CC BY
30МАЛЫЕ И МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
SMALL AND MICRO HYDRO-POWER PLANTS
Статья поступила в редакцию 26.04.13. Ред. рег. № 1632 The article has entered in publishing office 26.04.13. Ed. reg. No. 1632
УДК 621.383; 621.472
ЭКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ГИДРОЭНЕРГИИ В СТРАНАХ СОДРУЖЕСТВА НЕЗАВИСИМЫХ ГОСУДАРСТВ
А.М. Пенджиев
Туркменский государственный архитектурно-строительный институт Туркменистан, 744032, Ашхабат-32, м. Бекрова, Солнечный 4/1 Тел.: +(99312)37-09-50, e-mail: ampenjiev@rambler.ru
Заключение совета рецензентов: 27.04.13 Заключение совета экспертов: 29.04.13 Принято к публикации: 30.04.13
В статье рассмотрены гидравлические ресурсы СНГ, которые представляют собой экоэнергетический потенциал возобновляемых источников энергии (валовый, технический, экономический, экологический потенциал). Приводятся возможности реализации малой гидроэнергетики, методика расчетов гидроэнергетического потенциала естественных водотоков, основные понятия и методика расчета технико-экологического потенциала малой гидроэнергетики для естественных водотоков в странах Содружества Независимых Государств. На наглядных примерах анализируются расчеты технико-экологических ресурсов малой гидроэнергетики и ожидаемый потенциал по возможности сокращения выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду при сжигании органического топлива.
Ключевые слова: экоэнергетика, экология, валовый, технический, экономический, экологический, потенциал, малая гидроэнергетика, Содружество Независимых Государств.
EСOENERGETIC RESOURCES OF HYDRAULIC POWER IN COUNTRIES OF COMMONWEALTH OF INDEPENDENT STATES
A.M. Penjiyev
Turkmen state architecturally-building institute Solnechny 4/1, m. Bekrova, Ashabad-32, 744032, Turkmenistan Tel.: + (99312 37-09-50, e-mail: ampenjiev@rambler.ru
Referred: 27.04.13 Expertise: 29.04.13 Accepted: 30.04.13
In the paper hydraulic resources of CIS, which represent as ecoenergetic potential of renewed energy sources (gross, technical, economic, ecological potential) are considered. The technique calculations of hydro-energy potential of natural water currents, the basic concepts and design procedure of technique-ecological potential of small water-power engineering for natural water currents in the Countries of Commonwealth of Independent States is resulted possibilities of realization of small water-power engineering. Calculations of technique-ecological resources of small water-power engineering and expected potential of possibility of reduction of emissions of polluting substances in environment at burning of organic fuel is analyzed.
Keywords: ecoenergetics, ecology, gross, technical, economic, ecological, potential, small water-power engineering, Commonwealths of Independent States.
Введение
Будучи активным участником международного диалога на таком исключительно актуальном направлении, как экологическая проблематика, Туркменистан выступает за углубление и расширение позитивного сотрудничества в формате ООН, развитие эффективного партнерства с другими крупными организациями и структурами. Свидетельством тому являются выдержки из выступлений Президента Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедова на 65-й и 66-й сессиях Генеральной Ассамблеи Организации Объединенных Наций, Конференции ООН по устойчивому развитию «Рио+20», состоявшейся в
июне 2012 года в Рио-де-Жанейро, а также на заседании Совета глав государств Содружества Независимых Государств (СНГ), проведенном в Ашхабаде в декабре 2012 года.
Как известно, на этих форумах туркменским лидером был озвучен ряд важных международных инициатив и конструктивных предложений, нацеленных на создание благоприятных условий для всеобщего устойчивого развития: разработки Специальной программы ООН по спасению Арала; создание Межрегионального центра ООН по решению проблем, связанных с изменением климата; придание Каспийскому экологическому форуму статуса постоянно действующего международного органа, призванного стать
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
платформой для рассмотрения вопросов охраны окружающей среды в Каспийском бассейне, и выработка соответствующих предложений и рекомендаций по водно-энергетической
проблематике.
Вопросам экологии в Туркменистане уделяется постоянное, пристальное внимание. Это касается и охраны окружающей среды, и защиты биологического разнообразия, и бережного использования природных ресурсов, внедрения инновационных «зеленых» технологий и обеспечения экологического благополучия в целом. Все масштабные национальные преобразовательные программы в экономическом секторе и социальной сфере, реализуемые под руководством Президента Гурбангулы Бердымухамедова, самым тесным образом связаны с экологической составляющей, как важнейшим условием благополучной во всех отношениях жизни людей как в стране, так и в мире [1].
Учитывая вышеизложенное, в статье автор рассматривает экоэнергетические ресурсы и возможности развития гидроэнергетики с использованием теоретических, практических расчетов для освоения современных инновационных технологий - в помощь хозяйственникам. Главным приоритетом являются возможности партнерства в составлении различных мероприятий по охране окружающей среды и решение важнейших экологических проблем в области экоэнергетики совместно со странами СНГ и другими странами мира.
I. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОТЕНЦИАЛА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Возможности реализации малой
гидроэнергетики в Странах независимых государств. Использование малых
гидроэлектростанций обусловлено многолетним отечественным и зарубежным опытом. Однако для дальнейшего обоснования перспектив развития малой гидроэнергетики в СНГ требуется разработка новых методик по оценке основных категорий ее энергетического потенциала, базирующихся на использовании любых, в том числе и нетрадиционных, источников энергетического потенциала малой гидроэнергетики. К последним могут относиться:
- естественные открытые водотоки и водохранилища;
- искусственные водохозяйственные системы различного назначения, включающие водохранилища, ирригационные каналы;
- промышленные объекты, использующие в своем технологическом цикле относительно большие объемы воды (крупные ТЭЦ и ГРЭС, работающие на прямоточной системе водоснабжения;
- системы коммунально-бытового водоснабжения и т.д.).
При этом предполагается, что энергетический потенциал малой гидроэнергетики (МГЭ) может быть использован как с помощью традиционных плотинных, деривационных и смешанных схем создания напора малых ГЭС (МГЭС), так и нетрадиционных технических решений. Например, с помощью бесплотинных или свободнопоточных (поверхностных и погружных) МГЭС, использующих в основном кинетическую энергию водного потока. Одной из основных методических сложностей при решении задачи расчета основных категорий энергетического потенциала МГЭ была и остается проблема выделения доли МГЭ из всего гидроэнергетического потенциала рассматриваемого региона, где возможна реализация проектов как традиционных, так и МГЭС [19-22]. Эта задача является характерной только для МГЭ, и она отсутствует в расчетах энергетического потенциала других видов ВИЭ.
В настоящее время в мире и в странах СНГ основным классифицирующим признаком МГЭ является то, что данный источник гидроэнергетического потенциала используется так называемыми «малыми ГЭС», к которым в России принято относить ГЭС с общей установленной мощностью до 30 МВт, установленной мощностью агрегата - до 10 МВт и диаметром рабочего колеса традиционных видов гидротурбин - до 3 м [19, 20]. Подобные классификационные признаки, базирующиеся на некоторых технических параметрах ГЭС, являются технико-экономической категорией для каждой страны мира, и определяется уровнем ее развития, характером рынка для МГЭ и многими другими факторами [19-22]. В связи с этим в силу большого многообразия экономически самостоятельных регионов в России, функционирующих в условиях рыночных отношений, возможны и другие количественные значения указанных выше классификационных признаков МГЭ.
Подобная классификация МГЭ чрезвычайно осложняет решение задачи расчета валового энергетического потенциала МГЭ, так как на этом этапе водноэнергетических расчетов невозможно определить указанные выше технические параметры ГЭС. В связи со сказанным, на разных этапах развития гидроэнергетики в СССР предпринимались разные попытки решения указанной проблемы.
В наиболее полной и фундаментальной научной работе по оценке гидроэнергетических ресурсов нашей страны, выполненной в 1967 г. (ориентированной на плановую экономику и стратегию централизованного электроснабжения), к категории МГЭС относились все ГЭС, создаваемые на равнинных реках с валовым потенциалом до 2 МВт и горных - до 1,7 МВт [20]. Эти классификационные признаки были весьма
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
удобными, так как они не являются техническими параметрами будущих ГЭС.
В 1985 г. институтом «Гидропроект» был разработан «Технико-экономический доклад об основных направлениях развития малой гидроэнергетики СССР», который уже базировался на современных классификационных признаках МГЭ и классификации всех рек СССР по валовой мощности, принятой в указанных выше работах 1967 г. [19, 20]. Для этого все реки были разделены по величине валовой мощности на 4 группы: 1 -мощность до 2 МВт (малые реки); 2 - мощность от 2 до 100 МВт (средние реки), 3 - мощность от 100 до 200 МВт (крупные реки); 4 - более 200 МВт.
Все реки 1 и 2 групп априори были отнесены к категории МГЭ. Долю же МГЭ в энергетическом потенциале рек 3 и 4 групп можно определить наиболее точно только после расчетов технического потенциала, т. е. расчетов схем их использования каскадами ГЭС разного вида и типа [2, 20]. В связи с этим «в долю» МГЭ были включены участки рек, для которых уже были выполнены проекты ГЭС мощностью до 30 МВт [19, 20]. Все расчеты в указанной работе института «Гидропроект» выполнялись укрупненно для трех больших частей территории СССР: европейской части, Сибири и Дальнего Востока, Средней Азии и Казахстана. В перечисленных крупных частях территории СССР в указанном докладе далее выделялись экономические районы [19]. Расчеты по отдельным регионам, характерным для современной России, не проводились. Расчеты выполнялись, как правило, по обобщенным для данного района показателям, что было вполне приемлемо для условий планового хозяйства и централизованной системы энергоснабжения.
В данной работе ставится принципиально новая задача: расчет основных категорий энергетического потенциала МГЭ для отдельного экономического региона Туркменистана, функционирующего в условиях развивающихся рыночных отношений и роста значимости социально-экологических факторов [21]. В этих условиях возникает необходимость учета возможностей существования децентрализованного энергоснабжения, разных форм собственности и источников финансирования. Одним из наиболее важных факторов, определяющих эффективность МГЭ в регионе, становится наличие информации о существующем рынке для МГЭ (маркетинговые исследования). Известно, что МГЭС имеют весьма ограниченный радиус экономически эффективной передачи электроэнергии к потребителю. В связи с этим вполне реально появление случаев, когда для рассматриваемого источника гидроэнергетического потенциала нет потребителя электроэнергии МГЭС в пределах указанного экономического радиуса. Для условий планового хозяйствования указанные МГЭС исключались из категории экономического
гидроэнергетического потенциала. В рыночных условиях при наличии частной собственности вполне эффективным может быть использование электроэнергии подобных МГЭС для получения какого-либо субпродукта [20-22]. Эти обстоятельства еще более усложняют расчеты экономического потенциала МГЭ в регионе.
В связи со всем вышесказанным, в данной главе приводятся методические разработки для оценки основных категорий энергетического потенциала МГЭ, отдельных характерных его источников. Даются рекомендации по оценке эколого-экономического потенциала рассматриваемого источника на начальном этапе его расчета в данном регионе.
Ресурсы всего региона в целом определяются путем суммирования основных энергетических показателей по всем рассмотренным источникам энергетического потенциала МГЭ данного региона.
Методика расчета валового гидроэнергетического
потенциала естественных водотоков в СНГ
Расчет валового гидроэнергетического потенциала естественного открытого водотока. Рассмотрим основные соотношения, определяющие энергетическую емкость заданного участка водотока Гь2 (рис. 1), ограниченного близкими друг к другу створами 1-1 и 2-2, через которые проходит некоторый объем воды м3, за интервал времени Т, с, [3, 4]. Согласно уравнению Бернулли, полная энергия Э, кгс м, потока жидкости объемом W, м3, в створах 1-1 и 2-2 будет равна:
+ Wpg,
Рё 2g
Э2=(>2+^ + ^-) Wpg,
Рё 2g
(1) (2)
где 7, м - удельная потенциальная энергия положения, измеряемая высотой расположения центра тяжести живого сечения водотока над некоторой заданной или принятой плоскостью сравнения; Р/р g м - удельная потенциальная энергия давления в точке центра тяжести живого сечения водотока при избыточном давлении в этой точке; р, кг/м3 - плотность жидкости; g, м/с2 -ускорение свободного падения. Для водотоков с открытой водной поверхностью величина P/рg, м измеряется глубиной погружения данной точки под свободную поверхность воды; a■2У2/2g - удельная кинетическая энергия жидкости; а - коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей жидкости по высоте живого сечения; V - средняя скорость потока в данном живом сечении; V - фактическая скорость потока жидкости в данной точке живого сечения (рис. 1).
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Следует принимать во внимание вариации параметров р и g в формулах (1) и (2). В частности, в таблице 1 даны значения р для разных температурных условий [2]. Плотность соленой воды обычно составляет 1030 кг/м3. Ускорение свободного падения g, м/с2 в горных регионах страны примерно составляет 9,825, для средней полосы Туркменистана - 9,81 и на Юге-Востоке страны - 9,782.
экстенсивности и интенсивности. В нашем случае Н-напор является фактором интенсивности или показателем энергоемкости жидкости. Значение же Ж - фактор экстенсивности или количественный показатель потребления энергоресурса.
Разделив Э^2 на Т в секундах, получим среднюю мощность на участке водотока N1_2 в килограмм-сила-метр в секунду или в Вт:
Таблица 1
Изменение плотности воды в зависимости от температуры
Table 1
Change of water density depending on temperature
Температура воды t, °С 0 4 10 20 30
Плотность воды р, кг/м3 999,87 1000,00 999,75 998,26 995,76
tfi-2 =hf=PgjH1_2 = pg<2i_2 H1_2, (5)
или, учитывая, что1 кГс * м/с = 9,80665 Вт, а р = 1000 кг/м3, получаем с округлением N¡.2, кВт, при задании Ql-2 , м3/с, и Н1_2, м:
М±_2 =9,81 *
или N1.2,, МВт:
<31-2 Н1-2
И-2 ^1-2,
(6)
Nl-7 =■
(7)
V-уроеснь. рскн от плоскости отсчета
Рис. 1. Расчетная схема водотока Fig. 1. Calculated scheme of waterway
Потенциальная валовая энергия водотока, теряемая на участке L1-2, будет равна разности Э1 и Э2, т. е.
Э1_2 = Э1- Э2 = pgW [(z1+^)-(z2+^) +
+
(3)
Учитывая близость створов 1-1 и 2-2 (из чего следует, что У\=У2 и Р1=Р2) и обозначения рис. 1, можно записать, что
Эь2= pgW(rx -Г2) = pgWH±
(4)
Для определения Эг_2 кВтч, следует умножить N±_2 на Т1, ч, т.е.
3l_2= Ni_2*Ti = %81Q^H^T = ^, (8)
где W - в м , Hi _ т - в м, aT-i =-, ч.
1 / 1 3600
Если расчет гидроэнергетических ресурсов производится как принято в [20] для среднемноголетних условий, то величина валовой потенциальной энергии водотока на участке 1-2 при его средней мощности Л^Л будет равна
Эв1л2 = 8760 * Л^.
(9)
Так как величина расхода воды по длине участка обычно непостоянна, то для расчета ЭВ1л2 и Л^Л используют метод линейного учета, т. е. предполагают линейный характер изменения расхода вдоль участка [70]. Это означает, что в (6) и (7) вместо Q1-2 следует подставлять 1-2 или расчетный расход Qp , равный
Q 1-2=0, =
Qi+Qi
(10)
где Н1_2 = - удельная потенциальная
энергия потока жидкости, называемая напором и численно равная падению уровня свободной поверхности водотока на участке Ь1-2.
Полученное выражение полностью соответствует известным физическим положениям: энергия в любой форме равна произведению факторов
Принятое предположение однозначно определяет число участков любого водотока. Как правило, границы участков соответствуют характерным точкам изломов профиля водотока, а также местам впадения притоков.
Таким образом, для расчета валовых гидроэнергетических ресурсов следует иметь значения Н±_2 и <21-2 для каждого участка водотока.
Для Н1
практически
это
необходимость знания продольного
означает профиля
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
водотока с указанием месторасположения расчетных створов и изменения уровней поверхности воды по длине водотока, т. е. V = V (¿), где Ь, км, -расстояние от некоторого начального створа, принятого за нуль отсчета (для среднемноголетних условий).
Расчет продольного профиля водотока и длины реки, как правило, проводится с помощью топографических карт масштаба не менее 1 : 100 000 [20]. Возможно использование при этом и голографических изображений земной поверхности, реализуемых с помощью космических средств или аэрофотосъемки.
Расчет расхода воды в каждом /-м створе может производиться на основе измеренных и обработанных данных прошлых наблюдений, если в этом створе есть водомерный пост. В противном случае могут использоваться карты масштаба 1 : 100 000 с изолиниями модулей среднегодового стока т,л/(с* км2) в данном бассейне. С помощью таких же карт определяется и величина водосборной поверхности бассейна для каждого ./'-ого створа, т. е.
Ъ ] ), км2, и соответствующий ему модуль стока щКЦ) (рис. 2). В этом случае величина Qj, м3/с, определяется по формуле.
Q¡ =mjFj •ÍO"
(11)
При отсутствии перечисленных гидрологических данных для их расчета могут быть применены любые другие методы современной инженерной гидрологии [3-5, 19-22].
принята в качестве удельной для всего региона. При этом расчеты валового потенциала «средней реки» могут проводиться методом, описанным выше.
В последнее время в литературе появились и другие методы расчета кадастров водотоков при отсутствии информации. Например, исследования в области малой гидроэнергетики в Московском энергетическом институте (техническом
университете) показали эффективность
использования метода относительных координат для оценки валового потенциала малой гидроэнергетики отдельных регионов разных стран мира [22].
В основе этого метода (рис. 4) лежат предварительный анализ и классификация всех рек данного региона по трем основным типам изменения расхода и профиля по длине реки (1,11,111). Для каждого из указанных трех типов рек находятся в аналитическом виде с использованием современных методов номографии зависимости V*(L*) и Q*(L*) в относительных единицах. За 1,0 принимается общее падение водотока Hmax, общая длина водотока Lmax, его расход в устье Qmax. Полученные зависимости V*(L*) и Q*(L*) далее используются для расчета кадастров водотоков всех остальных аналогичных рек региона, для которых отсутствует указанная информация. Длина любого водотока, как и ранее, определяется по картам масштаба 1 : 100000. Пересчет физических параметров «типовой или средней» реки - изменения уровней поверхности воды V(L) и расчетного расхода Q(L) по длине водотока в относительные V*(L*) иQ*(L*) производится по формулам:
L* =-
h
V*(L*) = Q*(L*) =
VOO
Hmax
QUO
Qmax
На основании перечисленных рассчитывается водноэнергетический
(12)
(13)
(14)
данных кадастр
Рис. 2. Схема речного бассейна Fig. 2. Scheme of river basin
Например, в [3] предложен метод так называемой «средней реки», т.е. наиболее представительной реки для конкретного региона по всем основным показателям, представленным, в частности, на рис. 3 (характер водосборной поверхности, профиль реки, изменение расхода или стока по длине реки). Для «средней реки» определяется ее валовая потенциальная мощность, которая далее будет
водотока, включающий в себя продольный профиль водотока, т.е. 4 = , зависимость изменения
расхода воды по длине водотока, т.е. = Q(J-i), зависимость изменения потенциальной мощности водотока по его длине, т.е. N = зависимость
изменения удельной потенциальной мощности.
Результаты расчета представляются в графическом виде, рис. 3. На рис. 4 показаны наиболее распространенные варианты изменения показателей водотока по его длине. Общий вид водноэнергетического кадастра водотока может быть весьма сложным. Особо следует отметить возможность уменьшения расхода по длине водотока из-за наличия отборов воды Qотб на нужды промышленности и сельского хозяйства.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
000 'Л о о о с о
(А & -Л •* н f. Г^ О
.С о Г^-Vf- — X 'Л О4
гЛ гЛ г, Mrl М — — —
. 16.1, iSl , |-4 ,9 M4I 35 I 32 I 5В
1 6 6 ¿об о с А Длина участка, км ® SO % 11 i ¡3-) Ш 147 ¡61 196 228 286
Расстояние от начального створа L, км
- Продольный профиль водотока —I— График нарастания мощности
—n—и— График нарастания расхода —--- График изменения удельных мощностей
Рис. 3. Водноэнергетический кадастр водотока Fig. 3. Water-energetic cadaster of waterway
Методика расчета технико-экологического потенциала малой гидроэнергетики для естественных водотоков
Основные понятия для расчета технико-экологического потенциала малой гидроэнергетики в современных условиях. В традиционной гидроэнергетике в качестве технического гидроэнергетического потенциала принимается часть валового теоретического потенциала, которая может быть использована с учетом современных технических средств и технологий [20]. При расчете этой категории гидроэнергетического потенциала учитываются неизбежные потери расхода, напора и мощности на самих ГЭС, а также потери расхода и напора от наличия неиспользованных участков водотока, потери напора из-за наличия кривой подпора в водохранилищах, разного рода потери расхода из водохранилища, потери стока за счет холостых сбросов на ГЭС и т.д. [16-20].
Наиболее корректно эта категория гидроэнергетического потенциала определяется в результате составления схем каскадного использования водотоков. При этом принимаются в расчет наиболее выгодные с точки зрения комплексного использования ресурсов створы вдоль
водотока. Как правило, большинство традиционных ГЭС предназначены для работы в энергосистемах и мало связаны своими параметрами с местными потребностями, что весьма характерно для МГЭС. Традиционные ГЭС обычно не предназначены для использования малых напоров (менее 2-5 м), требуют для своей работы наличия значительных подпорных сооружений, что не всегда обязательно для МГЭС. Традиционные ГЭС предназначены для получения одного вида промышленной продукции -электроэнергии. МГЭС могут использоваться как в энергетических целях, так и для получения какого-либо субпродукта (водород, метан и т.д.) при полной автоматизации их технологического процесса.
Если традиционные ГЭС, как правило, организуют различные виды регулирования стока, то для МГЭС весьма распространена работа по водотоку. В современных условиях этот режим во многом обосновывается требованиями социально-экологического характера.
Подпорные сооружения МГЭС, как правило, невелики и по своей высоте, мало выходят за пределы русла водотока [22]. Сами сооружения МГЭС обычно производятся на промышленных предприятиях и монтируются в готовом виде в рассматриваемом створе МГЭС [2-5, 13-20].
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
111/
L, км О
2 1 4 5 I.KK Номер створов
Рис. 4. Основные показатели водотока Fig. 4. Basic indicators of waterway
Таблица 2. Исходные данные для расчета кадастра водотока Table 2. Initial data for calculating cadaster of waterway
Номер створа V, м, -отметка уровня воды в створе L, км, -расстояние от начального створа F, км2, -площадь водосборной поверхности бассейна т, л/(с-м2), - модуль стока
1 3780 80 2400 19,0
2 3660 96 3010 22,0
3 3050 111 3300 21,8
4 2745 134 4010 25,5
5 2440 138 4040 25,6
6 2135 147 4960 28,6
7 1830 161 5140 28,0
8 1500 196 7050 34,4
9 1220 228 13350 40,0
10 930 286 14200 41,0
При расчетах данной категории энергетического потенциала МГЭ следует также учитывать и такую ее особенность, как возможность реализации передвижных или переносных МГЭС. Например, использование сифонных агрегатов для получения электроэнергии (в створах с малыми напорами (до 25 м), сезонное использование передвижных обратимых гидроагрегатов на водотоке (турбинный режим во время паводка или половодья и насосный режим в меженный период), использование водоподъемных установок (турбина, использующая кинетическую энергию потока, соединенная валом с насосом) и т.д.
Весьма существенным обстоятельством является и то, что по социально-экологическим требованиям МГЭС должны оказывать минимальное воздействие на естественный режим водотоков, т. е. работать в основном по водотоку. Это обстоятельство, естественно, снижает регулировочные
характеристики МГЭС и требует принятия соответствующих адекватных технических решений для обеспечения надежного энергоснабжения потребителей. Это относится, например, к реализации МГЭС в комплексе с малыми накопителями энергии.
Следует отметить и то обстоятельство, что для условий России сооружение стационарных МГЭС заранее предполагает в ряде случаев их сезонный характер работы (пересыхание или обмеление рек, их перемерзание зимой). В этом случае подобные МГЭС, в отличие от традиционных, характеризующихся обычно наличием больших, не промерзающих до дна водохранилищ, могут являться источником надежного энергоснабжения потребителей только в сочетании с другими возобновляемыми источниками энергии или в сочетании с накопителями энергии (НЭ), или в сочетании с традиционными электростанциями.
Наконец, следует учитывать и наличие сегодня новых факторов, положительно влияющих на использование возобновляемых видов энергии и МГЭ, в частности. Например, резкое повышение цен на ископаемое органическое топливо заставляет сегодня целый ряд регионов России интенсифицировать свои усилия к использованию местных возобновляемых источников энергии (ВИЭ). При этом появляется возможность для каждого отдельного региона проводить детальные расчеты по оценке ресурсов ВИЭ. Если это относить к МГЭ, то при наличии поддержки местной администрации это означает возможность оценки технико-экологического потенциала путем составления схем каскадного использования водотоков с целью максимального использования их валового гидроэнергетического потенциала.
Все сказанное выше позволяет с несколько новых позиций подойти к задаче расчета технического потенциала малой гидроэнергетики естественных водотоков. При этом необходимо строго учитывать
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
требования социально-экологического характера, современные возможности использования энергии водотоков для малых и очень малых напоров (до 0,5 м), устойчивую тенденцию к росту цен на ископаемое органическое топливо и, как следствие, актуальность повышения эффективности
использования потенциала всех видов ВИЭ и МГЭС, в частности возможность реализации МГЭС на любых водотоках (в том числе и на бесплотинных
установках), а также возможность сооружения МГЭС как с целью получения электроэнергии, так и для получения субпродуктов или других целей в экономике регионов. Если традиционные ГЭС, как правило, ведут различные виды регулирования стока, то для МГЭС весьма распространена работа по водотоку. В современных условиях этот режим во многом обосновывается требованиями социально-экологического характера.
Таблица 3. Расчет кадастра водотока Table 3. Calculation of waterway cadaster
№ створа Tj Fj Qj h,j "I Hi,i-1 Qjj-1 Njj-i h,)-i Nj
м км л/(с*км2) км2 м3/с км м м3 /с МВт МВт/км МВт
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 3780 80 19,0 2400 45,60 16 120 55,91 65,82 4,11
65,82
2 3660 96 22,0 3010 66,22
15 610 69,08 413,38 27,56
3 3050 111 21,8 3300 71,94 479,20
23 305 87,10 260,60 11,33
4 2745 134 25,5 4010 102,26 739,80
4 305 102,84 307,70 76,93
5 2440 138 25,6 4040 103,42 1047,50
9 305 122,64 366,95 40,77
6 2135 147 28,6 4960 141,86
14 305 142,89 427,53 30,54 1414,44
7 1830 161 28,0 5140 143,92 1841,97
35 330 193,22 625,51 17,87
8 1500 196 34,4 7050 242,52
32 280 388,26 1066,47 33,33 2467,48
9 1220 228 40,0 13350 534,00 3533,96
58 290 558,10 1587,74 27,37
30 930 286 41,0 14200 582,20 5121,70
II. ЭКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ СНГ
Технико-экологические ресурсы малой гидроэнергетики
Расчет технико-экологического потенциала МГЭ Мурманской области произведен на основе приведенной методики в первой части данной главы. В расчетах учитывалась дополнительная информация гидрогеологического и экологического (социального) характера, а также наличие потребителей в непосредственной близости от возможных к строительству МГЭС или возможности подсоединения новых МГЭС к энергосистеме района [2]. С учетом изложенного ранее, для дальнейшего
рассмотрения отобраны 11 рек из числа тех, для которых был рассчитан валовой потенциал МГЭ: Восточная Лица, Лотта, Нота, Оленка, Пиренга, Рында, Тумча, Умба, Харловка, Чаваньга, Чапома.
На основании экспертных оценок [2-5], для каждой из указанных 11 рек были определены координаты так называемой «красной линии» или допустимой границы площадей затопления водохранилищами ГЭС в каждом речном бассейне, рис. 5 и 6. Для каждой из 11 рек был рассчитан технико-экологический потенциал МГЭ с учетом принятых координат «красной линии» и энергетических характеристик возможного к установке на МГЭС основного оборудования. Далее была определена величина технико-экологического потенциала МГЭ региона.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Рис. 5. Графики нормального подпорного уровня НПУ=^) р. Оленка Fig. 5. Schedules of normal retaining level NPU=f(L). The Olenka river
4нпу
2S0
200
150
ш 1 1 ^Ll г ! 1 с—V f 1 n —-4-А : ! i t i % * 1 > i L
i i 1 i 1 при£ат= 25 км2 2 при Ft„= 30 ш2 3 при i'3aT= 35 км i i 1 i i * i
120 исток
100
80
60 L, км
40
20 0 устье
Рис. 6. Графики нормального подпорного уровня НПУ=^) р. Восточная Лица Fig. 6. Schedules of normal retaining level NPU=f(L). The East Litsa river
Для всех прочих рек, включенных в состав категории МГЭ региона, величина технического потенциала определена на основе рекомендаций [26, 8-16] для Мурманской области. В соответствии с этими рекомендациями, технический потенциал МГЭ ротона можно получить умножением ВГЭП на коэффициент 0,6 [2-6].
Из расчетных данных следует, что технико-экологический потенциал МГЭ региона равен 2,85 ТВтч или 334 МВт. В число рассмотренных рек включены дополнительно 23 малые реки с потенциалом МГЭ 0,53 ТВтч и 62 МВт. В состав рассматриваемых водотоков не включены бесперспективные, очень малые реки и ручьи. Число их достигает нескольких сотен. Однако использовать их можно в энергетических целях только тогда, когда здесь появятся потребители электроэнергии, которых сегодня нет. Расчет
ресурсов этих водотоков крайне затруднен из-за отсутствия необходимых исходных данных и здесь не приводится.
В качестве примера каскадного использования водотока в таблицах 4 и 5 приведены данные по р. Оленка и р. Восточная Лица. В состав этих данных включена следующая информация:
- номер створа и его расстояние Ь от устья реки, км;
- водосборная площадь Рвс , км2;
- отметки НПУ и УМО, м;
- объем водохранилища V полн., млн. км3;
- мощность ГЭС Ыт, МВт;
- среднегодовая выработка ГЭС на участке Эсм.т, ГВтч;
- расчетная обеспеченность мощностирдг %;
- число часов использования водотока ТИ.
Эколого-экономические ресурсы малой гидроэнергетики
Исследования разных авторов показали, что для условий Мурманской области наиболее эффективным путем развития МГЭ является строительство МГЭС, предназначенных для электроснабжения удаленных изолированных потребителей, не связанных с энергосистемой [2-4, 9-16]. В связи с этим освоение значительного технико-экологического потенциала МГЭ специфического северного региона в условиях рыночных отношений во многом определяется наличием соответствующего рынка потребителей энергии от МГЭС. Последний и определяет величину экономического потенциала МГЭ региона в виде суммы энергетических параметров (выработки электроэнергии в среднем по водности году) первоочередных МГЭС. Для этого были исследованы потребители, не связанные с централизованной системой энергоснабжения региона.
Весьма характерным в этом смысле является с. Краснощелье, расположенное в долине р. Поной и удаленное более чем на 150 км от ближайшего крупного города. Годовое потребление с. Краснощелье на уровне 1992 г. составило 1,25 ГВт ч при максимуме нагрузки в 320 кВт. Перспективные данные на 2000 г. по потребителям с. Краснощелье - 2 ГВтч в год и 510 кВт. В районе с. Краснощелье нет дорог и других видов регулярного транспорта. Здесь очень незначительные ресурсы ветра, и не планируется даже в отдаленной перспективе подключение к энергосистеме региона. Основной источник энергоснабжения потребителей с. Краснощелье - две дизельные электростанции (ДЭС). Число часов их использования составляет от 1000 до 3000 в год. Топливо для них обычно доставляется воздушным путем или зимой - по зимнику, что значительно повышает стоимость произведенной на ДЭС электроэнергии. Стоимость
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
одной тонны условного топлива в 1992 г. составила около 35000 рублей и значительно увеличилась в 1998 г. (Индекс цен конца 1998 г. к 1992 г. по Мурманской области составил 319 для неденоминированных рублей, а по Архангельской области - 359).
Другим перспективным районом для строительства МГЭС является южное и юго-восточное побережье
полуострова от п. Кузомень до п. Пялица (Терский берег), где не планируется подключение потребителей к энергосистеме. В то же время в этом районе имеется значительная нагрузка, которая сегодня покрывается за счет ДЭС (от 50 кВт в п. Кузомень до 500 кВт в п. Чаваньга).
Технические гидроэнергетические ресурсы в створах р. Оленка (Рзат=40 км2, Ти = 5000 ч, р N=95%)
Technical hydropower resources in alignments of the Olenka river (Бзат=40 km2, Ти = 5000 h, рN=95%)
Таблица 4
Table 4
№створа L, км -Fbc,™2 НПУ, м УМО, м ^полн, млн м3 NT, МВт Эсм. ГВт*ч
10 46,4 39,6 314,2 312,7 2,308 0,379 1,867
11 45,8 45,8 287,4 285,9 1,318 0,238 1,189
12 49,4 49,4 280,7 279,7 1,105 0,188 0,941
13 43,3 55,8 272,2 271,2 0,854 0,162 0,809
14 42,0 66,2 267,2 265,2 0,785 0,419 2,095
15 40,9 72,1 261,6 260,1 0,711 0,374 1,869
16 40,4 78,1 259,4 257,4 0,709 0,414 2,069
17 39,9 89,6 253,8 251,8 0,580 0,435 2,175
18 38,9 101,6 243,2 239,7 0,479 0,450 2,252
19 37,9 114,8 242,5 242,0 0,774 0,342 1,711
20 36,9 128,7 233,6 231,6 0,738 0,512 2,558
21 34,3 142,5 225,6 223,1 0,784 0,543 2,713
22 32,0 156,1 219,8 217,8 0,615 0,423 2,117
23 31,2 168,3 213,3 211,8 0,556 0,354 1,772
24 30,0 179,1 206,2 204,2 0,434 0,272 1,361
25 29,0 190,3 202,0 199,5 0,513 0,277 1,387
26 28,0 198,7 200,0 198,2 0,423 0,206 1,032
27 27,0 203,5 199,5 197,5 0,495 0,216 1,281
28 26,0 208,1 197,4 195,9 0,497 0,401 2,006
29 25,0 212,9 192,7 189,7 0,423 0,809 4,045
30 24,0 217,6 188,9 186,4 0,498 0,759 3,799
31 22,8 222,4 190,5 188,5 0,918 0,948 4,740
32 21,8 227,6 180,9 178,9 0,745 0,925 4,625
33 20,6 229,0 170,0 168,0 0,647 0,790 3,952
34 20,4 230,4 166,8 164,8 0,570 0,805 4,022
35 20,0 231,8 163,7 161,2 0,525 0,844 4,217
36 14,6 233,3 161,2 158,2 0,498 0,857 4,286
37 13,9 290,0 161,8 J 59,3 0,581 1,053 5,268
38 13,6 291,6 161,1 158,6 0,611 1,134 5,670
39 13,4 418,4 159,7 157,7 0,603 1,609 8,047
40 13,2 419,7 157,9 155,4 0,586 1,696 8,478
41 13,0 420,8 156,5 154,0 0,518 1,699 8,496
42 12,8 421,9 153,8 151,3 0,545 1,684 8,420
43 12,5 423,2 151,8 148,8 0,521 1,725 8,623
44 12,3 424,5 151,0 149,0 0,535 1,610 8,051
45 12,0 425,8 150,2 147,7 0,541 1,729 8,643
46 П,8 427,2 148,7 146,2 0,512 1,684 8,422
47 11,5 428,8 148,1 145,1 0,508 1,767 8,837
48 11,3 430,3 147,7 144,9 0,501 1,722 8,609
49 11,0 438,8 146,3 143,3 0,478 2,131 10,653
50 10,2 448,2 141,2 137,7 0,550 2,639 13,191
51 9.2 456.3 140.0 138.0 0.832 2.525 12.625
52 6.0 464.4 133.6 130.6 0.956 3.081 14.405
53 5.0 473.1 128.9 126.4 1.100 3.435 17.173
54 3.8 481.5 120.3 117.8 1.066 3.098 15.489
55 2.8 487.3 120.6 118.6 1.347 3.142 15.712
56 1.5 498.8 120.6 118.6 1.513 3.691 18.455
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Таблица 5
Технические гидроэнергетические ресурсы в створах р. Восточная Лица (Бзат=40 км2, Ти = 5000 ч, р N=95%)
Table 5
Technical hydropower resources in the East Litsa river alignments (Тзат=40 km2, Ти =5000 h, р N=95%)
№ створа L, км i—i 2 Fbc,™ НПУ, м УМО, м Уполн, млн м3 Nt, МВт Эсм. т, ГВт*ч
10 106,9 140,80 250,1 249,1 0,2658 0,443 1,328
11 105,9 156,40 247,7 246,7 0,2389 0,389 1,168
12 104,9 170,60 245,0 244,0 0,2089 0,309 0,927
13 103,9 183,80 241,3 240,8 0,1862 0,218 0,665
14 102,8 198,40 240,1 239,6 0,2814 0,253 0,758
15 101,8 215,55 237,6 237,1 0,2772 0,188 0,565
16 100,8 234,50 236,5 236,0 0,2852 0,196 0,588
17 99,8 254,70 235,6 235,1 0,2716 0,170 0,510
18 98,8 276,75 234,2 233,7 0,2059 0,277 0,831
19 97,8 302,15 232,6 232,1 0,0797 0,178 0,533
20 96,7 329,95 230,4 229,9 0,0347 0,213 0,640
21 95,7 358,45 227,7 225,2 0,0424 0,928 2,784
22 74,7 387,45 223,8 220,8 0,0496 1,404 4,211
23 73,3 416,70 220,6 216,9 0,0979 2,762 8,285
24 71,7 445,60 218,6 213,6 0,1349 3,200 9,600
25 70,6 473,90 218,4 214,4 0,2253 3,372 10,116
26 69,6 502,55 218,0 216,0 0,3263 3,631 10,894
27 68,5 531,75 216,3 213,3 0,3206 3,643 10,929
28 67,4 559,65 213,7 211,2 0,2857 3,999 11,998
29 66,4 584,20 211,6 209,1 0,2791 4,076 12,227
30 65,3 604,00 210,1 207,1 0,2815 4,668 14,003
31 64,2 619,55 209,3 207,3 0,3249 4,190 12,571
32 63,2 632,85 206,7 204,2 0,3004 4,045 12,137
33 62,2 643,20 204,1 201,6 0,2866 3,843 11,530
34 61,2 650,25 202,7 199,7 0,2832 3,848 11,545
35 60,2 656,05 200,7 197,7 0,2592 3,653 10,960
36 59,1 661,90 199,6 197,6 0,2612 3,838 11,514
37 57,7 667,60 198,3 196,3 0,2618 3,718 11,153
38 56,6 674,00 196,1 192,6 0,8022 5,909 17,727
39 55,1 682,10 194,5 191,0 0,4635 5,217 15,651
40 54,1 691,80 191,6 189,6 0,2637 4,663 13,988
41 53,0 697,80 190,3 187,8 0,2930 4,644 13,993
42 52,0 1343,45 188,6 186,6 0,2976 7,270 21,809
43 50,9 1621,52 186,7 184,7 0,3057 7,905 23,714
44 49,8 1631,72 184,8 181,8 0,2859 7,339 22,018
45 48,7 1641,98 182,0 180,8 0,2599 6,264 18,792
46 47,6 1652,22 180,0 178,5 0,2470 5,367 16,103
47 46,1 1662,98 178,9 177,4 0,2546 5,235 15,704
48 45,1 1673,92 176,2 174,2 0,2123 4,101 12,306
49 43,7 1684,28 173,5 171,5 0,1887 3,703 11,108
50 42,7 1693,28 170,8 169,3 0,1640 3,375 10,126
51 41,5 1701,38 170,5 169,0 0,2068 3,987 11,962
52 40,4 1709,82 170,4 168,4 0,2844 5,112 15,336
53 39,4 1718,42 170,2 169,2 0,3231 5,766 17,297
54 38,4 1725,88 169,7 168,7 0,3458 6,760 20,281
55 19,3 1762,45 169,1 166,1 0,3380 18,770 56,311
56 18,4 1768,22 168,6 166,1 0,3474 18,596 55,790
57 17 2 1781,92 168,2 165,2 0,3547 21,772 65,316
58 16,0 1796,12 167,1 164,1 0,3937 22,808 68,424
59 14,7 1810,18 166,1 163,6 0,4718 29,190 87,572
60 11,8 1853,37 164,3 160,8 0,4980 35,931 107,792
61 11,1 1860,68 163,4 160,4 0,4985 34,790 104,369
62 10,0 1874,72 162,4 157,9 0,5152 42,876 128,627
63 8,8 1887,08 160,8 156,8 0,5408 47,067 141,201
64 6,3 1896,98 157,6 153,1 0,5810 52,579 157,737
65 5,2 1904,38 153,7 149,7 0,6208 55,730 167,191
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
В обоих рассмотренных районах имеются значительные гидроэнергетические ресурсы для строительства МГЭС. Обоснование
перспективности той или иной МГЭС в работе проведено на основе сопоставления расчетных затрат на МГЭС и ДЭС и расчета по ним предельных удельных капиталовложений для МГЭС в ценах 1992 г. [20-22].
В качестве исходных данных использовалась карта региона с нанесенными на нее изолиниями стоимости привозного топлива [2, 3]. В качестве базового варианта МГЭС принималась станция мощностью 300 кВт и числом часов использования 30,00, что в среднем соответствует рассматриваемым требованиям потребителей. Предполагалось, что МГЭС строится и вводится в строй в течение одного года. Расчеты показали, что две рассмотренные МГЭС эффективны. Расчетные удельные капиталовложения в МГЭС составили около 270000 руб./кВт. Допустимые же их значения составляют для с. Краснощелье - 390000 руб./кВт, а для Терского берега - 270000 руб./кВт (при условии отсутствия связи с энергосистемой).
Для решения задачи о выборе створов первоочередных МГЭС учитывалась
гидрологическая, топографическая и
климатологическая информация по региону, а также материалы предыдущих работ [2-5, 20].
Строительство МГЭС непосредственно на р. Поной оказалось невозможным из-за ее малой энергетической эффективности (падение реки на 3,4 м на расстоянии к 30 км в районе с. Краснощелье) и возможности больших затоплений даже при подпоре в 2-3 м. Далее были рассмотрены четыре ближайших притока р. Поной вблизи с. Краснощелье, из которых выбрана р. Ельрека, впадающая в р. Поной в 6 км выше по течению от с. Краснощелье. Эта река не является местом нереста ценных пород рыб. Окончательный створ МГЭС, принятый в расчетах, определен в 12 км от с. Краснощелье (по прямой) и в 21 км по руслам рек.
Расчетный вариант МГЭС включает в себя русловую МГЭС краткосрочного регулирования с максимальным напором в 9 м с двумя агрегатами диаметром в 1 м и расчетным напором в 6 м при среднегодовой выработке в 2,05 ГВтч, установленной мощностью 300 кВт. Энергия от МГЭС передается в с. Краснощелье по ЛЭП 35 кВ длиной 12 км. Себестоимость электроэнергии МГЭС составляет в цепах 1992 г. 7,2-7,8 руб./кВтч в зависимости от стоимости привозного топлива на ДЭС.
При выборе полезного объема водохранилища МГЭС учитывались следующие ограничения: затопление оленьих пастбищ в верхнем бьефе, а также снижение выработки МГЭС и ее регулировочных способностей.
Основным потребителем электроэнергии на Терском берегу (восточная часть) является п. Чаваньга (30% суммарного электропотребления, или 1,08 ГВт ч в год на уровне 2000 г. при максимуме нагрузки в 235 кВт). На основании предыдущих работ месторасположение МГЭС возможно на р. Чаваньга в 8,5 км выше устья реки и в 7,5 км от п. Чаваньга [20]. Рассматривается русловая двух агрегатная МГЭС с мощностью 250 кВт и выработкой в 1,1 ГВтч в год с длиной здания в 9 м и шириной 6,2 м. МГЭС может вести неограниченное краткосрочное регулирование в диапазоне напоров от 15 до 7 м.
Для сохранения поголовья ценных рыб (семга) рассмотрен вариант лестничного рыбохода (напор 5 м и длина 90 м).
Таким образом, по итогам расчетов для Мурманской области можно сделать следующие выводы:
- валовые ресурсы МГЭ составляют 4.45 ТВтч в год или 501 МВт;
- технико-экологический потенциал МГЭ равен 2,85 ТВт ч в год или 334 МВт (т.е. 64% валового потенциала);
- в расчетах не учтены многочисленные очень малые реки и ручьи, которые также могут быть использованы для строительства как плотинных, так и бесплотинных МГЭС при наличии соответствующих потребителей электроэнергии. Сегодня и в перспективе указанные потребители будут отсутствовать, что и определило приведенные значения валового и технико-экологического потенциала МГЭ региона;
- первоочередными перспективными МГЭС региона можно считать две станции: в районе с. Краснощелье с мощностью 500 кВт и выработкой в 2,05 ГВтч в год; в районе п. Чаваньга с мощностью в 250 кВт и выработкой в 1,1 ГВтч в год.
Малая гидроэнергетика
Еще один пример: МГЭС Архангельской области, расположенной на севере европейской части России. По площади она занимает четвертое место в России (587,4 тыс. км2) и первое - в европейской части страны. Рельеф области, в основном, равнинный. Значительная часть территории заболочена.
В области имеется 13 городов, 39 поселков (городского типа), 4075 сельских населенных пунктов. Последние - достаточно крупные, со средним числом жителей 102 чел. Плотность населения в области в целом 2,6 чел./км2, в том числе сельского - 0,7 чел./км2, т.е. меньше, чем в Мурманской области. Отдельные мелкие поселения очень редки. Сельское население составляет всего 26,2% (413000 чел.).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
В области имеется большая речная сеть и много озер. В целом это зона избыточного увлажнения. Реки области - равнинные, с малыми уклонами; они относятся к бассейну Белого, Баренцева и Карского морей.
Регион отличает выгодное экономико-географическое положение и богатые природные ресурсы. Промышленность в основном сосредоточена в крупных городах и поселках городского типа.
Особое место в экономике региона занимает рыбное хозяйство, базирующееся на производстве и воспроизводстве ценных пород рыб (лососевые и семужьи). Из-за этого существуют очень жесткие ограничения на строительство различных гидротехнических сооружений, которые могли бы нарушить воспроизводство цепной рыбы в регионе.
Многоводные реки области имеют значительный гидроэнергетический потенциал. Однако развитие традиционной гидроэнергетики сегодня в Архангельской области практически невозможно по целому ряду объективных причин экономического, социального и экологического характера: широкие равнинные поймы рек ведут к большим затоплениям при создании традиционных ГЭС, что причиняет значительный ущерб сельскому хозяйству.
В то же время в области имеются значительные возможности для строительства малых ГЭС (МГЭС), которые могли бы заменить полностью или частично дизельные энергоустановки (ДЭУ) в отдаленных районах, не связанных с энергосистемой.
Ниже приводятся результаты расчетов по оценке валового и технико-экологического потенциалов малой гидроэнергетики Архангельской области, а также первоочередные объекты, эффективность которых сегодня достаточно высока.
Выполненные исследования базировались на методических материалах, приведенных в разделах выше на примере Мурманской области, а также на выполненных работах других отечественных организаций [2-6, 16-22]. В отличие от последних, в указанных разделах более полно учтены современные особенности экономики России и ограничения социально-экологического характера.
Валовые и технико-экологические ресурсы малой гидроэнергетики
На территории области протекают наиболее многоводные реки Севера европейской части России (Печора, Северная Двина, Мезень, Онега, Кулой) с
суммарным годовым стоком в 285 км3, что составляет более 85% всех гидроресурсов области.
Величина этого стока во много раз больше стока рек в Мурманской области. Однако валовые гидроэнергетические ресурсы Архангельской области всего в 1,2-2 раза превышают аналогичные ресурсы Мурманской области. При этом удельная насыщенность гидроресурсов в Архангельской области - самая низкая на европейском Севере России (около 4000 кВтч/км2 в год).
З.м3/с V, М V МВт
80 - 60 \ \ 4 /
• 40 • г * L г ' \ . * Г
- 20 / ✓ / / ✓ У ✓ / \ / ч
О 20 50 I, км
75
106
продольный профиль рек»
---I рлфик нарастания расхода
------- [рафик нарастачмя мощности
Рис. 7. Водоэнергетический кадастр р. Чурьега Fig. 7. Water power cadaster of the Churyega river
Приведенные данные и объективные ограничения разного рода привели к тому, что в Архангельской области не построено ни одной крупной ГЭС. В то же время до начала 70-х гг. в области существовало более 60 малых ГЭС, которые затем были заменены на более дешевые (для условий бывшего СССР) дизельные энергоустановки.
Таблица 6. Общие данные по рекам Архангельской области Table 6. General data on Arkhangelsk region rivers
Классификация водотоков по длине Число водотоков / длина водотоков, км % от общего числа
Самые малые ручьи, реки: До 100 м От 10 до 25 км От 26 до 50 км Итого 98259 / 197654 4649 / 67487 1041 / 36698 103949 / 301839 99,3 / 81,1
Малые реки: От 51 до 100 км От 101 до 200 км Итого 477 / 32761 160 / 215276 37 /54288 0,66 / 14,6
Средние реки: От 201 до 300 км От 301 до 500 км Итого 26 /6178 7/2843 33 /9021 0,03 / 2,4
Большие реки: Более 500 км Всего 10 /7014 104629 / 372162 0,01 / 1,9 100 / 100
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Другими причинами, препятствовавшими развитию традиционной гидроэнергетики Архангельской области, была значительная концентрация потребителей в ограниченном числе промышленных узлов, использовавших для энергоснабжения местные ТЭЦ, и трудности в развитии ЛЭП в регионе климатического и географического характера.
В выполненных в 60-е гг. исследованиях валовой гидроэнергетический потенциал области оценен в 24,0 ТВтч/год, а технический - в 10,3 ТВтч/год [2]. Величина технического потенциала была уточнена в 80-е гг. и составила от 5,7 до 8 ТВт ч/год [20, 22]. При этом учитывались разного рода социальные и экологические ограничения. В частности, для ограничения ущерба, который мог бы иметь место в рыбном хозяйстве при строительстве традиционных ГЭС, в области наложен запрет на строительство любых гидротехнических сооружений более чем на 230 крупных, средних и малых реках.
На основании результатов указанных выше работ были произведены расчеты по оценке доли малой гидроэнергетики в Архангельской области, с учетом указанных жестких социально-экологических ограничений. В таблице 6 приведены общие данные по всем рекам Архангельской области [20-22].
В связи с ограниченностью располагаемой гидрологической и гидрометрической информации по малым и самым малым рекам области, расчет валового энергетического потенциала производится обобщенными методами (по среднему модулю стока и среднему падению рек на данной территории). С учетом большой доли указанных рек в области, величина их валового потенциала в целом составила в 1986 г. 11,8 ТВтч/год [20].
Несмотря на значительные валовые ресурсы малой гидроэнергетики области, их полное использование представляется сегодня весьма проблематичным по целому ряду объективных причин. В первую очередь это жесткие социально-экологические ограничения на строительство любых гидротехнических сооружений в области.
Значительные трудности представляла собой ограниченность указанной выше исходной информации. В связи с этим величина технического потенциала малой гидроэнергетики области была рассчитана на основе обобщенного показателя -наиболее вероятного значения отношения технических ресурсов к валовым. На основании ранее выполненных работ эта величина составила 0,45 [20, 22].
Для детального рассмотрения были отобраны только те 43 малые и средние реки, которые пока еще не «закрыты» для энергетического использования. На основе методических разработок, приведенных выше в разделах, были рассчитаны водно-энергетические кадастры указанных 43 рек области (таблица 7).
У. м7с V. м /у. М Вт
120 \
- 100
Я0 • \|
- 60 • У * _
«0 20 ( ✓ / / > *
0 О 11.019.0 37.5 63.5 82
L, км
- продольный Профит. реки
---j-рафмк карасгания расхода
——•— график карастаним мощности
Рис. 8. Водоэнергетический кадастр р. Колозьма Fig. 8. Water power cadastre of river Колозьма
Валовые ресурсы малой гидроэнергетики области для 43 рек, допустимых для энергетического использования, составили 1,76 ТВтч в год. Соответственно технико-экологический потенциал -0,792 ТВт ч в год. На рис. 7 и 8 в качестве иллюстрации приведены водноэнергетические кадастры двух характерных рек области (р. Чурьега и р. Колозьма).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Таблица 7
Основные гидрологические и гидроэнергетические характеристики малых рек Архангельской области, открытых для энергетического использования
Table 7
Basic hydrological and hydropower characteristics of small rivers of Arkhangelsk region available for
power use
Река Длина водотока, км Площадь водосбора, км2 Модуль стока, л/(с-км2) Средне-многолетний расход, м3/с Падение реки, м Потенциальная мощность водотока, МВт Потенциальная энергия водотока, ГВт ч Удельная средняя мощность, кВт/км
Нижжа 71 650 11,0 7,2 26,6 0,94 8,25 13,3
Верхняя Мгла 59 354 11,0 3,7 53,8 1,03 9,02 175,5
Несь 151 1860 11,4 21,2 48,8 5,08 44,47 33,6
Снопа 166 1280 12,0 15,4 62,3 4,73 41,37 28,5
Кежма 158 1490 9,5 14,2 73,8 5,16 45,18 32,6
Пучкома 25 494 10,0 4,9 156,5 3,78 33,12 151,2
Лодьма 138 1910 11,0 21,0 97,2 9,37 82,11 67,9
Колозьма 82 330 12,0 3,9 127,4 2,44 21,40 29,8
Брусовица 68 323 12,1 3,9 49,8 0,95 8,35 14,0
Кехта 76 432 11,0 4,7 48,9 1,13 9,87 14,8
Нелеменьга 62 359 10,5 3,8 143,4 2,67 23,41 43,1
Сойга 110 889 11,0 9,8 154 7,40 664,84 67,3
Кинема 50 514 10,0 5,1 115,2 2,88 25,27 57,7
Суханиха 55 292 11,5 3,4 51,1 0,86 7,49 15,6
Коноша 45 203 10,0 2,0 208,2 2,04 17,89 45,4
Долгая 45 179 10,0 1,8 93,1 0,82 7,18 18,2
Сия 61 289 9,5 2,7 32,6 1,06 9,25 17,3
Ширшема 49 338 11,0 3,7 54,1 0,98 8,60 20,0
Поча 66 146 9,0 1,31 44,8 0,29 2,50 4,3
Немнюга 201 3630 10,7 38,8 77,2 14,67 12,85 72,9
Лоптюга 152 1620 10,5 17,0 114 9,50 83,26 62,5
Пысса 164 1160 12,5 14,5 127 9,02 79,03 55,0
Елва Мезенская 84 766 12,0 9,2 80,5 3,63 31,81 43,2
Вонгуда 57 407 11,0 4,5 110 2,41 21,15 42,4
Мудьюга 119 642 10,5 6,7 153,6 5,04 44,13 42,3
Кодина 183 2700 10,8 26,7 69,5 9,03 79,11 49,4
Лапьма 88 1270 9,1 11,6 72,9 3,81 33,39 43,3
Лепша 168 1680 9,5 15,9 38,5 3,00 26,29 17,9
Лим 104 544 10,0 5,4 124 3,28 28,78 31,6
Чурьега 106 1390 10,0 13,9 80,3 5,54 47,60 51,3
Токша 132 1610 10,0 16,1 90,1 7,11 62,32 53,9
Няндома 69 349 9,0 3,1 125 1,90 16,64 27,5
Обокша 132 1500 11,0 16,5 127,7 10,26 89,88 77,7
Мехреньга 231 5080 9,0 45,7 126,6 28,37 248,54 122,8
Пянда 106 920 10,5 9,7 60,9 2,90 25,40 27,4
Сюма 100 722 9,0 6,5 91,5 2,91 25,49 29,1
Ледь 184 2690 7,5 20,2 172,8 17,09 149,73 92,9
Тарна 100 705 9,5 6,7 98,0 3,23 28,28 32,3
Нюма 79 584 10,5 6,1 40,8 1,22 10,69 15,5
Юмиж 180 1220 10,3 12,6 143,9 8,90 77,92 49,4
Лекшма 73 1070 8,7 9,3 371 1,69 14,83 23,2
Ковжа 108 1080 10,0 10,8 42,6 2,25 19,71 20,8
Тихманьга 11 770 10,5 8,1 97,8 3,89 34,04 353,2
Итого 4468 214,05 1760,44
Эколого-экономические ресурсы малой гидроэнергетики
Для условий Архангельской области наиболее перспективным путём развития малой гидроэнергетики на выделенных 43 реках является
строительство МГЭС, предназначенных для электроснабжения удаленных изолированных потребителей (бывших совхозов и колхозов). При этом с нашей точки зрения, самыми первоочередными объектами должны служить створы ранее существовавших МГЭС, а также
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
районы с децентрализованным электроснабжением Архангельской области.
Суммарные энергетические показатели указанных первоочередных МГЭС и составят эколого-экономический потенциал малой гидроэнергетики области.
В послевоенные годы в области было построено около 60 МГЭС с мощностями от 6,5 до 107 кВт (в среднем около 40 кВт) и напорами от 1,5 до 7 м (в среднем 3,7 м). Основные гидротехнические сооружения МГЭС были приплотинного типа и строились из древесины. Все эти МГЭС сегодня не эксплуатируются, значительная часть из них разрушена.
Все эти МГЭС были построены в весьма удобных створах. К сожалению, значительная часть проектной документации по указанным МГЭС сегодня утеряна. Была восстановлена информация только по 23 ранее существовавшим МГЭС. На 23 реках восстановление существовавших МГЭС сегодня невозможно, так как они закрыты для энергетического использования по требованиям рыбного хозяйства. Оставшуюся часть створов не удалось определить по ряду других объективных причин (закрытие ряда мелких деревень в ходе укрупнения колхозов и совхозов, отсутствие информации). Кроме того, значительное число ранее существовавших МГЭС были расположены в районах с централизованным энергоснабжением или вблизи них, что заранее позволяет сделать вывод о нецелесообразности их восстановления по экономическим и экологическим показателям.
Для дальнейшего рассмотрения, таким образом, были оставлены следующие 8 объектов: Чугеринская МГЭС (р. Юрас); Ваеньгская МГЭС и Усть-Ваеньгская МГЭС (р. Пурнема); Тачицкая МГЭС (р. Талица); Лохомская МГЭС (р. Лохома); Совпольская МГЭС (р. Немнюга); Петровская МГЭС (р. Пупса).
Однако реки Юрас, Ваеньга, Талица, Лохома и Немнюга сегодня закрыты для энергетического использования по требованиям рыбного хозяйства.
Таким образом, из всех 60 ранее существовавших МГЭС остается для рассмотрения только один створ на р. Пурнема (Пурнемская МГЭС) в Онежской области.
На территории области развитие централизованного электроснабжения осуществляется в основном вдоль железных дорог и в долинах крупных рек, где сосредоточены основные потребители. Однако в области и сегодня осталось еще много населенных пунктов, не связанных с энергосистемой. Электроснабжение этих
потребителей осуществляется от ДЭУ, которые иногда образуют небольшие местные локальные сети напряжением 6-10 кВ. Всего здесь около 200 ДЭУ общей мощностью в 18,6 МВт. Эксплуатация этих ДЭУ сегодня весьма дорога и их замена полностью
или частично на МГЭС была бы весьма эффективной в современных условиях.
Основные потребители электроэнергии в зонах децентрализованного электроснабжения расположены на побережьях Белого, Баренцева и Карского морей и включают в себя рыболовецкие колхозы, леспромхозы, животноводческие и полеводческие хозяйства с разной формой собственности.
При этом из рассмотрения априори был исключен ряд территорий Ненецкого автономного округа (побережья Мезенского и севера Приморского районов области). Протекающие здесь реки имеют очень низкий гидравлический уклон (2 м на 60100 км), заболочены в условиях очень широких пойм, из-за чего строительство любых МГЭС в этих местах неэффективно.
Далее на основе анализа исходных материалов по энергохозяйству области были идентифицированы районы или отдельные населенные пункты, которые относятся к энергодефицитным и не связанным с энергосистемой. В их состав вошли отмеченные ранее прибрежные районы, пять совхозов Мезенского района, совхозы «Горьковский» и «Выйский», ряд леспромхозов Верхне-Томского района, шесть совхозов Лешуконского района, ряд леспромхозов Шенкурского района в долине р. Ледь. Для всех перечисленных потребителей были изучены возможности использования МГЭС для их электроснабжения.
В окончательном виде после проведения исследования более чем по 150 малым и средним рекам и более чем по 50 мелким рекам и ручьям были выделены следующие перспективные водотоки для строительства на них малых ГЭС:
- на Онежском полуострове - реки Пурнема и Маложма;
- в Лешуконском районе - реки Едома, Кошма, Олема;
- в Пинежском районе - реки Кулосега, Тыхтера, Гоголюки.
Для первоочередного строительства МГЭС в области окончательно были выбраны Онежский (р. Пуриема) и Пинежский (р. Кулосега) районы. Эти районы не имеют централизованного энергоснабжения и испытывают большие потребности в МГЭС, из-за того, что сегодня их электроснабжение реализуется за счет очень дорогих ДЭУ.
МГЭС на р. Пурнема предназначена для электроснабжения населенных пунктов Пурнема, Лямца и Нижмозеро. Сегодня их электроснабжение осуществляется от шести ДЭУ общей мощностью 403 кВт. В качестве оптимального варианта (по критерию максимума среднемноголетней выработки) выбрана МГЭС сезонного регулирования -приплотинная ГЭС с двумя агрегатами с диаметром рабочего колеса 0,5 м общей мощностью 660 кВт и выработкой 1,98 ГВтч при напоре 40 м.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
На основе сметно-финансового расчета было показано, что МГЭС будет эффективной только при условии ее строительства за один год.
МГЭС на р. Кулосега предназначена для энергоснабжения поселка Кулосега и местной сети, ее створ расположен в 5 км выше по течению. Сегодня энергоснабжение поселка реализуется от местной ДЭС «Мамониха». Установленная мощность МГЭС с двумя агрегатами - 280 кВт. МГЭС сезонного регулирования будет работать в локальной сети совместно с ДЭС и обеспечивать энергоснабжение трех поселков: Кулосега, Мамониха и Сосновка. МГЭС с выработкой 0,84 ГВт ч и напором 20 м оказалась эффективной только при условии ее строительства также за один год.
Все остальные перспективные МГЭС на сегодня могут считаться объектами второй очередности и не включены в состав эколого-экономического потенциала малой гидроэнергетики Архангельской области.
Таким образом, по итогам расчетов для Архангельской области можно сделать следующие выводы:
- валовые ресурсы МГЭ для 43 рек, допустимых для энергетического использования, составляют 1,760 ТВтч в год или 201 МВт;
- технико-экологические ресурсы МГЭ равны 0,792 ТВтч или 90,4 МВт (45% валового потенциала МГЭ);
- первоочередными объектами МГЭ области можно считать две МГЭС, предназначенные для снабжения изолированных потребителей: на р. Пурнема мощностью 660 кВт и выработкой 1,98 ГВт ч и на р. Кулосега мощностью 280 кВт и выработкой 0,84 ГВт ч [20-22].
Экоэнергетический потенциал малой гидроэнергетики СНГ
Экономический потенциал гидравлической энергии в мире оценивается в 8100 ТВтч. Установленная мощность всех гидростанций составляет 669 ГВт, а вырабатываемая электроэнергия - 2691 ТВтч. Таким образом, экономический потенциал используется на 33%. Например: в России экономический потенциал гидроэнергии составляет 600 ТВт ч и используется на 26% (157,5 ТВтч). Установленная мощность ГЭС России оценивается в 43940 МВт. Доля малых и микро ГЭС в экономическом потенциале составляет примерно 10%. Его используют только на 0,5%. Это обусловлено сокращением числа малых ГЭС с 5000 в 1950-х гг. до 300 в 1990-х гг. Сейчас начинается процесс восстановления разрушенных и строительство новых малых и микроГЭС.
В Узбекистане приоритетом является освоение гидроресурсов средних, малых и мелких естественных водотоков, водохранилищ, каналов
различного назначения в соответствии с «Программой развития малой энергетики в Республике Узбекистан», а также применение гидроэнергетического потенциала естественных водотоков предгорных и горных зон Джезказганской, Самаркандской, Невоинской, Кашкадарьинской, Сурхандарьинской, Ташкентской, Ферганской, Наманганской областей при строительстве 142 микро ГЭС в диапазоне от 10 до 4000 кВт со среднемесячной выработкой 2500 млн. кВтч электроэнергии в год [5-16].
Мировым лидером в малой гидроэнергетике является Китай, где с 1950 по 1996 г. общая мощность малых ГЭС выросла с 5,9 до 19200 МВт. В ближайшем десятилетии в Китае планируется строительство более 40000 малых ГЭС с ежегодным вводом до 1000 МВт. В Индии на конец 1998 г. установленная мощность малых ГЭС (единичной мощностью до 3 МВт) составляла 173 МВт, и в стадии строительства находятся ГЭС общей мощностью в 188 МВт. Определены места строительства еще около 4000 станций с общей проектной мощностью 8370 МВт. Эффективно работают малые ГЭС в ряде европейских стран, в том числе в Австрии, Финляндии, Норвегии, Швеции и др. [9-20].
В последние годы вокруг специализированных организаций России разработаны схемы использования гидроресурсов и определены первоочередные объекты возможного строительства с учетом нужд потребителей и дефицита энергопотребления, проведено обследование состояния существующих сооружений малых гидроэлектростанций (МГЭС) и определена возможность их восстановления или реконструкции.
НТА «Прогрессэлектро», отдел электроэнергетических проблем Российской академии наук и АО «Гидропроект» (г. Санкт-Петербург) разработали программу строительства на реках Камчатки малых ГЭС.
Разработчики предложили до 2012 г. построить на Камчатском полуострове 20 малых ГЭС. В первую очередь намечено ввести в эксплуатацию шесть ГЭС общей установленной мощностью 50,2 МВт. Эти электростанции будут возводиться на реках, где не развито промысловое рыболовство или же они будут строиться без плотин.
Вторая очередь строительства охватывает период до 2012 г. За это время будут введены в строй еще 11 ГЭС общей мощностью 132,8 МВт. При проектировании также будут максимально отрабатываться вопросы экологии и сохранения рыбных запасов. К 2015 г. завершится строительство еще трех ГЭС, суммарная мощность которых составит 300 МВт.
Эффективное использование вводимых энергетических мощностей возможно только в комплексе развития сети линий электропередачи. Поэтому программа предусматривает строительство
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
десяти ЛЭП напряжением 35-220 кВ, общей протяженностью 490 км. Как только малые ГЭС первой очереди начнут входить в строй, жители Камчатки смогут более продуманно подходить к использованию близлежащих природных богатств. Очень скоро они почувствуют немалые выгоды, которые принесет им ликвидация лимитов на электроэнергию. Они свободно смогут разрабатывать небольшие, но имеющие коммерческий спрос залежи полезных ископаемых или же создавать в леспромхозах комплексы по переработке древесины, утилизировать отходы этой переработки и т.д. Сооружение ГЭС будет сопровождаться развитием дополнительных объектов инфраструктуры: на полуострове появятся карьеры, жилье, производственные здания, мастерские, склады, линии связи и электропередачи, автодороги и пр. Все это может быть использовано в интересах жителей близлежащих районов [710,13,16].
По использованию располагаемых гидроресурсов МГЭС можно условно разделить на следующие основные группы:
- новое строительство русловых, приплотинных или деривационных МГЭС с водохранилищами суточного или сезонного регулирования;
- восстановление или реконструкция ранее действовавших гидроузлов;
- утилизация существующих перепадов уровней в водохозяйственных объектах (ирригация, водоснабжение, судоходные сооружения, плотины и запруды в зонах отдыха) или технологических процессах (сбросы бытовых и промышленных очищенных стоков, отепленных вод ТЭС, гидросооружения для водоснабжения тепловых и атомных станций и промышленных предприятий);
- использование скоростной энергии свободного течения больших и малых рек, в том числе в условиях ледостава.
В связи с сокращением объемов крупного гидроэнергетического строительства в России предприятия, традиционно производившие гидроэнергетическое оборудование, частично переориентировали свое производство на нужды малой гидроэнергетики.
Одновременно в ряде промышленных центров возникли малые предприятия и акционерные компании, в том числе в рамках конверсии, производящие оборудование для МГЭС. Тем самым снята декларировавшаяся в течение ряда лет проблема с приобретением оборудования для МГЭС за рубежом.
В настоящее время в России может быть обеспечена потребность внутреннего рынка с полностью автоматизированными гидроагрегатами единичной мощностью до 1000 кВт, по индивидуальным разработкам могут быть изготовлены агрегаты значительно большей мощности.
Номенклатура электрогенераторов также позволяет укомплектовать серийными машинами гидроагрегаты мощностью до 1000 кВт.
Стоимости комплектных гидроагрегатов мощностью свыше 100 кВт в зависимости от располагаемого напора составляют 200-400 долларов за 1 кВт установленной мощности.
В соответствии с разработанной в 1993 г. программой строительства малых ГЭС в России, до 2012 г. может быть введено около 800 МВт установленных мощностей с выработкой электроэнергии свыше 3000 МВтч/год. Будет произведено распределение вводимых мощностей -техническое перевооружение, восстановление, модернизация списанных и законсервированных МГЭС - 250 МВт; новое строительство в районах изолированного энергоснабжения - 200 МВт.
Наибольшие гидроресурсы и гидроузлы, подлежащие техническому перевооружению, находятся в следующих энергосистемах (мощности приведены округленно): АО «Краснодарэнерго» (45 МВт), АО «Ставропольэнерго» (100 МВт), АО «Каббалкэнерго» (115 МВт), АО «Севкавказэнерго» (60 МВт), АО «Дагэнерго» (60 МВт), АО «Ростов-энерго» (65 МВт), АО «Хабаровскэнерго» (70 МВт), АО «Карелэнерго» (75 МВт), АО
«Красноярскэнерго» (25 МВт) [16, 17].
Эта программа, в зависимости от экономических условий и спроса на объекты малой гидроэнергетики, может быть уточнена и существенно расширена.
Основными проблемами остаются относительно высокая себестоимость оборудования и строительно-монтажных работ, отсутствие средств у заказчиков в условиях прекращения государственной поддержки развития энергетической отрасли.
Стоимость сооружения МГЭС «под ключ» составляет от 100 до 400% к стоимости оборудования в зависимости от типа сооружения и количества агрегатов на станции. Такие стоимости бесперспективны для большинства заказчиков в регионах, где энергия малых рек могла бы обеспечить основные потребности.
Предварительный маркетинг показывает, что цена электроэнергии МГЭС должна определяться из условия стоимости 1 т, т.е. не более 200 долларов в регионах децентрализованного энергоснабжения, или 4-5 центов за 1 кВтч в регионах централизованного энергоснабжения с дефицитом электроэнергии.
В данном случае рассматриваются гидроэнергетические ресурсы России, что и представлено на рисунке 8; ее экологический потенциал приведен на рис. 9 в форме гистограммы. Общий потенциал гидроресурсов равен: ГЭС -1670 млрд. кВтч в год; по малой ГЭС - 382 млрд. кВтч в год.
Как видно из расчетов и построенной гистограммы на рисунке 9, ожидаемое сокращение
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
по выбросам вредных веществ в атмосферу при использовании гидроресурсов России составит:
- от общего потенциала ГЭС в 1670 млрд. кВтч в год: 802 - 13850,171; СО - 997,4403; N02 - 7509300; СН4 - 2066,126; С02 - 1067261; твердых веществ -1481,911263 тыс. тонн в год.
- от малой ГЭС в 382 млрд. кВт ч в год: 802 -3168,123; СО - 228,157; Ш2 - 1717696; СН4 -
твердых веществ -
472,6109; С02 - 244128; 338,9761092 тыс. тонн в год.
Расчеты экоэнергетических ресурсов стран Содружества Независимых Государств при использовании гидроэнергии для преобразования в электрическую энергию и ожидаемая возможность сократить выбросы вредных веществ в атмосферу представлены в таблице 8.
ГИДРОЭНЕРГОРЕСУРСЫ РОССИИ
Технический потенциал и производительность действ/ющих ГЭС в млрд. кВт ч в год: Общий потенциал - 1670, в т.ч. по малым ГЭС - 382. Действующие ГЭС - 170, в т.ч. малые ГЭС -2,2.
Рис. 8. Гидроэнергетические ресурсы России Fig. 8. Hydropower resources of Russia
Гидроэнергетический потенциал Центрально-азиатских стран обладает огромными ресурсами. По ресурсам в СНГ после России Таджикистан занимает второе место, Кыргызстан - третье. Перспективным направлением в Центральной Азии является расширение использования малых ГЭС. В отдаленные местности с низкой плотностью населения протягивание ЛЭП не рентабельно, так как стоимость одного километра обходится в стоимость 16-25 тыс. долл. США в зависимости от рельефа местности [13-16, 20].
Потенциал гидроэнергетических ресурсов Таджикистана, по оценкам ученых, составляет: общий валовой потенциал 179,2; технический потенциал 107,4 млн. т у.т.; в том числе малая -
валовой потенциал 62,7; технический потенциал 20,3 млн. т у.т.
По Киргизской республике общие запасы гидроресурсов составляют 162 млрд. кВт ч, средне годовые ресурсы Малых ГЭС 1,72 млн. т у.т. По оценкам специалистов можно построить более 60 МГЭС с суммарной мощностью до 300 МВт и среднегодовой выработкой электроэнергии до 1,5 млрд. кВтч [7-17, 20].
По республике Узбекистан: потенциал гидроэнергии составляет: валовый - 9200,0; технический - 1966,0; экономический - 1360,4; 14,5 млн. т у.т., или 114, 0103 кВтч/год. В том числе средних и малых рек 13,2 млн. т у.т или 107 тыс. кВтч/год, экономический потенциал 303,8 тыс. т н.э.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
в год.; ирригационных сооружений 0,9 млн. т у.т. или 7,2 тыс. кВт ч/год.
Казахстан обладает значительными ресурсами гидроэнергии. Технический потенциал гидроэнергии оценивается в 170 млрд. кВтч, а экономический - в
27 млрд. кВтч в год. Помимо малой доли гидроэнергии (12%) в энергетическом балансе республики, эти ресурсы до настоящего времени в полной мере не используются [7-21].
Экопотенциал гидроресурсов России
16000000 14000000 12000000 5 10000000 1— " 8000000 У ! 6000000 4000000 2000000 0
■
S02 т/год Мох т/год СО т/год СН4 т/год С02 тыс.т/го А Твердые веществ а т/год
■ Общий потенциал ГЭС 1670 млрд. кВт Ч Б год 13850171 7509300 997440,3 2066126 1067261,092 L4S1911.263
■ по малой ГЭС 382 млрд. кВт ч в год 3168123 1717696 228157 472610,9 244127,986; 338976,1092
Рис. 9. Гистограмма выработки электроэнергии от гидроресурсов России, возможности сокращения
выбросов различных вредных веществ Fig. 9. Histogram of development of electric power from water sources of Russia and possibility of reduction of
emissions of various harmful substances
Таблица 8
Экоэнергетические гидроресурсы от преобразования в электрическую энергию и ожидаемый
потенциал сокращения вредных выбросов
Table 8
Ecoenergetic watersources from transformation to electric energy and expected potential of harmful
emissions reduction
Страны СНГ SO2, тыс. т/год NOx, тыс. т/год CO, т/год CH4, тыс. т/год CO2, тыс. т/год Твердые вещества, тыс. т/год
Таджикистан -20,3 млн. т у.т 420,8959 228,2018 30,31143 62,78797 32,43323 45,03412969
Киргизстан -1,72 млн. т у.т. 35,66212 19,33532 2,568259 5,319966 2,748038 3,815699659
Россия - общий потенциал ГЭС 1670 млрд. кВтч в год 13850,171 7509300 997,4403 2066,126 1067261 1481,911263
По малой ГЭС - 382 млрд. кВтч в год 3168,123 1717696 228,157 472,6109 244128 338,9761092
Из-за малого количества осадков в Туркменистане определяется скудность ресурсов поверхностных вод. Из 179 зарегистрированных водных объектов лишь 40 являются реками с постоянным стоком воды, 12 - пересыхающими и более 100 - сухими логами, по которым в период
ливневых дождей проходят кратковременные паводки продолжительностью от нескольких часов до трех суток. Хотя этот потенциал используется крайне слабо, в прошлом, учитывая мощный потенциал рек Туркменистана, в 1913 году построили первую гидроэлектростанцию на реке
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Мургаб (Солтанбентская и Гиндукушская плотины). Гиндукушская ГЭС проектной мощностью 1200 МВт состоит из следующих составных элементов: водонапорного сооружения подводящих закрытого канала, водопадного бассейна, турбинного и генераторного помещения, отводящего и промывного канала. ЛЭП рассчитана на передачу мощности напряжения 16,5 кВ. Средне-многолетняя выработка электроэнергии составляет 4-5 млн. кВт/ч в год [1-7,11-16].
В 1948 г. была сооружена Каушут-Бентская ГЭС с мощностью 600 МВт, а в 1954 г. - Колхоз-Бентская ГЭС на реке Мургаб мощностью 3200 МВт.
Выводы
Строительство мини, микро ГЭС, предназначенных для электроснабжения местных потребителей (сельских населенных пунктов, фермерских хозяйств и других), решает вопросы электроснабжения и позволяет отказаться от использования дизельных электрогенераторов. Также оно избавит от проблем теплоснабжения рассредоточенных населенных пунктов в удаленных районах и снизит выбросы вредных веществ от дизельных генераторов в окружающую среду и поможет сэкономить органическое топливо.
Вышеприведенные методики позволяют подойти к задаче расчета технического потенциала малой гидроэнергетики естественных водотоков. Но при этом необходимо строго учитывать требования социально-экологического характера, современные возможности использования энергии водотоков для малых и очень малых напоров (до 0,5 м), устойчивую тенденцию к росту цен на ископаемое органическое топливо, актуальность повышения эффективности использования потенциала всех видов ВИЭ и МГЭС, возможность реализации МГЭС на любых водотоках (в том числе и на бесплотинных установках), возможность сооружения МГЭС как с целью получения электроэнергии, так и для получения субпродуктов или других целей в экономике регионов.
По итогам приведенных экоэнергетических расчетов можно сделать следующие выводы.
Для Мурманской области
- валовые ресурсы МГЭ составляют 4,45 ТВтч в год или 501 МВт;
- технико-экологический потенциал МГЭ равен 2,85 ТВт ч в год или 334 МВт (т.е. 64% валового потенциала);
- в расчетах не учтены многочисленные очень малые реки и ручьи, которые также могут быть использованы для строительства как плотинных, так и бесплотинных МГЭС при наличии соответствующих потребителей электроэнергии. Сегодня и в перспективе указанные потребители будут отсутствовать, что и определило приведенные значения валового и технико-экологического потенциала МГЭ региона;
- первоочередными перспективными МГЭС региона можно считать две станции: в районе с. Краснощелье с мощностью 500 кВт и выработкой в 2,05 ГВтч в год; в районе п. Чаваньга с мощностью в 250 кВт и выработкой в 1,1 ГВтч в год.
Для Архангельской области:
- валовые ресурсы МГЭ для 43 рек, допустимых для энергетического использования, составляют 1,760 ТВтч в год или 201 МВт;
- технико-экологические ресурсы МГЭ равны 0,792 ТВтч или 90,4 МВт (45% валового потенциала МГЭ);
- первоочередными объектами МГЭ области можно считать две МГЭС, предназначенные для снабжения изолированных потребителей: на р. Пурнема, мощностью 660 кВт и выработкой 1,98 ГВтч, и на р. Кулосега, мощностью 280 кВт и выработкой 0,84 ГВтч.
Из расчетов гидроэнергетических ресурсов и экологического потенциала ГЭС в 1670 млрд. кВтч в год и малой ГЭС в 382 млрд. кВтч в год в России, ожидаемое сокращение по выбросам вредных веществ в атмосферу при использовании гидроресурсов составит:
- от общего потенциала ГЭС в 1670 млрд. кВтч в год: 802- 13850,171; СО - 997,4403; Ш2 - 7509300; СН4 - 2066,126; С02 - 1067261; твердых веществ-1481,911263 тыс. тонн в год.
- от малой ГЭС в 382 млрд. кВт ч в год: 8023168,123; С0 - 228,157; Ш2 - 1717696; СН4 -472,6109; С02 - 244128; твердых веществ -338,9761092 тыс. тонн в год.
Аналогично расчеты по странам Средней Азии приведены в таблице 7.
Список литературы
References
1. Бердымухамедов Г.М. Государственное регулирование социально-экономического развития Туркменистана. Том 1. А.: Туркменская государственная издательская служба, 2010.
2. Асорин А.Е., Бестужов К.Н. Водно-энергетические расчеты. М.: Энергоатомиздат, 1986.
3. Григорьев С.В. Потенциальные энергоресурсы малых рек СССР // Труды научно-исслед.
1. Berdymuhamedov G.M. Gosudarstvennoe regulirovanie social'no-ekonomiceskogo razvitia Turkmenistana. Tom 1. А.: Turkmenskaa gosudarstvennaa izdatel'skaa sluzba, 2010.
2. Asorin A.E., Bestuzov K.N. Vodnoenergeticeskie rascety. M.: Energoatomizdat, 1986.
3. Grigor'ev S.V. Potencial'nye energoresursy malyh
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Учреждения ГУГМС. 4 серия. Вып. 34. М.: Гидро-метеоиздат, 1946.
4. Малинин Н.К. Теоретические основы гидроэнергетики: учебник для вузов. М.: Энергоатом-издат, 1985.
5. Пенджиев А.М. Водная энергетика: ресурсы Туркменистана «Стандарт, качество и безопастность» // Начно-технический журнал Ашхабат. 2005. № 2. С.31-32.
6. Пенджиев А.М. Водоснабжение в пустыне Каракумы с использованием солнечной фотоэлектрической станции // Мелиорация и водное хозяйство. 2007. № 2. С. 50-51.
7. Пенджиев А. М. Автономное электро и водоснабжение пустынных пастбищ с использованием солнечных фотоэлектрических установок // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 9. С. 27-28.
8. Пенджиев А.М. Автономное энерговодоснабжение пустынных пастбищ Туркменистана с использованием солнечных фотоэлектрических установок
9. Пенджиев А.М. Экоэнергетические ресурсы солнечной энергии в странах содружества независимых государств // Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 5. С. 13-30.
10. Пенджиев А.М., Пенжиев А.А. Международное сотрудничество в области охраны окружающей среды и устойчивого развития на основе возобновляемой энергетики в Центральной Азии // Альтернативная энергетика и экология. 2012. № 1. С. 139-156.
11. Пенджиев А. М. Последствия изменения климата в Центральной Азии и возможности их смягчения на основе виэ // Альтернативная энергетика и экология. 2012. № 5-6. С. 197-207.
12. Пенджиев А.М. Концепция развития возобновляемой энергетики в Центрально-Азиатском регионе // Альтернативная энергетика и экология. 2012. № 8. С. 118-130.
13. Пенджиев А.М. Изменение климата и возможности уменьшения антропогенных нагрузок. Монография. LAMBERT Academic Publishing, 2012.
14. Пенджиев А.М., Пенжиев А.А. Законодательное обеспечение развития возобновляемой энергетики в Центрально-Азиатском регионе // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 12. С. 76-85.
15. Рыбакова Л.Е., Пенжиев А.М. Энергия барада сохбет. А.: Магарыф, 1993.
16. Стребков Д.С., Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б. Д. Развитие солнечной энергетики в Туркменистане Монография. М.: ГНУ ВИЭСХ. 2012.
17. Сибикин Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. М.: КНОРУС. 2010.
18. Водноэнергетические и водохозяйственные расчеты / Под ред. В.И. Виссарионова. М.: Изд-во МЭИ, 2001.
rek SSSR // Trudy naucno-issled. Ucrezdenia GUGMS. 4 seria. Vyp. 34. M.: Gidrometeoizdat, 1946.
4. Malinin N.K. Teoreticeskie osnovy gidroenergetiki: ucebnik dla vuzov. M.: Energoatom-izdat, 1985.
5. Pendziev A.M. Vodnaa energetika: resursy Turkmenistana «Standart, kacestvo i bezopastnost'» // Nacno-tehniceskij zurnal Ashabat. 2005. № 2. S.31-32.
6. Pendziev A.M. Vodosnabzenie v pustyne Karakumy s ispol'zovaniem solnecnoj fotoelektriceskoj stancii // Melioracia i vodnoe hozajstvo. 2007. № 2. S. 50-51.
7. Pendziev A.M. Avtonomnoe elektro i vodosnabzenie pustynnyh pastbis s ispol'zovaniem solnecnyh fotoelektriceskih ustanovok // Mehanizacia i elektrifikacia sel'skogo hozajstva. 2007. № 9. S. 27-28.
8. Pendziev A.M. Avtonomnoe energovodo-snabzenie pustynnyh pastbis Turkmenistana s ispol'zovaniem solnecnyh fotoelektriceskih ustanovok
9. Pendziev A.M. Ekoenergeticeskie resursy solnecnoj energii v stranah sodruzestva nezavisimyh gosudarstv // Al'ternativnaa energetika i ekologia. 2013. № 5. S. 13-30.
10. Pendziev A.M., Penziev A.A. Mezdunarodnoe sotrudnicestvo v oblasti ohrany okruzausej sredy i ustojcivogo razvitia na osnove vozobnovlaemoj energetiki v Central'noj Azii // Al'ternativnaa energetika i ekologia. 2012. № 1. S. 139-156.
11. Pendziev A.M. Posledstvia izmenenia klimata v Central'noj Azii i vozmoznosti ih smagcenia na osnove vie // Al'ternativnaa energetika i ekologia. 2012. № 5-6. S. 197-207.
12. Pendziev A.M. Koncepcia razvitia vozobnovlaemoj energetiki v Central'no-Aziatskom regione // Al'ternativnaa energetika i ekologia. 2012. № 8. S. 118-130.
13. Pendziev A.M. Izmenenie klimata i vozmoznosti umen'senia antropogennyh nagruzok. Monografia. LAMBERT Academic Publishing, 2012.
14. Pendziev A.M., Penziev A.A. Zakonodatel'noe obespecenie razvitia vozobnovlaemoj energetiki v Central'no-Aziatskom regione // Al'ternativnaa energetika i ekologia. 2011. № 12. S. 76-85.
15. Rybakova L.E., Penziev A.M. Energia barada sohbet. A.: Magaryf, 1993.
16. Strebkov D.S., Pendziev A.M., Mamedsahatov B.D. Razvitie solnecnoj energetiki v Turkmenistane Monografia. M.: GNU VIESH. 2012.
17. Sibikin U.D. Netradicionnye i vozobnovlaemye istocniki energii. M.: KNORUS. 2010.
18. Vodnoenergeticeskie i vodohozajstvennye rascety / Pod red. V.I. Vissarionova. M.: Izd-vo MEI, 2001.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
19. Малая гидроэнергетика / Под редакцией М.П. Михайлова, Б.Н. Фельдмана. М.: Энергоатом-издат, 1989.
20. Безруких П.П. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. М.: Наука, 2002.
21. Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А. и др. Методы оценки энергетического потенциала малой гидроэнергетики с учетом социально-экологических факторов // Ин-т Проблем энергосбережения АН УССР.. Киев. 1989. С. 43-52.
22. Вассирионов В.И., Малинин Н.К., Дерюгина Г. В. и др. Технико-экономические характеристики малой гидроэнергетики. Методическое пособие. Изд-во МЭИ. 2001.
19. Malaa gidroenergetika / Pod redakciej M.P. Mihajlova, B.N. Fel'dmana. M.: Energoatomizdat, 1989.
20. Bezrukih P.P. i dr. Resursy i effektivnost' ispol'zovania vozobnovlaemyh istocnikov energii v Rossii. M.: Nauka, 2002.
21. Derugina G.V., Kuznecova V.A. i dr. Metody ocenki energeticeskogo potenciala maloj gidroenergetiki s ucetom social'no-ekologiceskih faktorov // In-t Problem energosberezenia AN USSR.. Kiev. 1989. S. 43-52.
22. Vassirionov V.I., Malinin N.K., Derugina G.V. i dr. Tehniko-ekonomiceskie harakteristiki maloj gidroenergetiki. Metodiceskoe posobie. Izd-vo MEI. 2001.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
