CC BY
65
УДК: 621.311
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАЛЫХ ГЭС
Д.А. Гурьянов1, Ланкин К.А.1, Н.Ф. Тимербаев2
1Казанский национальный исследовательский технологический университет,
г. Казань, Россия
2Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
gurianovd96@mail. ru
Резюме: ЦЕЛЬ. Исследование, сбор и анализ данных о наилучших мировых практиках эксплуатации разных типов малых ГЭС в различных условиях. Оценка эффективности и выявление основных недостатков всех исследованных типов малых ГЭС. МЕТОДЫ. Для решения поставленной задачи были рассмотрены и исследованы различные публикации по данной тематике, и на основе полученной информации был проведен анализ современного состояния технологий малой гидроэнергетики, а также выявлены основные преимущества и недостатки различных типов малых ГЭС. РЕЗУЛЬТАТЫ. В данной работе приводится краткий обзор развития гидроэнергетики мира на современном этапе. Показаны причины возросшего интереса к возобновляемым источникам энергии в целом и к малой гидроэнергетике в частности. Рассмотрены имеющиеся программы поддержки развития малой гидроэнергетики. Исследованы наиболее распространенные конструкционные схемы малых гидроэлектростанций, рассмотрены их особенности и выявлены их преимущества и недостатки. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Малая гидроэнергетика является перспективным направлением для теоретических и экспериментальных исследований и разработок и особенно актуальна для отдаленных, труднодоступных и изолированных энергодефицитных районов, а также для локального водоснабжения небольших городов и поселений. Малые ГЭС обладают неоспоримыми преимуществами: низкая себестоимость электроэнергии, небольшие эксплуатационные затраты, короткие сроки ввода в эксплуатацию, минимальное влияние на окружающую среду. При различных условиях окружающей среды имеющийся в отдельных районах дефицит электроэнергии могут покрыть различные типы малых ГЭС со своими преимуществами и недостатками.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, гидроэнергетика, малые гидроэлектростанции, электрификация.
ANALYSIS OF THE CURRENT STATE OF SMALL HPP OPERATION TECHNOLOGIES
DA. Guryanov1, KA Lankin1, NF. Timerbaev2
1Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia 2Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
Abstract: THE PURPUSE. Research, collection and analysis of data on the world's best practices for operating different types of small hydroelectric power plants in different conditions. Evaluation of the effectiveness and identification of the main disadvantages of all types of small hydroelectric power plants studied. METHODS: To solve this problem, we reviewed and studied various publications on this topic, and based on the information received, an analysis of the current state of small hydropower technologies was compiled, as well as the main advantages and disadvantages of various types of small hydroelectric power plants were identified. RESULTS: This paper provides a brief overview of the development of hydroelectric power in the world at the present stage. The reasons for the increased interest in renewable energy sources and small hydropower are shown. The existing programs to ,support the development of small hydropower are considered. The most common design schemes of small hydroelectric power plants are studied, their features are considered, and their advantages and disadvantages are revealed. CONCLUSION: Small hydropower is a promising area for theoretical and experimental research and development and is particularly relevant for remote, hard-to-reach and isolated energy-
deficient areas, as well as for local water supply to small cities and settlements. Small hydroelectric power plants have undeniable advantages: low cost of electricity, low operating costs, short commissioning times, and minimal impact on the environment. Under different environmental conditions, different types of small HPP with their advantages and disadvantages can cover the electricity deficit in certain areas.
Key words: renewable energy, hydropower, small hydro power plants, electrification.
Введение
Основу энергетической безопасности страны составляет электроэнергетика, объекты генерации которой классифицируются по типу используемого источника энергии. Каждый тип генерации обладает своими преимуществами и недостатками.
Атомные электростанции (АЭС) являются наиболее дорогостоящими в постройке и несут наибольшую потенциальную угрозу в случае аварии. Кроме того, они обладают низкой манёвренностью выработки электроэнергии. Положительными сторонами АЭС являются относительная дешевизна используемого топлива и соответственно вырабатываемой электроэнергии.
Тепловые электростанции (ТЭС) значительно дешевле в постройке и обслуживании, несут меньшую экологическую угрозу в случае аварии и обладают высокой манёвренностью. Среди минусов тепловых электростанций выделяют относительную дороговизну топлива, сложность его логистики и высокий сопутствующий экологический ущерб, связанный с добычей и использованием топлива [1].
Электростанции, использующие возобновляемые источники энергии (ВИЭ), являются достаточно дорогими и сложными, однако у них есть ряд преимуществ перед традиционной энергетикой, среди которых независимость от ископаемого топлива и низкий экологический ущерб. Кроме того, развитие возобновляемой энергетики стимулирует инновационные производства и позволяет обеспечить электричеством изолированные районы и населённые пункты. Наиболее распространенным возобновляемым источником электроэнергии является гидроэнергетика. В мировом производстве электроэнергии доля в 13 % приходится именно на этот источник (Рис. 1). В Российской Федерации ГЭС составляют 16% от общего количества электростанций [1-3].
ГЭС
13% Нефть (мазут)
29%
Рис. 1. Распределение мирового производства электроэнергии по источникам [www.iea.org]
На сегодняшний день гидроэнергетика развита и широко используется более, чем в 160 странах мира. Крупные ГЭС действуют в Северной Америке, Китае, Индии, Украине, России, Турции, Иране, Ираке, Канаде, Латинской Америке. Значительный гидроэнергетический потенциал, большая часть которого уже используется, имеется в Европе, а также в Северной и Латинской Америке. Недостаточно развита гидроэнергетика в Восточной и Южной Азии, а также в Африке. Причинами тому являются климатические и
топографические условия, сложность строительства станций из-за труднодоступности водных ресурсов, отсутствие технических и технологических возможностей, опыта проектирования, производства оборудования и сооружения объектов малой энергетики, а также отсутствие или ограниченность инвестиционных программ [4].
Однако гидроэнергетический потенциал крупных рек практически полностью использован, да и к тому же строительство крупных объектов гидроэнергетики сопряжено с множеством проблем. Особенно в странах с формирующейся экономикой экологическая, социальная, экономическая и техническая устойчивость крупномасштабной гидроэнергетики подвергается серьезной критике. При этом, в период с 1990 по 2017 год мировое потребление энергии выросло на 25%, а около 1,3 миллиарда человек во всем мире все еще не имеют доступа к электроэнергии. Поэтому на современном этапе во многих странах мира, благодаря многочисленным преимуществам, а также своевременному внедрению различных технологических инноваций быстро развивается малая гидроэнергетика, признанная одним из наиболее надежных, практически безуглеродных и гибких вариантов производства электроэнергии при минимальном воздействии на окружающую среду [5-7].
Согласно докладу World Small Hydropower Development Report 2019 от United Nations Industrial Development Organization, общая установленная мощность МГЭ в мире с учетом станций мощностью до 10 МВт составляет 78 ГВт. По сравнению с 2013 годом, установленная мощность МГЭ выросла примерно на 10% и на 4,7% по сравнению с 2016 годом. Также по сравнению с 2013 годом, на существенные 30% увеличился известный потенциал МГЭ (Рис. 2).
76 78
76 75
гь
72 71
70 ■
68
66 L ■
WSHPDR WSHPDR WSHPOR 2013 2016 2019
240 220 200 180 160 140 120 100
177
Ш
225 229
I
WSHPDR WSHPDR WSHPDR 2013 2016 2019
Рис. 2. Общая установленная мощность МГЭ в мире и известный потенциал МГЭ в мире (ГВт)
[www.smallhydroworld.org]
Несмотря на преимущества МГЭ, основная часть потенциала МГЭ (66%) остается пока неиспользованной.
Среди таких преимуществ:
- относительно низкий уровень необходимого инвестиционного капитала;
- упрощенное строительство, содержание и эксплуатация станций;
- меньший, по сравнению с крупными ГЭС, срок окупаемости;
- минимальное воздействие на окружающую среду, сохранение природного ландшафта;
- электрификация сельских и отдаленных районов.
Кроме того, по сравнению с электростанциями, работающими на ископаемом топливе, малые гидроэлектростанции обеспечивают более низкую себестоимость электроэнергии и эксплуатационные затраты, относительно недорогую замену оборудования, более длительный срок службы электростанций (до 50 лет) без существенных затрат на замену оборудования, а также комплексное использование водных ресурсов (электроэнергетика, водоснабжение, мелиорация, рыбное хозяйство). Малая гидроэнергетика не имеет ряда недостатков крупных ГЭС (строительство крупных ГЭС более долгое и дорогостоящее, для водохранилищ требуются большие территории) и во всем мире признается как один из наиболее экономичных и экологически чистых способов получения электроэнергии. Наиболее значимые преимущества развития малых ГЭС представлены в таблице 1.
Однако, использование малых ГЭС - для России вовсе не новое, а хорошо забытое старое: в 50-60-х годах у нас работало несколько тысяч малых ГЭС. В настоящее время их количество едва достигает нескольких сотен штук. Между тем, постоянный рост цен на органическое топливо приводит к значительному удорожанию электрической энергии, доля которой в себестоимости производимой продукции достигает более 20 %. При этом в России свыше 2,5 млн. малых рек, на которые приходится около 99% общего числа рек и около 93 % их протяжённости. Они формируют около половины суммарного объёма
речного стока (более 1000 м3). Технический ресурс (потенциал) малых рек оценивается 382 млрд кВт ч в год. Установить экономический гидроэнергетический потенциал малых рек весьма затруднительно из-за отсутствия технико-экономических показателей, природных и строительно-хозяйственных условий сооружения малых ГЭС (МГЭС). Известна приблизительная оценка экономического потенциала (ресурса), составляющая около 55 % технического гидропотенциала. На этом фоне малая гидроэнергетика обретает новую жизнь [8-9].
Таблица 1
Сравнительные характеристики целесообразности развития малых ГЭС. [9]_
Факторы Преимущества
1 Экономические - себестоимость вырабатываемой электроэнергии в 2-2,5 раза ниже, чем на крупных ГЭС; - не требуется строительства плотин и больших площадей затопления; - не выводятся из хозяйственного оборота плодородные земли; - приближенность к потребителю и отсутствие необходимости прокладывания дорогостоящих ЛЭП, в том числе в труднодоступных районах; - возможность привлечения средств населения, среднего и малого бизнеса; - открываются дополнительные возможности освоения новых территорий; - более короткие сроки получения электроэнергии;
2 Технические и технологические - не требуется использование большегрузной автотехники, строительства дорог для транспортировки материалов и техники для строительства плотин и т.д.; - простота в регулировании режимов эксплуатации; - возможность использования при строительстве станций маломощных транспортных средств;
3 Экологические - отсутствие зон затопления и сохранение естественных земельных угодий (без засоления и эрозии), лесов, флоры и фауны; - сохранение экологического равновесия; - сохранение качества воды, поступающей для коммунальных нужд и орошения.
4 Социальные - электрификация удаленных от основных коммуникаций поселений; - создание новых рабочих мест и привлечение рабочей силы на освоение новых и более эффективное использование действующих производств; - улучшение социально-бытовых условий населения.
Для того, чтобы поддержать развитие использования возобновляемой энергетики на территории Российской Федерации Минэнерго РФ запустило в 2014 году программу договоров поставки мощности (ДПМ) ВИЭ до 2024 года, в рамках которой субсидируется возведение объектов генерации электроэнергии, использующих возобновляемые источники энергии. В число данных объектов входят солнечные, ветряные и малые гидроэлектростанции.
Объекты малой гидроэнергетики в данной программе субсидирования были ограничены максимальной мощностью в 25 МВт. Согласно данным, предоставляемым АО «АТС» по итогам конкурсных отборов инвестиционных проектов по строительству генерирующих объектов, функционирующих на основе ВИЭ, которые прошли с 2013 по 2020 годы, было отобрано всего 14 заявок на строительство малых ГЭС суммарной мощностью 203,67 МВт, которые представлены в таблице 2. Больше всех - 99,54 МВт -«забрал» отраслевой лидер, государственный холдинг «РусГидро». В числе прошедших отборы - компании «ЕвроСибЭнерго - Гидрогенерация» (которая управляет ГЭС от En+ Group), «НГБП», «ЭнергоМИН», «ЮжЭнергоСтрой» и «ТГК-1».
Однако, по планам, которые были прописаны при запуске программы ДПМ ВИЭ с 2014 по 2024 года, в России планировалось ввести 751 МВт малых ГЭС - станций единичной мощностью до 25 МВт. За прошедшие годы квоты, выделенные на малую гидроэнергетику, неоднократно переносились в пользу ветряных и солнечных электростанций, инвесторы которых вели себя намного активнее. В итоге общая суммарная мощность гидроэнергетического сегмента к 2019 году была ужата до 390 МВт, но даже при
этом по итогам 2019 года остались не разыгранными 221,9 МВт. Для сравнения: инвесторы в солнечную энергетику за семь прошедших отборов выбрали всю квоту, а в сегменте ВЭС осталось не разыгранными всего 2,3 МВт. На конкурсном отборе проектов в рамках ДПМ ВИЭ в 2020 году доступный объем квот МГЭС на 2024 год составил 41,86 МВт.
Таблица 2
Перечень проектов ВИЭ, отобранных по результатам ОПВ, 2013-2020 годы, данные АО «АТС»
№ Инвестор Год отбора Наименование проекта Регион МВт Ввод до САРЕХ (руб/кВт )
1 ПАО «РусГидро» 2014 Сенгилеевская Ставропольский край 10 01.12. 2017 146 000,0
2 Барсучковская 5,04
3 Усть-Джегутинская Карачаево-Черкесская Республика 5,6
4 2017 Красногорские ГЭС-1 и ГЭС-2 24,9 01.12. 2021 163 912,0
5 24,9 01.12. 2022
6 2020 Башенная МГЭС Чеченская Республика 10,0 01.12. 2024 193 640,0
7 МГЭС Псыгансу Кабардино-Балкарская Республика 19,1 01.12. 2024 194 639,0
8 ООО «НГБП» 2015 Белопорожские ГЭС-1 и ГЭС-2 Республика Карелия 24,9 01.12. 2019 174 014,0
9 24,9
10 ООО «ЭнергоМИН » 2018 на Просянском сбросе БСК Ставропольский край 7 01.10. 2020 174 473,0
11 Горько-Балковская 9
12 ООО «Южэнергос трой» 2018 НижнеКрасногорская Карачаево-Черкесская Республика 23,73 01.03. 2023
13 ООО «ЕвроСибЭн ерго-Гидрогенера ция 2019 Сегозерская Республика Карелия 8,1 01.12. 2022 175 948,0
14 ПАО "ТГК-1" 2020 МГЭС-1_1 Мурманская область 16,5 01.12. 2024 192 000,0
ИТОГО 203,6 7 181 770,3
Сейчас уже активно ведется обсуждение программы ДПМ ВИЭ - 2, которая должна стартовать в 2024 году и продлиться до 2034 года. В целях повышения привлекательности проектов малых гидроэлектростанций в глазах потенциальных инвесторов, в рамках новой программы уже было заявлено увеличение максимальной мощности малых ГЭС, претендующих на субсидирование, в два раза до 50 МВт.
В настоящее время общепринятого для всех стран понятия малой гидроэлектростанции нет, но в качестве основной характеристики, определяющей разделение гидроэлектростанций на крупные и малые, принята их установленная мощность. Согласно определению Европейской Ассоциации Малой Гидроэнергетики (ББИА) малыми считают ГЭС мощностью до 10 МВт, однако, в различных странах верхний предел мощности МГЭС составляет от 2 до 100 МВт. Также среди малых ГЭС можно условно выделить микроГЭС, установленная мощность которых не превышает 0,1 МВт.
Кроме мощности малые ГЭС классифицируются по конструкции гидротурбины, напору воды, степени автоматизации, режиму работы, а также по расположению и конструкции сооружений ГЭС [10, 11]. В данной статье нам бы хотелось подробнее раскрыть последний способ классификации, для чего было собраны и проанализированы различные публикации по данной тематике.
Классификация малых ГЭС по расположению и конструкции сооружений.
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 МГЭС с небольшими водохранилищами;
- МГЭС контейнерного исполнения, с применением напорных деривационных трубопроводов;
- стационарные МГЭС, использующие энергию свободного течения рек;
- МГЭС, использующие существующие перепады уровней воды на различных объектах водного хозяйства [12].
Рассмотрим их особенности, преимущества и недостатки:
1) Русловые или приплотинные МГЭС с небольшими водохранилищами
Этот вид МГЭС является наиболее распространенным так же, как и среди больших ГЭС, да и конструктивно отличается он от них только размерами плотины и мощностью установленного гидроагрегата, по которой определяется является ли, соответственно установленному в данной стране уровню, данная гидроэлектростанция малой. Напор воды создается за счет установки плотины, которая перегораживает реку и поднимает уровень воды до необходимой высоты, после чего вода поступает на турбины через напорные тоннели или деривационные каналы. Разница между русловыми и приплотинными малыми гидроэлектростанциями заключается в расположении здания МГЭС (Рис. 3).
Рис. 3 Различия компоновки русловых, приплотинных и деривационных МГЭС
При русловом типе здание малой ГЭС непосредственно встраивается в напорный фронт гидроузла. В этом случае здание само воспринимает напор воды водохранилища или пруда. Располагаться здание малой ГЭС по отношению к другим сооружениям может между водосбросом и глухой плотиной, на берегу, или может быть основным элементом напорного фронта в том случае, когда створ реки достаточно узкий. Все эти варианты зависят, в первую очередь, от топографических условий. В целом, русловой тип зданий малых ГЭС наиболее распространен в случае расположения гидроузлов в равнинной местности, поскольку для равнинных территорий характерны малые уклоны рек и, соответственно, сравнительно небольшие напоры, что является благоприятными условиями для руслового расположения здания малой ГЭС.
При приплотинном типе в состав напорного фронта входит только плотина, а здание малой ГЭС не воспринимает нагрузку от напора воды. Оно располагается обособленно, но, как правило, практически вплотную к глухой плотине. Такой тип распространен в горных и предгорных районах - благодаря рельефу здесь возможна постройка более высокой плотины без затопления значительной территории. Более высокая плотина (сделанная из бетона или грунта), позволяет получить больший напор, но с увеличением напора растет и гидростатическая нагрузка. Плотина выдержит такую нагрузку, а здание малой ГЭС - нет. По этой причине его размещают не в составе напорного фронта, а рядом с ним.
Деривационный тип малой ГЭС фактически является разновидностью приплотинного типа, и во многих случаях является более благоприятным вариантом. Плотина в данной конструкции обычно меньших размеров и используется для отвода части текущей воды в деривационную систему (т.е. обводной канал или трубопровод). Здание малой ГЭС же располагается не просто в стороне от сооружений напорного фронта, а на значительном расстоянии и соединена деривацией с напорными сооружениями. Длина деривации может достигать нескольких километров. Деривационный тип почти всегда применяется при конструировании зданий малых ГЭС, расположенных в горных районах, так, как только на горном ландшафте возможно получить значительный перепад высоты с помощью спрямления участка реки. Кроме того, деривация позволяет оптимально спроектировать мощность устанавливаемого гидроагрегата на основе отводимого от реки потока, а также управлять потоком воды в турбину с помощью водосливов, снижая риск повреждения электростанции в случае затопления.
В зависимости от гидрографа водоема и характеристик установленного гидроагрегата мощность данного типа малых ГЭС может достигать десятков МВт, а годовая выработка электричества - более 20 млн. кВт*ч. [13, 14].
Преимущества русловых и приплотинных малых ГЭС:
- Простая, отработанная конструкция;
- Достаточно высокая мощность и КПД;
- Небольшая, по сравнению с обычными плотинными ГЭС площадь затопления;
- Возможность совмещения плотины и моста через водоем.
- Недостатки:
- строительство плотины требует значительных трудовых и материальных затрат;
- Низконапорные ГЭС имеют существенно большую удельную стоимость (в расчете на кВт мощности и кВт*ч. вырабатываемой электроэнергии);
- Малый объем водохранилища, приводит к тому, что выработка подобных ГЭС сильно зависит от сезона и погодных условий - в маловодные периоды она резко падает. А в половодье и паводки, они вынуждены сбрасывать массу воды вхолостую;
- С точки зрения судоходства сооружение нескольких небольших низконапорных гидроузлов вместо одного большого приводит к увеличению времени на шлюзование -вместо одного шлюза нужно проходить несколько.
2) МГЭС контейнерного исполнения, с применением напорных деривационных трубопроводов
Строительство сложных гидросооружений сопряжено с большими техническими проблемами по доставке на место строительства техники, материалов и самих строителей, строительства подъездных дорог, большого объема строительных и монтажных работ. В случае необходимости удовлетворения потребностей населения и промышленности в электричестве в отдалённых районах с горным ландшафтом задача максимально упрощается путем использования контейнерных МГЭС, для которых основными элементами строительства являются создание подпора для забора воды, прокладка напорного трубопровода и изготовление фундамента для контейнера. Схема установки МГЭС такая же, как и в случае деривационной, однако МГЭС представляет собой не здание с гидроагрегатом внутри, а один или несколько транспортных контейнеров, внутри которых установлено все необходимое оборудование (Рис. 4).
Непосредственно сама контейнерная МГЭС разрабатывается, изготавливается и собирается в заводских условиях. В итоге капитальные расходы на установку контейнерной МГЭС в сравнении с плотинной ниже на 30%, а срок ввода в эксплуатацию меньше примерно в 4 раза.
Сборкой, поставкой и установкой контейнерных МГЭС занимается множество компаний, как отечественных, так и зарубежных. Например, таких как дочернее предприятие российского «Атомэнергомаша» в Венгрии «Ganz EEM». Мощность производимых ими установок данного типа, в зависимости от расчетного напора и расхода воды, может составлять от 0,4 до 2,0 МВт.
Условием для размещения и эксплуатации оборудования является, так же, как и для приплотинных деривационных МГЭС наличие горного ландшафта, на котором будет возможно обеспечить необходимый напор воды, поступающий на лопасти гидротурбины, путем спрямления участка реки. В том случае, когда возможный на данном водоеме напор воды не удовлетворяет требованиям по необходимой выработке электроэнергии существует возможность установки нескольких контейнерных МГЭС на одном водозаборе или по каскадной схеме, что позволяет широко варьировать количество производимой электроэнергии при необходимости [15].
Рис. 4. Модель контейнерной МГЭС
Преимущества контейнерных малых ГЭС:
- Простая и быстрая установка в отдаленных районах;
- Не требует строительства плотины и не нарушает экологическое состояние водоема;
- Можно установить несколько МГЭС параллельно или каскадно для максимального использования потенциала реки;
- Существует возможность дистанционного управления через Интернет и сотовую
связь;
- Контейнерную МГЭС можно достаточно легко передислоцировать в случае необходимости.
Недостатки:
- Возможность установки МГЭС данного типа на водоеме ограничивается имеющимися требованиями минимального напора и расхода воды;
- Максимальные напор и расход воды также несколько ограничены, что в свою очередь ограничивает максимально возможную выработку электроэнергии на одной установке.
3) Стационарные МГЭС, использующие энергию свободного течения рек
Также данный тип МГЭС называют свободнопоточными. Их принципиальным отличием от классических является использование не потенциальной (создаваемой плотиной или деривацией), а кинетической энергии текущего водного потока. Ближайшим аналогом данной конструкции является ветряная электростанция, в которой аналогичным образом используется кинетическая энергия движущегося воздуха. Зачастую свободнопоточные ГЭС называют бесплотинными, что не совсем корректно, поскольку бесплотинными являются и некоторые классические ГЭС, в том числе и весьма крупные -например, расположенные на Ниагарском водопаде.
Идея использования кинетической энергии речного потока не инновационна, более того, история гидравлических машин началась с подливных водных колес, которые продолжают использовать уже несколько тысяч лет, и работают они именно таким образом. Конструкция проще некуда - берешь колесо с лопастями или ковшами, помещаешь в текущую воду, оно крутится, вращает генератор и вырабатывает электрический ток. Не нужны дорогостоящие плотины или деривационные тоннели, земли не затапливаются, рыбе не мешают, поставить такую ГЭС можно вроде бы практически везде - масса преимуществ. За сотни лет их использования (а за последние десятилетия особенно) специалистами и энтузиастами было создано огромное количество различных конструкций свободнопоточных ГЭС (Рис. 5).
Однако, распространение свободнопоточных МГЭС очень ограничено и представлено главным образом экспериментальными установками. Связано это с тем, что один кубометр воды, движущейся со скоростью 2-5 км/ч (скорость течения равнинных рек, на которых преимущественно размещаются данные ГЭС), обладает энергией порядка 155965 Дж. А тот же кубометр воды, падающий с высоты в 1 метр, имеет в запасе уже 9800 Дж. При этом столь малый напор в гидроэнергетике практически не используется, поскольку
считается малоэффективным. А также КПД свободнопоточной ГЭС существенно ниже, чем у классических (60% против 95%). Это приводит нас к тому, что свободнопоточные малые ГЭС, в принципе, не могут обладать заметной мощностью, их предел - несколько киловатт (возможно, пара десятков киловатт на больших и глубоких реках).
Решить эту проблему как на ветроэлектростанции - путем увеличения размаха лопастей рабочего колеса - невозможно, глубина даже крупных рек относительно невелика, достаточно часто изменяется в зависимости от сезона, да и располагать такую МГЭС очень близко к поверхности или ко дну нельзя - она будет либо разрушена ледоходом, либо засорена донными отложениями. Но все же в море такие станции возможны и существуют -они используют энергию приливных течений (хотя тоже являются пока экзотикой).
В итоге получается такая ГЭС: маломощная, с низким КПД, чувствительная к качеству изготовления (в случае погружения гидротурбины под воду требуется герметичность конструкции), сложная в монтаже, ремонте и подключении, требовательная к месту размещения и под постоянной угрозой разрушения льдом. Все это технически решаемо, но неизбежно ведет к увеличению стоимости и соответственно, к ее экономической неконкурентоспособности [16].
Рис. 5. Дизайн различных конструкций свободнопоточных малых ГЭС
Преимущества свободнопоточных малых ГЭС:
- Существуют варианты конструкций, которые можно временно установить практически, где угодно, например, для обеспечения электричеством летней дачи или в походных условиях
- Некоторые варианты конструкций устроены настолько просто, что их можно собрать в домашних условиях.
Недостатки:
- Малая мощность и низкий КПД;
- Не всегда возможно соблюсти требования по необходимой скорости потока и глубине погружения установки;
- Также могут возникать сложности при использовании на водоемах с большим количеством ила и в случае замерзания водоема.
4) МГЭС, использующие существующие перепады уровней воды на различных объектах водного хозяйства
На данный момент существует множество различных объектов водного хозяйства (ирригационные каналы, шлюзовые системы, водосбросы различных предприятий), которые обеспечивают необходимые для работы МГЭС напор и подачу воды. Получение электроэнергии с этого потока позволяет снизить затраты на электроэнергию на данных объектах, либо получать дополнительный доход за счет поставки электроэнергии в сети общего пользования. При этом использовать в данной схеме можно как классическую стационарную МГЭС, так и её контейнерное исполнение, а при использовании различных каналов можно установить на них свободнопоточные МГЭС (Рис.6).
Подобные проекты не пользуются особой популярностью, поскольку крайне редки случаи, когда с некоего объекта водного хозяйства можно получить напор и расход воды, сравнимые с естественными речными потоками. Однако, в 2007 и в 2011 году в городе Ульяновск на трубопроводах выпуска очищенных стоков были введены в эксплуатацию две малые гидроэлектростанции мощностью 1200 кВт и 500 кВт и годовой выработкой 5 и 2
млн. кВт-ч соответственно [17]. А, например, в США компания Етг§у, основанная в 2014 году, разработала и успешно внедряет на ирригационных каналах конструкцию универсальной малой ГЭС.
Рис. 6. Возможная схема установки МГЭС на водосбросе очистных сооружений
Преимущества данного типа малых ГЭС:
- Подача и напор воды уже сформированы, необходимо лишь подключить к данной системе МГЭС;
- Снижение затрат на электроэнергию на данных объектах водного хозяйства.
Недостатки:
- Необходимость стабилизации подачи воды, в случае её нерегулярности;
- В случае использования воды, загрязненной какими-либо реагентами, в качестве движителя гидроагрегата необходимо позаботиться о коррозионной защите МГЭС.
Выводы
Малая гидроэнергетика является зрелой и универсальной технологией, эффективной для повышения доступа населения к чистой и устойчивой электроэнергии как в развивающихся странах, так и в развитых странах, в особенности, в сельских районах. Малые гидроэлектростанции обладают значительными преимуществами: производимая ими электроэнергия имеет низкую себестоимость, эксплуатация не требует больших затрат, и влияние на окружающую среду минимально. При этом существуют подходящие для различных имеющихся условий и требований категории малых ГЭС.
Через развитие МГЭ многие страны уже предприняли или начинают предпринимать шаги для борьбы с бедностью и повышения доступности электроэнергии. МГЭ также помогает прогрессу в сфере ВИЭ и достижению целей по снижению выбросов парниковых газов в развитых странах. Малую гидроэнергетику, так же, как и другие виды ВИЭ, необходимо развивать и модернизировать, и государственная помощь тут, как никогда, кстати, ведь в данном секторе существует множество проблем и ограничений, для решения которых необходимо:
- Провести оценку ресурсов;
- Разработать соответствующую законодательную и нормативную базу;
- Создать доступ к стабильным источникам финансирования;
- Упростить доступ индустрии МГЭ к оборудованию и технологиям;
- Обеспечить надежную инфраструктуру;
- Усилить международное и региональное сотрудничество
Литература
1. Есяков С.Я., Лачуга Ю.Ф., Варфоломеев С.Д., и др. Потенциал использования возобновляемых источников энергии в сельском хозяйстве. // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2016. №1(169). С. 88-92.
2. Головин А.А., Солодухина О.И., Пьяникова Э.А. Оценка потенциала и перспектив использования возобновляемых источников энергии в целях диверсификации электроснабжения. // Интернет-журнал «Отходы и ресурсы». 2020. Т. 7. №1
3. Мардиханов А.Х. Обеспечение интересов ЕЭС России при формировании режимов работы гидроэнергетического комплекса // Вестник КГЭУ. 2019. Т. 11 №2. С. 3-14.
4. Кучерявая И.Н., Сорокина Н.Л. Современное развитие мировой гидроэнергетики. // Цдроенергетика Украши. 2014. № 4. C. 58-64.
5. Ghumman, A.R., Haider, H., Yousuf, I. et al. Sustainable Development of Small-Sized Hydropower Plants: Multilevel Decision-Making from Site Selection to Optimal Design. // Arabian Journal for Science and Engineering. 2020. V. 45. pp. 4141-4159.
6. Rahman M.S., Nabil I.M., Alam M.M. Global Analysis of a Renewable Micro Hydro Power Generation Plant. In: Hossain A., editor. Proceedings of the 1st International Conference on Mechanical Engineering and Applied Science (ICMEAS 2017); 22-23 Feb 2017; Dhaka, Bangladesh; 2017. Vol. 1919, N020014.
7. Manders T.N., Hoffken J.I., van der Vleuten E.B.A. Small-scale hydropower in the Netherlands: Problems and strategies of system builders. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. V. 59, pp. 1493-1503
8. Пономаренко А.С. Классификация и перспективы минигидроэлектростанций. // Научный журнал КубГАУ. 2013. №89(05). С. 790-799.
9. Гусеинова Д.И. Мировые тенденции в развитии малой гидроэнергетики. // Точная наука. 2017. №6. С. 3-8.
10. Couto T.B.A., Olden J.D. Global proliferation of small hydropower plants - science and policy. // Frontiers in Ecology and the Environment. 2018. V. 16, N2. pp. 91-100.
11. Kodirov D., Tursunov O., Talipova D., et al. System approach to renewable energy use in power supply. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. V.614, N012038
12. Коновалов Ю.В., Конев В.Ю. Гидроэлектростанции малой мощности. // Вестник АнГТУ. 2015. № 9. C. 160-163.
13. Tamiri F.M., Ismail M.A., Muzammil W.K. Low Head Micro Hydro Systems for Rural Electrification. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. V.834, N012041
14. Basso S., Lazzaro G., Bovo M., et al. Water-energy-ecosystem nexus in small run-of-river hydropower: Optimal design and policy. // Applied Energy. 2020. V. 280. N115936
15. Бурьянов Р.О. Мини-ГЭС в контейнере. // Достижения науки и образования. 2018. № 6(28). C. 16-17.
16. Краснов В.Г. Свободнопоточные гидросиловые установки. // Инновации и инвестиции. 2015. № 4. С. 128-130.
17. Гусева О.А., Ендальцев К.О. Использование гидравлической энергии водопроводных систем. Материалы I Всероссийской научно-практической конференции «Приоритетные направления развития энергетики в АПК»; 28 сентября 2017 г., Лесниково. Курган: Изд-во Курганской ГСХА, 2017. С. 114-117.
Авторы публикации
Гурьянов Денис Анатольевич - аспирант, Казанский национальный исследовательский технологический университет.
Ланкин Кирилл Александрович - аспирант, Казанский национальный исследовательский технологический университет.
Тимербаев Наиль Фарилович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой возобновляемых источников энергии, Казанский национальный исследовательский технологический университет.
References
1. Esyakov SYa, Lachuga YuF, Varfolomeev SD, et al. Potentsial ispol'zovaniya vozobnovlyaemykh istochnikov energii v sel'skom khozyaistve. Plumbing, Heating, Conditioning, Energy Efficiency. 2016; 169(1):88-92.
2. Golovin AA, Solodukhina OI, Pyanikova EA. Assessment of the potential and prospects for the use of renewable energy sources in order to diversify electricity supply. Russian Journal of Resources, Conservation and Recycling. 2020; 7(1). doi: 10.15862/06ECOR120
3. Mardikhanov AH. Ensuring the interests of UES in formation of the operating modes in hydro-energy complex. Vestnik KGEU. 2019; 11(2):3-14.
4. Kucheryavaya IN, Sorokina NL. Sovremennoe razvitie mirovoi gidroenergetiki. Gidroenergetika Ukrainy. 2014; 4:58-64.
5. Ghumman AR, Haider H, Yousuf I, et al. Sustainable Development of Small-Sized Hydropower Plants: Multilevel Decision-Making from Site Selection to Optimal Design. Arabian Journal for Science and Engineering. 2020; 45: 4141-59. doi: 10.1007/s13369-020-04407-8.
6. Rahman MS, Nabil IM, Alam MM. Global Analysis of a Renewable Micro Hydro Power Generation Plant. In: Hossain A., editor. Proceedings of the 1st International Conference on Mechanical Engineering and Applied Science (ICMEAS 2017); 22-23 Feb 2017; Dhaka, Bangladesh. 2017; 1919(020014).
7. Manders TN, Hoffken JI, van der Vleuten E.B.A. Small-scale hydropower in the Netherlands: Problems and strategies of system builders. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016; 59:1493-1503 doi: 10.1016/j.rser.2015.12.100
8. Ponomarenko A.S. Classification and perspectives of mini hydropower stations. Scientific Journal of KubSAU. 2013; 05(89):790-9.
9. Guseinova DI. Global trends in the development of small hydro power. Tochnaya nauka. 2017;
06:3-8.
10. Couto T.B.A., Olden J.D. Global proliferation of small hydropower plants - science and policy. Frontiers in Ecology and the Environment. 2018; 16(2): 91-100. doi: 10.1002/fee.1746
11. Kodirov D., Tursunov O., Talipova D., et al. System approach to renewable energy use in power supply. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020; 614(012038). doi: 10.1088/17551315/614/1/012038
12. Konovalov YV, Konev VY. Hydro power plant small power. Vestnik AnGTU. 2015; 9:160-3.
13. Tamiri FM, Ismail MA, Muzammil WK. Low Head Micro Hydro Systems for Rural Electrification. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020; 834(012041). doi:10.1088/1757-899X/834/1/012041
14. Basso S, Lazzaro G, Bovo M, et al. Water-energy-ecosystem nexus in small run-of-river hydropower: Optimal design and policy Applied Energy. 2020; 280(115936). doi: 10.1016/j.apenergy.2020.115936
15. Bur'yanov RO. Mini-GES v konteinere. Achievements of Science and Education. 2018; 28(6):16-7.
16. Krasnov VG. Svobodnopotochnye gidrosilovye ustanovki. Innovation & Investment. 2015; 4:12830.
17. Guseva OA, Endaltsev KO. Use of hydraulic energy of water supply systems. 1 Vserossiiskaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya «Prioritetnye napravleniya razvitiya energetiki v APK», 28 Sep 2017. Lesnikovo. Kurgan SAA Publ., 2017. pp. 114-7.
Authors of the publication Denis A. Guryanov - Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia. Kirill A. Lankin - Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia. Nail F. Timerbaev - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia.
Получено
Отредактировано
Принято
18 октября 2020 г. 27 ноября 2020 г. 01 декабря 2020 г.
