Реконструкция Шершневской малой ГЭС с выбором гидромеханического оборудования

В настоящее время около 20% (165 млрд. кВт·час) электроэнергии страны производится на гидроэлектростанциях, при общей установленной мощности ГЭС России 45,3 ГВт [26]. Экономический потенциал гидроэнергии в России составляет 852 млрд. кВт·час, то есть его использование в настоящее время составляет около 20%. Значительная часть неиспользованного потенциала находится в таких районах, как Северный Кавказ и Дальний Восток.

Снижение надёжности электроснабжения, особенно в сельских районах, повышение стоимости топлива и его транспортировки в удаленные районы являются факторами, побуждающими местные администрации искать пути для смягчения энергозависимости от РАО “ЕЭС России” и влияющими на выбор схем энергоснабжения с использованием местных, в особенности возобновляемых, энергоресурсов. Очевидно, что необходим поиск новых источников энергии и экономя органического топлива. Общая потребность в энергии уже сейчас настолько велика, что вопрос о предпочтении какого-либо вида не возникает – необходимо развивать все источники энергии, в том числе и местные энергоресурсы возобновляемых источников энергии.

Одним из наиболее эффективных направлений использования малых местных энергоресурсов возобновляемых источников энергии в России является использование энергии небольших водотоков, обладающих значительным потенциалом при сравнительной простоте их использования, с помощью малых ГЭС. При этом необходимо отметить, что экономический потенциал малой гидроэнергетики превышает экономический потенциал таких возобновляемых источников энергии, как: ветер, солнце и биомасса вместе взятых [2].

В этой связи возрастает интерес к использованию энергии малых рек и водотоков. Тем более, гидроэнергетические проекты требуют больших капиталовложений, иногда в несколько раз превышающие этот показатель для электростанций на газе, но, в то же время, расходы при производстве электроэнергии намного ниже. Строительство малых ГЭС требует меньших начальных инвестиций, поэтому более реально в современных экономических условиях [2].

Особенно актуальным и перспективным в нынешних условиях становится не только строительство, но и восстановление (реконструкция) старых (заброшенных) малых ГЭС. В настоящее время более 90% ранее построенных в нашей стране малых ГЭС - списаны . В основном списаны мелкие ГЭС мощностью 50-100 кВт, принадлежавшие колхозам и совхозам. При реконструкции и восстановлении данных ГЭС, за счёт использования после ремонта сохранившихся или существующих элементов гидротехнических сооружений, дорог, линий электропередач (ЛЭП), зданий ГЭС, сокращаются сроки ввода электростанции в эксплуатацию, экономятся средства, снижаются потери на передачу электроэнергии.

 

1. Малая ГЭС как источник альтернативного энергоснабжения 

 

 

В настоящее время, около 70% территории России составляют зоны децентрализованного (таблица 1) энергоснабжения и неэлектрифицированные зоны. Неэлектрифицированные поселения встречаются в зонах центра-лизованного (таблица 2) энергоснабжения.

 

Таблица 1 – Зона децентрализованного энергоснабжения (потенциальные

потребители)

Населенные пункты (чел.)	Сельские жители децентрализованной зоны (по статической отчетности)	Вахтовые поселки	Охотники, рыбаки, кочевники, геологи, строители
До 50
51-500
501-3000
3001-10000
Всего	8596704	393800	47000

Примечание: числитель – количество населенных пунктов; знаменатель – общее число жителей.

 

Из-за постоянного роста цен на органическое топливо (рисунок 1), приводящего к значительному росту цен на электрическую энергию, обеспечение электрической и тепловой энергией населения в данных зонах становится затруднительным и экономически необоснованным. Из-за недостатка топлива и перерывов в электроснабжении сельское хозяйство страны несет огромные убытки, население многих деревень и поселков поставлено на грань выживания. В перспективе перед страной стоит проблема истощения доступных топливных ресурсов уже в первой половине 21 века.

 

Таблица 2 – Зона централизованного энергоснабжения (потенциальные

потребители)

Населенные пункты (чел.)	Садово-огородные  участки и товарищества	Сельские жители, живущие в зонах неустойчивого энергоснабжения	Дефицитные энергосистемы
До 50			44 энергосистемы, общий дефицит составляет 9432 МВт
51-500
501-3000
3001-10000	-
Всего	5000000	6000000

 

 

Рисунок 1 – Мировая цена на нефть

 

В то же время европейские страны обеспокоились энергозависимостью от России. Мировые энергозапасы (из разведанных) истощаются, например нефти осталось на 40 лет, газа – на 70 лет, угля – на 200 лет, урановой руды – на 85 лет [16].

Очевидно, что необходим поиск новых источников энергии и экономия органического топлива. Общая потребность в энергии уже сейчас настолько велика, что вопрос о предпочтении какого-либо вида не возникает - необходимо развивать все источники энергии, в том числе возобновляемые и местные [16].

Мировой опыт развития возобновляемой энергетики показывает, что даже при относительно небольшой поддержке государством, новые источники энергии быстро наращивают мощности и уже дают ощутимую отдачу. Так, Евросоюз принял решение довести к 2020 году долю альтернативной энергетики с 7 до 20%, переходя на биотопливо и уделяя всё больше внимание возобновляемым источникам – энергии солнца, ветра и воды [16].

По данным Международного энергетического агентства (МЭА) производство электроэнергии в мире за счёт использования нетрадиционных источников энергии составляло в 1995 году 168 млрд. кВт·час или 2,2% от общего

мирового производства энергии, а в 2000 году возросло и составило 283 млрд. кВт·час или 3,4% мирового производства электроэнергии [26].

Тенденция развития энергоресурсов представлена на рисунках 2 и 3. Из них явно следует то, что к 2107 году возобновляемые источники энергии достигнут 12% от общего числа.

Одним из основных достоинств объектов малой энергетики является их экологическая безопасность. В процессе их сооружения и последующей эксплуатации обеспечивается сохранение окружающей природы, отсутствуют вредные воздействия результатов строительства на свойства и качество воды, и, тем самым, обеспечивается возможность сохранения рыбохозяйственной значимости водоемов, а также источников водоснабжения населения. Малая ГЭС с установленной мощностью 1 МВт может вырабатывать 4000 МВт·час в год, предотвращая при этом эмиссию 3000 тонн углекислого газа, которые были бы выброшены в окружающую среду при выработке этого же количества электричества электростанцией работающей на угле [19].

 

 

 

Рисунок 2 – Энергоресурсы прошлого (1907 год)

 

 

Рисунок 3 – Энергоресурсы будущего (2107 год)

 

В настоящее время, централизованное электроснабжение отдалённых потребителей от энергосистем, из-за значительных территориальных расстояний, является экономически не эффективным и целесообразно применять децентрализованное электроснабжение.

Выбор малой ГЭС, как источника энергоснабжения для отдалённых потребителей, может явиться альтернативой энергоснабжения (в сложившейся экономической и энергетической ситуации для России) по сравнению с другими источниками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Состояние малой гидроэнергетики в России и за рубежом

 

 

Использование энергии водных потоков, как и использование ветроэнергии, началось давно, несколько тысяч лет тому назад.

В России использование водной энергии в промышленности началось в XVI веке. В качестве двигателей первыми нашли применение подливные водяные колёса. На протяжении столетий вырабатывалась и совершенствовалась техника овладения водной энергией.

В начале ХХ века в России уже действовало большое количество установок на реках, приводимых в действие водной энергией: водяных мельниц-  -крупорушек, разного рода механических приводов и, наконец, примитивных ГЭС. При составлении плана ГОЭЛРО были запланированы к строительству около 40 тысяч гидросиловых установок со средней мощностью 12 лошадиных сил [17].

В 1930-1940 годы, наряду со строительством крупных электростанций в период интенсивной электрификации страны, в целях всемирного подъема народного хозяйства развернулось и строительство малых ГЭС. Из постановления Совета Труда и Обороны СССР от 9 июля 1934 года строительстве мелких гидроэлектростанции видно, насколько большое значение придавалось правительством строительству мелких гидроустановок. В это время резерв мощности возможных к использованию водноэнергетических ресурсов на мелких ГЭС определяется в размере 14 млн. кВт [17].

Более полно потенциальные ресурсы малых и средних рек и возможности их использования на малых ГЭС были рассмотрены в “Схемах использования местных энергетических ресурсов” для электрификации сельского хозяйства. Эти схемы были разработаны в период 1941-1951 годов на местах - в областях, краях и республиках СССР . По материалам «Схем использования местных энергетических ресурсов» Ленинградским филиалом института «ГипроСельЭлектро» (ныне ОАО “Институт ЗападСельЭнергоПроект”) в 1952 году были составлены «Сводные данные об использовании местных энергоресурсов». Эти материалы позволили оценить размеры гидроэнергетических ресурсов малых и средних рек, по которым возможная к использованию величина мощности исчислена в 12,8 млн. кВт. Эта величина для Европейской части составляла 4,7 млн. кВт с выработкой 21 млрд. кВт·ч [17].

В 1954 году этим же институтом была составлена схема электрификации сельского хозяйства СССР на 10-15 лет (1955-1965-1970 года)” [17].

В этой работе были освещены следующие вопросы:

- гидроэнергоресурсы малых и средних рек;

- современное  использование малых гидроэлектростанций для   электрификации сельского хозяйства;

- технико-экономические  показатели сельских ГЭС по  проектам 1950- 1954 годов.

«Принципиальной схемой» выявлены наиболее экономичные ГЭС. В 1961 году в ТЭДе “Перспективы развития электрификации сельского хозяйства СССР на 1959-1980 годы” произведено уточнение численности перспективных малых ГЭС и рекомендовано довести их общую мощность до 2,5 млн. кВт.

Одновременно с разработкой проектной документации велось широкое строительство малых ГЭС, особенно в послевоенные годы. Если в 1945 году было 1093 МГЭС, то уже в 1950 году их стало 6073, то есть за 5 лет было построено около 5000 гидроэлектростанций. Своего максимального значения количество малых ГЭС достигло в 1952 году – 6614 единиц (рисунок 4) [19].

Позднее, когда основным направлением электрификации сельского хозяйства стало централизованное электроснабжение путём присоединения к государственным электросетям, количество малых ГЭС стало уменьшаться вследствие вывода их из эксплуатации, как нерентабельных. Однако, их общая мощность после 1952 года продолжала расти и достигла максимальной величины 481,6 тыс. кВт в 1959 году (рисунок 5). Двадцать лет спустя, в 1979 году осталось всего 405 действующих МГЭС [19]. Очевидно, что использование гидроэнер-гетических ресурсов было невелико по сравнению с возможным и существенно снизилось по сравнению с периодом 1945-1955 годов.

 

 

Рисунок 4 – Количество МГЭС в России с 1926 года по 2002 год.

 

   

Рисунок 5 – Динамика производства электроэнергии МГЭС в России.

Начиная с шестидесятых годов, проектирование и строительство малых ГЭС практически было прекращено, а промышленность Советского Союза прекратила выпуск гидроагрегатов для малых ГЭС.

Одной из основных причин спада в строительстве малых ГЭС были значительные успехи в развитии большой электроэнергетики на базе крупных тепловых, гидравлических и атомных электростанций и электросетевого строительства.

В настоящее время, в России насчитывается около 300 малых ГЭС и 50 микро ГЭС общей мощностью около 1,3 ГВт, которые производят ежегодно около 2,2 млрд. кВт·час электроэнергии. Более 90 % ранее построенных в нашей стране малых ГЭС - списано. В основном списаны мелкие ГЭС мощностью 0,05-0,1 МВт, принадлежавшие колхозам и совхозам. Списывались также и более мощные ГЭС [19].