЭС.В этом случае разделение на категории не ясно. Малую гидроэнергетику воды можно разделить на:

За уровнем спада

Целью гидроэлектростанции является преобразование потенциальной энергии воды , связанной с различием в уровнях спада: между подачей и отдачей (спад брутто) электроэнергии. Как правило, гидроэлектростанции классифицируются по спаде брутто как:

— мощность высокоспадных (спад на 100 м и более;

— мощность среднеспадных (спад на 30 ÷ 100 м)

— мощность с низким уровнем спада (спад 2 ÷ 30 м.)

Эти диапазоны не являются жесткими – могут служить только категоризацией гидроэнергетических объектов.

из-за их способности работы с системой питания.

Среди гидроэлектростанций можно выделить следующие :
— потоковые ГЭС;
— ГЭС с цистернам с периодически регулируемым потоком;
— гидроэнергетический ;
— электрические насосы и питание от перекачиваемых водных хранилищ.