Синергетика комплектования ВИЭ

https://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/1364332/1364332_800.jpg
ВИЭ – «модная тема», новый тренд и, как нас убеждают СМИ, еще и генеральная линия направления энергетики во всем мире.

Во всем мире, а Россия, «само собой», «дико отстала и не может слезть с нефтяной иглы». Забавно, что особенно много подобного рода пишется в Европе, которая ставит один рекорд за другим по закупке российского газа. Мы им – электричество из розетки для компьютеров, а они на тех компьютерах про нас гадости пишут…

Но, если подходить к теме серьезно, то Россия действительно имеет огромные возможности развивать и развивать ВИЭ. Нет, журнал «Геоэнергетика» не сошел с ума, просто мы предлагаем знать и помнить, что к возобновляемым источникам энергии относится и энергия падающей воды. Гидроэнергетика, которая многим кажется так «хорошо знакомой», что про нее и вспоминают-то нечасто.

Россия в ее нынешних географических границах находится на пятом месте по количеству электроэнергии, получаемой ГЭС и на пятом же месте по установленной мощности генерирующего оборудования. В границах СССР мы вообще на втором месте были, причем были вполне заслуженно.

Кто постарше, легко припомнит романтические времена ударного строительства Саяно-Шушенской, Усть-Илимской ГЭС, как мы перекрывали Енисей… За годы Советской власти электрогенерация наших ГЭС увеличилась в 1’000 раз и это, конечно, очень серьезный результат.

Да вот только есть одно большое «но» – гидроресурсы России для нужд энергетики используются на 20 (двадцать) процентов.

Понятнее, если использовать абсолютные показатели. Теоретический потенциал водных ресурсов для выработки электроэнергии в России – 2’295 млрд кВт*часов в год. Экономически оправдано – 850 млрд кВт*часов в год.

А практически на всех ГЭС России вырабатывается всего около 180 млрд кВт*часов в год. Запас понятен? Так что строить нам плотины и строить, а уж потом думать про прочие варианты ВИЭ в больших масштабах. Запад и даже Китай убежали далеко вперед с солнцем, ветром и прочими приливами?

Да и пусть себе. Ошибки пусть совершают они, нам надо их анализировать и, без суеты и спешки, в небольших масштабах строить у себя. Экспериментируя, проверяя, пробуя, присматриваясь, взвешивая. Зачастую это бывает очень полезно. Собственно говоря, в этот раз мы попробуем рассказать именно о таком, полезном опыте.

Не об играх с налогами и субсидиями, не об огромных установленных мощностях с минимальным коэффициентом использования, а о том, как можно пытаться сочетать разные виды ВИЭ. Вот только начать придется достаточно издалека, чтобы вспомнить об одном полезном изобретении достаточно давней поры, которое буквально на глазах у нас получает второе дыхание.

ГАЭС

Есть и такая аббревиатура у энергетиков, и это вовсе не «гидроатомная электростанция». Расшифровывается этот набор букв как «гидроаккумуляционная электростанция» и вскрывает основную суть этой придумки. Именно что аккумулируется, именно что гидро. Или, если использовать русский язык, собирается вода.

Что такое обычная ГЭС? Плотина, которая обеспечивает наличие воды в водохранилище, система сброса через рабочие колеса, которые вращают турбины. И, разумеется, система холостого сброса, чтобы была возможность избавиться от воды, если ее слишком много, а система линий электропередач уже не принимает электроэнергию, которую способна генерировать турбина.

А у ГАЭС есть еще и нижний бассейн для сбора, аккумуляции воды, «упавшей» вниз. И гироагрегаты ее способны работать как в режиме генераторов, так и в режиме насосов. Ночью потребление в сети падает, сбытовые компании уменьшают тариф – и ГАЭС пользуется этим для того, чтобы ее насосы перекачали воду в верхний бассейн.

Днем потребителей в сети больше, выше тарифы – и ГАЭС сбрасывает воду вниз, теперь уже вырабатывая электроэнергию. Насосный режим сменяется генераторным, повторяется это столько, сколько нужно. Для чего, неужели только для того, чтобы «заработать копеечку» на разнице тарифов? Нет, не только. Давайте чуть подробнее, без суеты, задумаемся, для чего можно использовать ГАЭС.

В северо-западном регионе России 42% электроэнергии вырабатывают наши АЭС. Реакторы используют энергию ядра, настолько могучую, что экспериментировать на тему «разогнали – притормозили», скажем мягко, не рекомендуется.

Вырабатывает реактор свои 1’000 МВт*час днем – правильнее всего, если и ночью он будет работать в таком же режиме, без всяких маневров. Куда девать электричество ночью в таком количестве? Вот и первый ответ на вопрос «зачем нужны ГАЭС»: для балансировки, сглаживания пиков и провалов потребления электроэнергии в течение суток.

Ночью забрали энергию АЭС, чтобы насосы аккумулировали воду в верхний бассейн. Днем – добавили электроэнергию в общую систему, сбросив воду в нижний бассейн.

http://geoenergetics.ru/wp-content/uploads/2017/02/RusGidro_f-02.jpg

Принцип работы ГАЭС, Фото: rushydro.ru

Есть на планете регионы, где водные артерии – в большом дефиците, где появление огромных водохранилищ приведет к затоплению обжитых земель с сельскохозяйственными угодьями или экологически ценных заказников-заповедников.

Два бассейна ГАЭС, грубо говоря, заберут воду один раз и, не нарушая баланса, обеспечат регион электроэнергией. Примеры такого подхода уже есть, расскажем подробнее чуть позже. И логически напрашивается, просто в воздухе висит третий вариант использования ГАЭС.

Ахиллесова пята электроэнергетики ветра и солнца – то, что панели и ветряки способны порой выдать на-гора столько энергии, что ее физически некуда девать – ну, вот не надо в воскресенье после обеда столько электричества! Ну, нету на нее потребителей!

Технологии электрических аккумуляторов огромных емкостей, способных принять излишки электроэнергии – дело будущего, а вот ГАЭС уже придуманы, уже работают. Первая ГАЭС была построена в Швейцарии, недалеко от Цюриха, в далеком 1882 году. Да, конечно, мощность у нее по нынешним меркам была просто игрушечной – 103 кВт, но кто-то как-то ведь должен был начинать…

Уже началу ХХ века количество ГАЭС в мире увеличилось в четыре раза! Да, вы правы – мы просто еще раз показали, что к статистике нужно относиться очень внимательно: за следующие 20 лет в мире построили еще три ГАЭС.

Всего-навсего. А последние итоги подводили в 2012 году – на этот момент в мире действовали 460 ГАЭС. По сравнению с общим количеством обычных ГЭС очень немного, но это вовсе не повод отказаться от развития этого направления в энергетике.

В советские времена мы уже получили опыт строительства ГАЭС. Три ГАЭС было построено на территории России: на Кубани (генерирующая мощность 15,9 МВт) и в Загорске Сергиево-Посадского района Подмосковья (генерирующая мощность – 1’200 МВт).

На Украине ГАЭС были построены под Киевом (генерирующая мощность – 235 МВт) и в Черновицкой области (Днестровская ГАЭС, 972 МВт). И, совсем уж на закате советской эпохи, в 1992 году, успели ввести в эксплуатацию ГАЭС на реке Неман в Литве, Круонисскую, с генерирующей мощностью 900 МВт. Не много, прямо скажем. И не очень большие, есть с чем сравнивать.

Конечно, в вопросе строительства ГАЭС очень многое зависит от двух главных параметров, очевидных из самого принципа их работы: от рельефа местности и от разницы ночных и дневных тарифов. Технически самые большие потребности в ГАЭС для сглаживания пиков потребления у России – в северо-западном регионе, но как раз тут с большими перепадами высот сложилось так, как сложилось.

Кубанская ГАЭС работает при перепаде высот всего в 30 метров, Загорская – при 100 метрах. Однако, как видите, разница в мощности – не в три раза, а в 75 (15,9 МВт и 1’200 МВт). Гидроагрегаты на Кубани введены в строй в 1969 году, а в Загорске – в 2000 году. И это, как вы понимаете – очень разные гидроагрегаты. Очень разные.

Оборудование для ГАЭС – это такая инженерная изюминка, поскольку имеет двойное назначение. Турбина должна уметь «превращаться» в насос, а генератор – в двигатель. Мало того, аппаратура должна уметь совершать такие «превращения» быстро и должна быть готова делать это часто, ведь задача ГАЭС и состоит в том, чтобы сглаживать колебания нагрузки и потребления в сети.

Аппаратуру для Кубанской ГАЭС в 60-е сделали на Урале. Вы уж простите за крайне «креативные» названия, но вот такая традиция у наших мащиностроителей.

Завод «Уралгидромаш» изготовил насос-турбины 63НТВ-30, а «Уралэлектротяжмаш» – генераторы-двигатели ВГДС240/64-30. Не уверены, что мы кого-то сильно обрадовали или восхитили этими названиями, но давайте уж зафиксируем: для нашей маленькой ГАЭС оборудование делали на Урале.

https://imgprx.livejournal.net/13071e06685a97864a2179855ca61d9ae012dd1a/Y15_fUcFvDVMl9IxmRkiFlwC7VV7lEHxNQvIATkA4wANMCzTaS7FUNFibcHivf9S8qbfnwxhr4YLn5FEG1bR4wmPMTj4NWXhHSMWMww6xyTpx2Niz8qz6CTuZsh8gPWZ6-ng3t_Z82B5y6Gfj12r8-uHEiad7D9nccAv7jv4zHE

Строительство Загорской ГАЭС, Фото: rushydro.ru

Через 20 лет, когда гидроэнергетики приступили к строительству Загорской ГАЭС, они обратились за помощью в славный город на Неве. Сейчас название Ленинградского металлического завода звучит достаточно уныло, это всего лишь филиал ОАО «Силовые машины», а раньше его названия звучали очень многозначительно.

Основал завод в 1857 году купец Сергей Растеряев, и тогда это был «Санкт-Петербургский металлический завод». Начинал завод с котлов, потихоньку расширял номенклатуру. В 1907 именно здесь была создана первая в России паровая турбина «М-З». Похоже, что с той поры в названиях наших турбин слов и нет, только буквы…

А потом была революция, и уже в 1924 ЛМЗ создал первую гидравлическую турбину и начал работать в режиме «пятилетку за четыре года в три смены на двух станках на одного человека». Иначе как ЛМЗ умудрился обеспечить выполнение трети плана ГОЭЛРО в своих цехах?

За такие заслуги в 1929 году ЛМЗ получил высокую по тем временам награду – ему присвоили имя И.В. Сталина. А еще в том же году при заводе появилось ВТУЗ – высшее техническое учебное заведение, которое существует и сейчас с названием Санкт-Петербургский институт машиностроения. Позднесоветское наименование завода – ЛМЗ им. XXII съезда КПСС. Такие были времена.

Извините, на этом исторический экскурс закончим, и так отвлеклись. Институт «Гидропроект» создал проект Загорской ГАЭС, а ЛМЗ и Ленинградский тогда еще институт машиностроения – разработали для нее насос-турбину РОНТ 115/812–В–630.

Да-да, мы тоже в восторге от названия, но из песни слова не выкинешь. Уральцы, создавшие генераторы-двигатели на своем «Уралэлектротяжмаше», тоже были суровы, их изделие именуется ВГДС 1025/45-40УХЛ4. Названия тиристорных устройств, трансформаторов, открытых распределительных устройств, сервомоторов лопаток турбины мы вообще скроем от читателей и засекретим, хорошо?..

Лучше посмотрите короткий фильм о Загорской ГАЭС.

А для полноты картины попробуйте представить воочию, как выглядит работа этой электростанции при генерировании электроэнергии.

Полезная емкость верхнего бассейна – 22’400’000 кубометров. Двадцать два миллиона четыреста тысяч кубометров воды! Этой емкости хватает, чтобы турбины ГАЭС работали на полную мощность (1’200 МВт) 4 часа 20 минут. За время полного слива всего объема турбины успевают «вбросить» в энергетическую систему Московского региона порядка 5 млн кВт*часов энергии.

Скорость сброса воды – 86’000 кубометров в минуту, 1’400 кубометров в секунду. Грандиозные цифры, но других и быть не может, ведь при работе на полную мощность Загорская ГАЭС выдает на-гора столько же электроэнергии, сколько и самый мощный в России атомный реактор ВВЭР-1200.

У РусГидро, в состав которого Загорская ГАЭС вошла в апреле 2005 года, есть проект и второй очереди этой электростанции. Если все получится – Подмосковье получит еще 840 МВт электрогенерации, а комплект Загорских ГАЭС станет крупнейшим в регионе источником.

Слово «если» писать приходится из осторожности. 18 сентября 2013 года произошла серьезная техногенная авария, только оперативная собранность помогла эвакуировать всех строителей, жертв не было. Как показало следствие, в ту ночь окончательно не выдержал деформационный шов, через который вода хлынула в машинный зал.

Пожалуй, за все время работы у института «Гидропроекта» не было такой крупной ошибки в самом проекте, хотя ведь и первую очередь Загорской ГАЭС делал этот же коллектив, знаний о грунтах хватало. Мало этого, так еще и надзора за ведением работ на должном уровне не было.

Экспертиза показала, что проблему с этим швом начались за полгода до аварии, еще в марте. С последствиями аварии справляться пришлось долго: вкачивали под фундамент главного здания специальные растворы, восстанавливали шов. Работы теперь ведутся под жестким контролем Министерства энергетики России, но торопиться уже никто не собирается.

https://imgprx.livejournal.net/5548c0cda259ae31886fb212def4df6caa09e8ee/Y15_fUcFvDVMl9IxmRkiFlwC7VV7lEHxNQvIATkA4wANMCzTaS7FUNFibcHivf9S8qbfnwxhr4YLn5FEG1bR4wmPMTj4NWXhHSMWMww6xyTpx2Niz8qz6CTuZsh8gPWZXDRzPjKlHYKSA7v_W-KOMKZeH65jSrinXs30RCGTp2EDmStaoANbvH4tFROWOcsHS6ZGARtsFvM1eUUv-ZnNxA

Строительство Загорской ГАЭС-2, Монтаж рабочего колеса, Фото: rushydro.ru

В настоящее время проекты завершения восстановительных работ и окончания строительства проходят независимую экспертизу и проверку со стороны Ростехнадзора, по плану сдача объекта в эксплуатацию состоится в 2019-2020 годах.

И никаких вариантов «мы передумали, слишком дорого получается» использовать не удастся, ведь Загорская ГАЭС это не только генерирующие, но и регулирующие мощности, крайне необходимые нашему столичному региону.

На фоне проблем с Загорской ГАЭС не может не радовать то, что в декабре минувшего года в Карачаево-Черкессии была сдана в эксплуатацию Зеленчукская ГАЭС – первая в истории новой России. Рельеф местности позволил построить верхний и нижний бассейны с перепадом высот 234 метра – в два с лишним раза больше, чем на Загорской ГАЭС.

Вообще-то называть объект, расположенный на притоках Кубани между Карачаевском и Усть-Джегутой «ГАЭС» – в корне не верно. На самом деле это целый комплекс ГЭС-ГАЭС, строительство которых четко укладывается в слоган давней поры: «Идет вода Кубань-реки, куда велят большевики».

Строительство Зеленчукской ГЭС-ГАЭС, Фото: http://rushydro.livejournal.com/366844.html

И это вовсе не шутка «Геоэнергетики», сейчас расскажем подробнее. ГЭС на Кубани задумали построить еще в конце 60-х, но только проектирование заняло почти десять лет. Дело в том, что воды и напора ее течения в самой реке Кубань было попросту маловато, а генерация электроэнергии была насущной необходимостью.

Потому в Кубань частично переброшены стоки … еще трех рек: Маруха, Аксаут и Большой Зеленчук, которые стали своеобразными «донорами». После прохождения плотины ГЭС воду отправляют в Большой Ставропольский канал – для орошения, а заодно и для того, чтобы увеличить выработку электроэнергии малыми ГЭС Кубанского каскада.

И одновременно с этим перепад высот между бассейном суточного регулирования и нижним бассейном теперь используется для работы в режиме ГАЭС. Описывать комплекс не так просто, давайте просто перечислим основные его части:

• гидроузел на реке Большой Зеленчук;


• канал Большой Зеленчук – Хуса-Кардоникская (3,5 км);


• тоннель Хуса-Кардоникская – Маруха (5,1 км)


• гидроузел на реке Маруха;


• тоннель Маруха – Аксаут;


• гидроузел на реке Аксаут;


• канал Аксаут – Кардоник;


• напорный тоннель (дюкер) под рекой Кардоник (7,6 км);


• канал Кардоник – Кумыш (3.7 км);


• напорный тоннель (дюкер) под рекой Кумыш;


• канал Кумыщ – бассейн суточного регулирования;


• бассейн суточного регулирования полезным объемом 1,85 млн кубического километра;


• ж/б трубопровод в 2 нитки диаметром 5 м и длиной 423 м;


• 2 деривационных тоннеля по 2.7 км;


• 2 уравнительных резервуара емкостью по 400 кубометров;


• 2 вертикальные шахты высотой по 130 метров;


• 2 напорных тоннеля диаметром по 4.5 и длиной по 600 метров;


• здание ГЭС-ГАЭС;


• нижний бассейн площадью 15 га и объемом 0,9 куб километра.

Читать устали? А в 70-е годы почти все это сумели построить. Вот только проект так закончен и не был. Было задумано, что на ГЭС будут стоять 4 турбины по 80 МВт, но в конце 80-х, как тогда было модно, встали на уши экологи – что-то им там не понравилось, хотя проект предусматривал даже рыбоводы. Пока демонстрировали-протестовали – в стране кончились деньги.

Проект скорректировали в сторону уменьшения, оставив две турбины, но к тому времени здание было уже практически завершено, и в нем уже была смонтирована вся инфраструктура под еще два гидроагрегата.

https://imgprx.livejournal.net/e54af9eb2ad740b0a8c68c00de7a277a4b2c66b8/Y15_fUcFvDVMl9IxmRkiFlwC7VV7lEHxNQvIATkA4wANMCzTaS7FUNFibcHivf9S8qbfnwxhr4YLn5FEG1bR4wYhfPhzksRU-863N8AnluJEE_fkTVpsU6PJt_FkMLfL

Трубопровод Зеленчукской ГЭС-ГАЭС, Фото: http://angelsolitude.livejournal.com/112158.html

В 2005 году АО «Зеленчукская ГЭС» вошла в состав РусГидро, и этот концерн решил, что использовать такой строительный задел будет совершенно разумно. В 2006 году РусГидро подписало контракт на создание проекта с харьковским ООО «Гидротехпроект» – именно этот институт проектировал Зеленчукскую ГЭС в советские времена.

Проект сделали, к 2010 он прошел все контролирующие инстанции и с 2011 года реализация проекта началась на практике.

И вот теперь про воду Кубань-реки подробнее. Станция расположена на левом берегу реки, а нижний бассейн был спроектирован на правом – на левом для него просто не было места.

Зимой 2014 года реку Кубань … сдвинули вправо, чтобы провести канал к нижнему бассейну – канал, которому предстояло стать «подречным». 500 тонн металлоконструкций, 15 тысяч кубометров бетона, 40 тысяч кубометров выемки грунта – за сезон, после чего русло реки вернули на его законное место.

Мы с вами в это время следили за Крымом, за героически Донбассом, а работники РусГидро буднично, без лишней помпы и, разумеется, безо всякого освещения в СМИ, двигали реку…

Строительство Зеленчукской ГЭС-ГАЭС, Фото: http://angelsolitude.livejournal.com/112158.html

А еще в феврале все того же 2014-го, когда полыхал Майдан и все внимание было обращено к этой трагедии, на харьковском заводе «Турбоатом» закончили и повезли в Россию насос-турбины для ГАЭС. Если готовы – читайте название, вот оно: ОРО 230-В-221.

В комплекте с генераторами-двигателями СВО 407/215 от харьковского же «Электротяжмаша», законченными и поставленными в марте 2014, российской ГАЭС и предстоит работать, регулируя пиковые нагрузки в Объединенной энергосистеме Юга России. Гидроагрегаты имеют установленную мощность по 80 МВт каждый, и теперь Карачаево-Черкессия обеспечивает свои потребности в электроэнергии на 45% самостоятельно.

162 млн кВт*часов, которые теперь нет необходимости перекидывать по ЛЭП из других регионов – это не мало, а РусГидро продолжает проектировать малые ГЭС в этом регионе.

Во времена плановой экономики мы бы уже наверняка видели проекты новых производств, что и как будет происходить в наше романтично-капиталистическое стихийное время – увидим. Потенциал у региона очень неплохой, остается либо дождаться инвесторов, либо момента, когда появится некий государственный комплексный план развития.

Об этом пока можно только гадать, но один факт останется без изменений: российские энергетики освоили строительство ГАЭС. Будут ли новые проекты? Один уже имеется: РусГидро всерьез задумалось создать ГАЭС в Ленинградской области, чтобы помочь Ленинградской АЭС-2 с регулированием и прохождением пиковых суточных нагрузок.

А теперь давайте вернемся к тезису, заявленному в начале заметки: ГАЭС могут стать ценными помощниками для всех прочих видов ВИЭ. Идея вовсе не надумана, и сейчас в Австралии намерены реализовать проект, совмещающий солнечную энергетику с ГАЭС.

Поклонники либерального подхода могут смело заявить, что это частная инициатива компании Genex, но это не совсем так, поскольку без серьезного гранта правительства проект не сдвинулся бы с мертвой точки.

В штате Квинсленд на северо-востоке континента, в 2001 году был закрыт крупный золотой рудник Кидстон. Сейчас прямо на его территории строится солнечная электростанция с проектной мощностью 150 МВт.

Цифра красивая, но КПД солнечных панелей по прежнему колеблется вокруг 25%, поэтому планируется, что солнечная ЭС сможет вырабатывать порядка 145 ГВт*часов.

Стоимость этой части проекта – около 80 млн долларов США, а еще 370 млн уйдет на строительство ГАЭС, мощность которой составит 330 МВт.

Можно сравнить с ценой Зеленчукской ГАЭС с ее 160 МВт, на ввод в эксплуатацию которой потребовалось 11,5 млрд рублей, вот только не очень понятно, по какому курсу нужно производить пересчет.

На момент начала строительных работ и оплаты украинских производителей оборудования курс доллара несколько отличался от курса декабря 2016 года, не так ли? Давайте возьмем некую среднепотолочное значение 1 доллар = 50 рублей.

Тогда получается, что в России было потрачено 230 миллионов долларов. Пересчитываем на мегаватты, получаем 1,12 млн долларов за мегаватт в Австралии и 1,44 млн долларов за мегаватт в России.

Коррупция и казнокрадство? Отнюдь. Какие работы были проведены у нас на Кубани, мы уже описали, а вот в Австралии все совсем наоборот, как и должно быть на другой-то стороне земного шара.

В наследство от золотоискателей им достались два карьера объемами по 5 млн кубометров с перепадом высот 190 метров – готовые к использованию, даже наполненные водой. Никуда не пропали дамба и трубопровод, линии электропередач и система подстанций, все это можно уверенно использовать.

РусГидро такие тепличные условия могут только сниться. Потому Genex смотрит в будущее с оптимизмом и уверена, что справится со всеми работами до 2020 года.

В результате солнечная электростанция будет работать либо на сеть штата, либо на перекачку воды из нижнего бассейна в верхний, что, помимо всего прочего, значительно увеличит коэффициент использования установленной мощности солнечных панелей.

Режим генерации австралийцы намерены использовать в дневное время, когда применяется максимально высокий тариф, закачивать воду в верхний бассейн будут по ночам, на минимальном тарифе. Если все расчеты точны, то и окупаемость проекта СЭС-ГАЭС будет достаточно быстрой.

Так что предлагаем посматривать, как будут идти дела у пионеров совмещения двух видов ВИЭ и, если опыт окажется положительным, пробовать применить его и в России.

В наших южных регионах, где имеет смысл заниматься солнечной энергетикой, мест с подходящим рельефом вполне достаточно – и это только первое, что приходит в голову. Остается обратить ваше внимание на то, что решением правительства России именно государственному концерну РусГидро поручено развитие солнечной и ветровой энергетики.

Тому самому РусГидро, который теперь может с гордостью говорить о том, что у него уже есть опыт строительства ГАЭС. Везет? Можно сказать и так, да вот везет чаще всего тому, кто везет.