CC BY
0УДК 621
ЭФФЕКТИВНОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В
КАЗАХСТАНЕ
ГЕЛЬМАНОВА ЗОЯ САЛИХОВНА
Профессор кафедры ЭиБ, Карагандинский индустриальный университет, Темиртау,
Казахстан
ШИШКАНОВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
Магистрант, Карагандинский индустриальный университет, Темиртау, Казахстан
Аннотация: В условиях необходимости перехода к устойчивым источникам энергии, гидроэлектростанции (ГЭС) в Казахстане представляют значительный потенциал для развития энергетики, учитывая богатый водный ресурс и доступные ландшафтные условия в некоторых регионах страны. В данной статье проведён анализ экономической и технической целесообразности строительства ГЭС, рассмотрены её преимущества и ограничения в текущем контексте, оценена актуальность и практическая значимость для Казахстана. Включены расчёты ожидаемой мощности, влияния на экономику и экологический баланс. Особое внимание уделено сравнению эффективности ГЭС с альтернативными возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) в Казахстане, а также анализу международного опыта, применимого к казахстанским условиям.
Ключевые слова: международный опыт, гидроэлектростанции, анализ, Казахстан.
Казахстан активно стремится к декарбонизации и развитию ВИЭ в рамках государственной стратегии по устойчивому развитию и выполнению международных обязательств (например, Парижского соглашения). ГЭС представляет собой экономически обоснованное решение для развития энергетической инфраструктуры и экологически безопасного производства энергии. Это позволит снизить выбросы СО2 и удовлетворить растущие энергетические потребности регионов.
Научная значимость исследования заключается в анализе специфики применения гидроэнергетики в условиях Казахстана. Рассматривается потенциал применения гибридных технологий и интеграции ГЭС с другими ВИЭ, а также использование современных методов анализа данных для оптимального распределения водных ресурсов. Применение международного опыта позволяет выявить новые решения для минимизации экологических рисков, связанных с эксплуатацией ГЭС в Казахстане[1,2].
Международный опыт показывает разнообразные подходы к применению гидроэнергетики в странах с разными природными и экономическими условиями. Примеры успешного использования технологий и методик в области гидроэнергетики, которые могут быть адаптированы в Казахстане, включают следующие:
Норвегия — лидер в гидроэнергетике: более 95% всей электроэнергии в стране производится за счет ГЭС. Норвегия активно применяет инновационные технологии для повышения эффективности малых и крупных гидроэлектростанций, включая цифровизацию и автоматизацию процессов. Применение этих методов в Казахстане, особенно для малых ГЭС, может помочь снизить эксплуатационные затраты и повысить надежность энергоснабжения в отдаленных регионах.
Китай развивает гидроэнергетику как часть своей политики устойчивого роста. В частности, проект плотины «Три ущелья» является крупнейшей ГЭС в мире и отражает подход к масштабному строительству, строгому экологическому мониторингу и управлению водными ресурсами. Этот опыт может быть полезен Казахстану для разработки политики, нацеленной на крупные проекты, особенно с акцентом на экологическую ответственность и оптимизацию водных ресурсов.
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
В США рассматривается возможность интеграции ГЭС с солнечными и ветровыми станциями для создания гибридных систем. ГЭС используется для хранения и накопления энергии, что позволяет компенсировать нерегулярность выработки солнечной и ветровой энергетики. Казахстан, учитывая разнообразные природные ресурсы, также может использовать этот опыт для комбинирования гидроэнергетики с другими ВИЭ, что повысит устойчивость и гибкость энергосистемы.
В Канаде, где большая часть электроэнергии также производится на ГЭС, внедрены строгие природоохранные стандарты и технологии управления водными ресурсами. Это включает системы мониторинга, позволяющие минимизировать воздействие на окружающую среду, а также регулировать уровень воды в водохранилищах для предотвращения наводнений и поддержания биоразнообразия. Казахстан может использовать эти практики для минимизации экологических рисков при строительстве и эксплуатации ГЭС, особенно в регионах с ценными экосистемами.
В Швейцарии активно используют горные районы для строительства малых и средних ГЭС, минимизируя воздействие на окружающую среду за счёт расположения станций в удалённых и труднодоступных зонах. Казахстан, имея горные районы на юге и востоке страны, также может использовать этот опыт для строительства небольших ГЭС, обеспечивающих энергоснабжение горных населённых пунктов и туристических объектов.
Во Франции большое внимание уделяется модернизации и оптимизации существующих ГЭС для увеличения их энергоэффективности и продления срока службы. Применение этой стратегии в Казахстане может позволить оптимизировать и продлить срок эксплуатации уже построенных ГЭС, снизив необходимость строительства новых объектов и сохранив экологический баланс. Эти примеры показывают, как Казахстан может использовать международный опыт для повышения эффективности и устойчивости гидроэнергетики, а также интеграции ГЭС в общую систему возобновляемых источников энергии.
Интеграция гидроэлектростанций (ГЭС) в систему возобновляемых источников энергии (ВИЭ) позволяет создать более устойчивую и гибкую энергетическую сеть. Казахстан, обладая значительным потенциалом для развития гидроэнергетики, может применить опыт других стран для оптимизации своей энергосистемы и снижения зависимости от углеводородного топлива. Ключевые варианты интеграции ГЭС с другими ВИЭ: Гибридные станции: ГЭС + солнечная или ветровая энергетика. Принцип работы: ветро- и солнечные электростанции обычно работают с переменной генерацией, зависящей от погодных условий. ГЭС может выступать как стабилизирующий элемент, производя энергию, когда солнечная или ветровая генерация снижается.
Преимущества: это снижает нагрузки на электросеть и позволяет использовать разные типы ВИЭ в зависимости от природных условий. Например, в солнечные дни ГЭС может работать с минимальной нагрузкой, а в облачную погоду компенсировать недостаток энергии. Пример применения: такие системы широко используются в Китае, где солнечные и ветровые установки дополняются ГЭС, что обеспечивает устойчивое энергоснабжение на региональном уровне. Системы накопления и аккумулирования энергии с использованием ГЭС. Принцип работы: использование ГЭС как системы накопления позволяет аккумулировать излишки энергии от других ВИЭ. В периоды, когда ветро- или солнечная генерация превышает потребности сети, вода может закачиваться обратно в верхние резервуары ГЭС. Затем, при необходимости, эта вода используется для выработки энергии. Преимущества: такой подход повышает эффективность и стабильность энергосистемы, устраняя необходимость в сторонних аккумуляторах большой мощности. Пример применения: крупнейшая в Европе гидроаккумулирующая станция «Гранд-Мезон» во Франции применяет подобный метод, чтобы использовать излишки энергии от ВИЭ и снижать пиковые нагрузки на сеть. Сетевая интеграция ГЭС для балансировки частоты и напряжения. Принцип работы: ГЭС может оперативно изменять уровень выработки, реагируя на изменения нагрузки в сети. Это свойство полезно для регулирования частоты и поддержания стабильного напряжения, особенно когда
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
подключены другие переменные ВИЭ, такие как ветер или солнце. Преимущества: балансировка частоты и напряжения позволяет уменьшить износ сети и улучшить качество электроэнергии, что критически важно при высоком проценте нестабильных ВИЭ. Пример применения: В США и Канаде широко используются ГЭС для балансировки напряжения и частоты, особенно в районах с большим количеством ветровых ферм. Создание распределённых энергосетей (микросетей) с интеграцией ГЭС. Принцип работы: ГЭС могут стать частью локальных микросетей, особенно в удалённых районах. Эти микросети могут включать ветро-, солнечные и небольшие гидроэлектростанции, обеспечивая автономное энергоснабжение для сельских поселений или отдалённых предприятий. Преимущества: это снижает зависимость от централизованной энергосистемы и уменьшает потери на передаче, обеспечивая стабильное энергоснабжение регионов. Пример применения: В Швейцарии микросети, включающие малые ГЭС, позволяют горным деревням и курортам быть независимыми от центральной сети, обеспечивая надёжное энергоснабжение.
Сезонное регулирование энергопотребления с помощью ГЭС. Принцип работы: в Казахстане можно использовать ГЭС для сглаживания сезонных пиковых нагрузок, которые возникают из-за переменных природных условий. Зимой ГЭС может компенсировать нехватку солнечной энергии, тогда как летом основное внимание уделяется солнечным станциям. Преимущества: этот метод позволяет эффективно распределять ресурсы, соответствуя сезонным изменениям в потреблении и производстве энергии. Пример применения: в Норвегии, с характерными сезонными колебаниями, ГЭС используются для управления пиковой нагрузкой и сезонного накопления воды, создавая резерв для зимних месяцев. Автоматизированные системы управления энергией (EMS) для интеграции ГЭС с ВИЭ. Принцип работы: использование систем управления энергией (EMS) позволяет объединить данные со всех ВИЭ и ГЭС и оптимизировать их работу на основе прогноза погоды, потребления энергии и текущей нагрузки сети. Преимущества: умная система управления позволяет максимально эффективно распределять ресурсы и улучшить надёжность всей энергосистемы. Пример применения: в Германии EMS используются для интеграции ГЭС с солнечными и ветровыми установками, что позволяет эффективно управлять переменной генерацией и минимизировать затраты на резервное энергоснабжение. Эти подходы могут быть адаптированы для энергетической системы Казахстана, чтобы поддержать её гибкость и устойчивость при высоком уровне интеграции ВИЭ, оптимизируя использование водных и других возобновляемых ресурсов.
Современные методы строительства и эксплуатации гидроэлектростанций (ГЭС) всё больше ориентированы на минимизацию экологического воздействия и эффективное управление водными ресурсами. Основные подходы и технологии, которые позволяют достигать этих целей:
Использование малых и микро-ГЭС. Малые и микро-ГЭС (с мощностью до 10 МВт) могут быть построены на небольших реках и даже ручьях, практически не влияя на природный ландшафт и водный режим. Минимальное вмешательство в экосистему снижает воздействие на рыбу и другие виды, не требует крупных водохранилищ, а также помогает сократить потери на испарение воды. Пример: в Европе и Канаде малые и микро-ГЭС используются для обеспечения энергией небольших поселений, часто с применением автономных и распределённых систем. Рыбопропускные сооружения и рыбозащитные конструкции. Для минимизации влияния на рыбные популяции на плотинах ГЭС устанавливаются рыбопропускные сооружения (рыбные лестницы, рыбоходы) и системы для защиты рыб от попадания в турбины. Эти сооружения помогают сохранить биоразнообразие и поддерживать миграцию рыб, что критически важно для экосистемы водоёмов. Пример: рыбные лестницы широко применяются на ГЭС в США и Канаде, особенно на реках, где водится лосось и другие мигрирующие виды. Технология «переключаемых» турбин с регулированием скорости потока. Современные турбины могут быть настроены для регулирования скорости потока воды, что позволяет учитывать сезонные изменения и требования к минимальному
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
экологическому стоку. Эта технология позволяет контролировать объём воды, выпускаемой через турбины, уменьшая воздействие на русло реки и поддерживая стабильный уровень воды, что важно для экосистемы реки. Пример: переключаемые турбины внедрены на некоторых станциях в Норвегии и Швеции для минимизации негативного воздействия на экосистему реки. Строительство подпорных плотин и использование грунтовых плотин. Вместо массивных бетонных плотин используются более лёгкие конструкции, такие как грунтовые плотины и подпорные конструкции, которые уменьшают воздействие на окружающую среду. Грунтовые плотины лучше интегрируются в окружающий ландшафт и требуют меньших затрат на материал и строительство, что снижает уровень выбросов и минимизирует изменения в экосистеме реки. Пример: в Швейцарии и Австрии предпочтение отдаётся именно таким конструкциям для малых и средних ГЭС. Цифровое управление водными ресурсами (Smart Water Management). Системы умного управления (IoT и цифровые платформы) позволяют мониторить и регулировать уровень воды в реальном времени, учитывать прогнозы осадков и моделировать потребности в воде для разных пользователей. Более точное управление водными ресурсами помогает снизить потребление воды, поддерживать оптимальный уровень в водохранилищах и предотвращать избыточное использование. Пример: в Норвегии и Германии активно применяют цифровые системы управления водными ресурсами для увеличения эффективности использования воды и предотвращения переполнения водохранилищ. Гибридные системы с использованием других ВИЭ. Комбинированное использование ГЭС и других ВИЭ, таких как солнечная и ветровая энергия, позволяет снизить потребность в накоплении воды в водохранилищах, поддерживая стабильную генерацию даже при переменной мощности ветра и солнца. Уменьшает необходимость регулирования уровня воды в водохранилище и снижает нагрузку на экосистему в периоды засухи или паводков. Пример: в Китае и Индии активно разрабатываются гибридные ВИЭ-системы, которые снижают нагрузку на водные ресурсы и оптимизируют работу гидроэлектростанций. Экологический сток . Для минимизации воздействия на водоёмы внедряются обязательные минимальные объёмы стока воды через турбины, обеспечивая необходимый объём для поддержания жизни в реке. Это поддерживает природные экосистемы, особенно в засушливых регионах, где вода имеет критическое значение для местной флоры и фауны. Пример: во Франции и Испании установлены правила обязательного экологического стока, которые помогают поддерживать речную экосистему. Системы предотвращения и контроля за эрозией. Современные методы строительства включают стабилизацию берегов и дноуглубительные работы, предотвращающие эрозию и смещение русла реки, а также защиту от накопления осадков. Эрозия русла реки может разрушить местообитания и повлиять на биоразнообразие. Контроль за эрозией и осадками помогает сохранить естественный водный баланс и поддерживать чистоту воды. Пример: подобные технологии применяются на ГЭС в США, где используется стабилизация берегов для защиты водных экосистем. Применение экологически безопасных материалов при строительстве. Использование экологичных и низкоуглеродных материалов для строительства плотин и других сооружений снижает воздействие на окружающую среду. Снижение выбросов CO2 и минимизация загрязняющих веществ во время строительства ГЭС помогают улучшить экологическую ситуацию. Пример: на некоторых европейских проектах применяются такие материалы, как геосинтетика и возобновляемые ресурсы, которые позволяют снизить углеродный след строительства. Биотехническая рекультивация территорий вокруг ГЭС. После завершения строительства территории, пострадавшие от работ, восстанавливаются с помощью биотехнической рекультивации, включающей посадку местных растений и восстановление почвы. Это позволяет восстановить нарушенные экосистемы и поддерживать биоразнообразие, восстанавливая природные ландшафты. Пример: биотехническая рекультивация активно применяется на европейских ГЭС, где местные экосистемы имеют высокий уровень защиты. Эти методы и подходы позволяют снизить воздействие ГЭС на природу и сделать эксплуатацию гидроэлектростанций более
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
устойчивой и экологически безопасной, что особенно важно для сохранения уникальных водных и наземных экосистем.
Экономическая целесообразность строительства и эксплуатации гидроэлектростанций (ГЭС) в условиях перехода на возобновляемые источники энергии (ВИЭ) подтверждается высокой рентабельностью, которая обусловлена значительным снижением затрат на уголь и другие ископаемые ресурсы. Основные факторы, подтверждающие экономическую выгоду[3]:
Снижение затрат на топливо. ГЭС не требует закупки топлива, поскольку использует возобновляемую энергию воды. В отличие от тепловых электростанций (ТЭС), работающих на угле, нефти или природном газе, эксплуатационные затраты ГЭС значительно ниже, так как топливо является самой затратной частью для ТЭС. Экономический эффект: уменьшение потребности в угле и нефти не только сокращает затраты на их покупку, но и снижает расходы на транспортировку и хранение, что делает ГЭС выгодным вложением на долгосрочную перспективу.
Минимальные операционные расходы и длительный срок службы. ГЭС требуют относительно небольших расходов на эксплуатацию и техническое обслуживание, так как основные механизмы (турбины, генераторы) работают с низким уровнем износа по сравнению с оборудованием ТЭС. Экономический эффект: Срок службы ГЭС часто достигает 50-100 лет, что делает её долгосрочной инвестицией с низкими операционными расходами и стабильной доходностью. Снижение зависимости от колебаний цен на ископаемое топливо. Цены на уголь, нефть и природный газ могут существенно колебаться в зависимости от геополитической ситуации и рыночного спроса. В условиях высоких цен на уголь и газ, ГЭС становятся конкурентоспособным источником энергии. Экономический эффект: Стабильная цена генерации электроэнергии на ГЭС снижает финансовые риски и поддерживает предсказуемость затрат, что делает их предпочтительными для обеспечения энергобезопасности.
Низкие затраты на выбросы CO2. В странах, где введены системы налогообложения или квотирования на выбросы углекислого газа, ГЭС имеют преимущество, так как их работа практически не связана с выбросами парниковых газов. Экономический эффект: Низкие или отсутствующие затраты на углеродный налог позволяют ГЭС снижать затраты по сравнению с угольными и газовыми станциями, которые вынуждены покрывать расходы на эмиссию углекислого газа. Поддержка и субсидии для ВИЭ. В рамках государственной и международной политики по поддержке экологически чистой энергетики, проекты по строительству ГЭС могут получить субсидии и льготные кредиты, что существенно снижает первоначальные инвестиции. Экономический эффект: Субсидии и налоговые льготы снижают стартовые затраты на строительство ГЭС и повышают их экономическую рентабельность по сравнению с угольными станциями.
Влияние на стоимость электроэнергии. В условиях роста мирового спроса на экологически чистую энергию, ГЭС могут поставлять электроэнергию по более конкурентоспособной цене на рынок, чем угольные станции, что делает их экономически привлекательными для потребителей. Экономический эффект: Более низкая себестоимость производства позволяет устанавливать конкурентные тарифы, привлекать крупные промышленные предприятия и, соответственно, стабильно получать доход.
Экономическая целесообразность: Снижение энергозависимости: ГЭС может существенно снизить энергетическую зависимость страны от ископаемых ресурсов и повысить долю возобновляемой энергетики. Окупаемость и долгосрочная прибыльность: ГЭС, несмотря на высокие начальные капитальные вложения, обладают долгим сроком службы и минимальными эксплуатационными затратами. Экономическая целесообразность может быть подтверждена высокой рентабельностью через снижение затрат на уголь и другие ископаемые источники. Создание рабочих мест и локальная поддержка: Строительство и эксплуатация гидроэнергетических объектов способствуют созданию рабочих мест и развитию региональной инфраструктуры[4].
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
Техническая целесообразность: Наличие водных ресурсов: Казахстан имеет доступ к рекам, подходящим для размещения малых и средних ГЭС, особенно в горных и предгорных районах. Стабильность энергопоставок: ГЭС обеспечивают постоянную генерацию энергии, в отличие от солнечной или ветровой энергетики, которые зависят от климатических условий. Инновационные технологии: Современные методы строительства и эксплуатации ГЭС позволяют минимизировать экологическое воздействие.
Гидроэлектростанции обладают высокой рентабельностью благодаря низким эксплуатационным расходам, отсутствию необходимости в топливе, а также поддержке со стороны государства и международных организаций. Все эти факторы способствуют экономической эффективности ГЭС, делая их выгодным и экологически устойчивым источником энергии в сравнении с угольными и другими ископаемыми станциями.
1. Арыстангалиев Т. и др. "Энергетический потенциал возобновляемых источников энергии в Казахстане"//Вестник Казахстанской науки, 2023.
2. Досмуратов С. "Гидроэнергетика в Центральной Азии: опыт и перспективы для Казахстана". //Энергетическая стратегия и устойчивое развитие, 2021.
3. Абдрахманов Ж. "Оценка эффективности использования гидроэнергетических ресурсов Казахстана".// Научные труды по энергетике, 2022.
4. Ахметов Н. "Влияние возобновляемой энергетики на экономику Казахстана". //Вестник энергетики Казахстана, 2023.
ЛИТЕРАТУРА
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
