Борис Марцинкевич. Большой вклад малых ГЭС в энергетику Кавказа

Панорама на Загорскую ГАЭС-2, Фото: russos.livejournal.com

Темой проходившего с 6 по 8 июня Петербургского международного экономического форума стало «Формируя цели устойчивого развития». Эта повестка — цели устойчивого развития, несколько лет назад были сформулированы ООН как всеобщая «Программа-2030», реализация которой стала задачей для всего международного сообщества. В программе ООН сформулированы 17 целей устойчивого развития, достижение которых возможно только при комплексном подходе, только в том случае, если пути достижения этих целей будут согласованы друг с другом, если появится единый алгоритм действий. Не простая задача, над которой приходится размышлять руководителям государств, политикам, экспертному сообществу, руководителям крупных инвестиционных фондов и банков, предпринимателям, ведущим дела в самых разных отраслях экономики.

Но у всего многообразия мнений, у всех диспутов и «круглых столов», прошедших на ПМЭФ, есть общая база: программу ООН невозможно реализовать без достижения цели, имеющей порядковый номер «7» — «Обеспечение доступа к недорогостоящим, надежным, устойчивым, и современным источникам энергии для всех». Ликвидация нищеты, голода, безработицы, повышение качества медицинского обеспечения и так далее — все это становится возможным только в том случае, если будет решена задача обеспечения недорогими источниками энергии в тех странах, перед которыми перечисленные проблемы стоят наиболее остро.

Гидроэнергетика — это тоже ВИЭ

При этом более 150 государств мира подписали Парижское соглашение по климату, предполагающее принятие всех возможных мер для недопущения подъема глобальной температуры к 2050 году более, чем на 1,5 градуса. С учетом того, что в настоящее время, по данным ООН, не менее полутора миллиардов человек имеют только ограниченный доступ к электроэнергии или не имеют его вовсе, задача оказывается весьма нетривиальной. Гипотеза о том, что решающий вклад в глобальное изменение климата вносит человеческая цивилизация, достаточно спорен, но энергетические компании многих стран предпочитают ориентироваться не на мнение ученых, ведущих споры, а на то, что под текстом Парижского соглашения поставлены подписи руководителей государств, на территории которых эти компании зарегистрированы. Одним из результатов такого выбора действий стало форсированное развитие солнечных и ветровых электростанций в целом ряде стран Европы, но такой вид генерации не подходит под определение, данное в Программе ООН — эти источники не являются надежными и устойчивыми. Профессионалы-энергетики относят их к прерывистой альтернативной генерации, поскольку работа солнечных и ветровых электростанций слишком сильно зависит от времени суток и года, прекращение их работы не зависит от действий диспетчеров объединенных энергосистем. Поднимать уровень здравоохранения за счет госпиталей, которые не работают по ночам, где хирурги ждут хорошего ветра, решать проблемы строительства новых жилых домов, для окон которых невозможно отлить стекло — это ведь происходит на производствах непрерывного цикла?

Надежность и устойчивость генерации энергии обеспечивают только ее традиционные источники — те, которые работают за счет использования энергии угля, природного газа, энергии атомных ядер и энергии падающей воды, ведь они работают тогда, когда в этом есть необходимость, есть спрос со стороны потребителей. Парижское соглашение по климату называют основной нагрузкой на экологию со стороны энергетики углекислый газ, который образуется при сжигании органических энергетических ресурсов, и тут есть своя «табель о рангах».

Больше всего углекислого газа, серы и оксидов азота образуется при сжигании углей, в два раза меньше вредные выбросы при сжигании природного газа, а вот ГЭС и АЭС с этой проблемой не сталкиваются, при этом генерация на них диспетчиризуема, то есть происходит тогда и так, как это требуется диспетчерам энергетических систем. Простая логика подсказывает, что для одновременного выполнения положений и Программы устойчивого развития ООН, и Парижского соглашения по климату имеется только один разумный вариант — изменение мирового топливного баланса энергетики в пользу безуглеродной генерации на ГЭС и на АЭС, всемерное развитие технологий сжигания углей, строительство газовых электростанций как станций замещения для угольных. Солнечные и ветровые электростанции строить имеет смысл только в тех случаях, когда это оправдано с экономической точки зрения и не приводит к разбалансировке объединенных энергосистем.

ГЭС бывают разные

Об атомной энергетике Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru пишет довольно часто, но это не значит, что гидроэнергетика должна оставаться вне поля нашего внимания. Напомним, что гидропотенциал России для целей производства электроэнергии использован всего на 20% потому потенциал развития гидроэнергетики теоретически более, чем просто велик — он огромен, и это тот самый вид генерации, который на все 100% отвечает требованиям и Программы ООН, и положениям Парижского соглашения по климату. Слово «теоретически» использовано не случайно — не все так просто со строительством новых ГЭС. Их возведение предусматривает обустройство водохранилищ, что далеко не всегда всем нравится — возникают проблемы отселения населенных пунктов из зоны затопления, никому не хочется отдавать под водохранилища сельскохозяйственные угодья. Впрочем, и тут не все однозначно — на территории России хватает регионов, где нет ни той ни другой проблемы, ведь самые крупные реки России — за Уралом, в Сибири, где и с сельскохозяйственными землями, и с плотностью населения дела обстоят так, что водохранилища никому никаких тревог не доставят.

Намного серьезнее другая проблема — последние годы рост потребления электроэнергии в России составляет от 1 до 2%, с таким ростом вполне справляются тепловые электростанции (использующие угли и природный газ), наше население и промышленность развиваются куда медленнее, чем хотелось бы. Но гидроэлектростанции бывают не только такими, к которым все мы привыкли: плотина поперек реки, огромное зеркало водохранилища, неумолчный шум падающей воды, которая где-то там, в загадочных глубинах плотины, вращает лопасти гидроагрегатов. Есть еще два типа гидроэлектростанций, о которых мы вспоминаем намного реже — деривационные и гидроаккумулирующие (ГАЭС), но в этот раз мы не будем разбираться во всех технических тонкостях их устройства, остановимся на самом кратком описании.

Деривационные ГЭС

В последнее время слова «Закавказье» и «Кавказ» в прессе мелькают часто, но мы не про политику, а про энергетику. Ассоциативный ряд прост: Кавказ — это горы, горы — это стремительные реки, это сложный рельеф, это не самые большие по численности города и поселки, а российский Кавказ это тот регион, потенциал развития которого огромен из-за демографических особенностей. Численность населения растет намного быстрее, чем в среднем по России, что дает возможность размещать здесь новые и новые производства. А вот с наращиванием электрогенерации тут как раз непросто. Варианты таскать по горам составы угля, пробивать тоннели под магистрали газопроводов, перегораживать горные реки могучими плотинами, обустраивать в такой местности крупные водохранилища — с экономической точки зрения, прямо скажем, не очень выгодно. Строить крупные электростанции в самых удобных местах и решать проблемы за счет прокладывания ЛЭП — тоже не самый оптимальный путь решения проблемы: горные лавины и сели, от которых никто не застрахован, способны обесточить целые районы, причем всерьез и надолго. Но, как известно, не каждый инженер — энергетик, зато каждый энергетик всегда чуть-чуть инженер, потому и с таким вот комплектом проблем путь решения был найден, и называется он деривационные ГЭС.

Если совсем коротко, то в деривационных ГЭС напор создается с помощью каналов, тоннелей, труб больших диаметров, которые энергетики обобщенно называют «деривационными водоводами», которые забирают в себя часть воды из реки, а порой и из нескольких рек. Плотину, которая перекрывает течение реки, используют не для создания напора, как в случае «классических» ГЭС, а для того, чтобы направить часть воды в деривационный канал, в конце которого и строится здание со всеми привычными атрибутами — гидроагрегатами, турбинами, системой вывода вырабатываемой мощности в сеть электропередач. Деривационные каналы идут более-менее параллельно течению реки, а после того, как вода проходит через гидроагрегаты, ее возвращают в основное русло. Нагрузка на экологическую систему минимальна, а нужный результат в виде быстро бегущих по проводам киловаттов энергии достигается. Повторимся — это самое общее описание, более подробное — не в этот раз.

Гидроаккумулирующие электростанции

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) — некий гибрид ГЭС и «большого аккумулятора», что очевидно из названия. Визуально от «классических ГЭС» они отличаются тем, что имеют не только верхнее, но еще и нижнее водохранилище. Аккумулирование электроэнергии обеспечивается за счет возможности насосами забрать воду из нижнего водохранилища и перекачать ее в верхнее водохранилище, что делают в ночное время, когда спрос со стороны потребителей минимален. В период пикового спроса (утро, город проснулся и массово отправился на производства) вода через гидроагрегаты сбрасывается из верхнего водохранилища в нижнее. В тех странах, где разница между ночным и дневным тарифами значительна — это способ заработать деньги: ночью используем дешевую электроэнергию тепловых и атомных электростанций, чтобы насосы перекачали воду снизу вверх, в утренние часы, когда стоимость электроэнергии максимальна, зарабатываем свою трудовую копейку. Но это далеко не самое главное, польза, которую получают базовые электростанции, более значительна — мощные тепловые и атомные электростанции могут не менять режим работы, поскольку в ночное время ГАЭС становятся для них дополнительной нагрузкой, компенсирующей отключение всех остальных потребителей.

Любой автовладелец знает, что езда на одной скорости позволяет экономить топливо и увеличивает срок службы двигателя. В случае с тепловыми и атомными электростанциями все ровно то же самое, но в больших масштабах — увеличивается коэффициент установленной мощности этих станций, растет их срок эксплуатации. Современные ГАЭС оборудуются обратимыми агрегатами, которые способны работать и в режиме «двигатель-насос», так и в режиме «турбина-генератор». Машиностроители научились делать обратимые агрегаты максимально маневренными, число их пусков может достигать 500-700 в месяц. Для примера: во Франции за счет систем «базовая электростанция — ГАЭС» покрывается суточное изменение нагрузки объединенной энергосистемы до 15%. Энергосистема Франции — наиболее декарбонизированная в Европе, ее пары ГАЭС-АЭС работают без вредных выбросов в атмосферу, зато максимально надежно. Противоположный пример, к сожалению — Россия, у нас в настоящее время работают только Кубанская ГАЭС (мощность 15,9 МВт), Загорская ГАЭС (мощность 1200 МВт) и Зеленчукская ГЭС-ГАЭС (мощность 300 МВт). При этом в энергосистемах Северо-Запада и Центра России, где имеется наибольший дефицит маневренной мощности, естественные перепады рельефа позволяют сооружать ГАЭС с небольшим напором (80 — 110 метров).

«Гидроарифметика»

7 июня, во второй день работы ПМЭФ-2019 руководителем РусГидро Николаем Шульгиновым и главой Карачаево-Черкессии Рашидом Темрезовым было подписано соглашение о строительстве на территории этой республики двух Красногорских малых ГЭС. Мощность каждой малой ГЭС составит 24,9 МВт, каждая из них за год будет вырабатывать по 41,9 млн кВт*часов. Будут возведены два здания ГЭС, плотина длиной 148 метров и высотой 31,4 метра с водосбросом, а также правобережная защитная дамба длиной 475 метров. Каждая малая ГЭС будет оснащена двумя гидроагрегатами мощностью по 12,45 МВт с поворотно-лопастными гидротурбинами, рассчитанными на работу на напоре 24,9 метра.

Малые ГЭС, небольшие плотины, небольшая мощность, все скромно, в 2021 и в 2022 годах работа уже будет закончена — стоит ли обращать особое внимание на такой проект? Но это только в том случае, если не присматриваться к проекту внимательнее. Начнем с того, что РусГидро получила возможность приступить к строительству Красногорских ГЭС в результате победы этого инвестиционного проекта на конкурсе в рамках программы «ДПМ-ВИЭ», договоров на поставку мощности для возобновляемых источников энергии, что обеспечивает окупаемость их строительства. Станции спроектированы институтом «Мособлгидропроект», входящим в структуру РусГидро, проекты уверенно получили положительное заключение Госэкспертизы России — значит, компетенции специалистов сохранены, что не может не радовать.

Второй немаловажный момент — Красногорские малые ГЭС (МГЭС) строятся на реке Кубань и будут располагаться ниже по течению по отношению к Зеленчукской ГЭС-ГАЭС. А это уже классика жанра, ГЭС и контрГЭС, Красногорские МГЭС будут не только вырабатывать электроэнергию, но и выравнивать в своем водохранилище колебания уровня воды, которые возникают при изменении режимов работы Зеленчукской ГЭС-ГАЭС, в результате чего будут сняты сезонные ограничения ее мощности, составляющие 70 МВт. Оптимизированный водный режим Кубани позволит увеличить выработку электроэнергии на расположенных ниже по течению станциях Каскада Кубанских ГЭС на 230 млн кВт*часов.

Еще раз то же самое, но коротко: строятся две МГЭС, каждая из которых будет за год вырабатывать по 83,8 млн кВт*часов энергии, но при этом выработка Каскада Кубанских ГЭС вырастет еще на 230 млн кВт*часов в год. Вот такая «гидроарифметика»: 83,8 + 83,8 = 397,86, как бы удивительно это не выглядело.

«Фокус» в том, что каскад Кубанских ГЭС состоит из Куршавских, Барсучковских и Сенгилеевских ГЭС, в их составе — девять ГЭС и одна ГАЭС, поэтому с математической точки зрения, тут нужно использовать не «плюс», а знак интеграла и применять правила высшей математики. Ни одна другая отрасль энергетики такого мультипликативного эффекта для генерации не дает, такое возможно только на каскадах ГЭС, в составе которых имеется и ГАЭС. Так что, уважаемые строители АЭС, угольных и газовых электростанций, у редакции Геоэнергетики имеется к вам просьба: завидуйте, пожалуйста, молча, у вас ведь все равно такого никогда не получится.

Кроме всего сказанного, подписанное соглашение предусматривает, что РусГидро примет участие в разработке технического решения и частичном финансировании работ по сооружению системы водоснабжения потребителей Карачаевского и Усть-Джегутинского районов, а вот этот проект имеет социальное значение для Карачаево-Черкессии, поскольку серьезно улучшит качество жизни населения. Но и самой республике придется поработать — помочь оформить права на земельные участки, документацию градостроительную, землеустроительную и так далее. Законодательство России весьма жестко подходит к проектам строительства ГЭС, без помощи местной власти справиться со своевременным оформлением всех предусмотренных документов не просто, а обеспечить получение необходимого заключения историко-культурной экспертизы о достаточном уровне выполнения археологических охранно-спасательных мероприятий вообще маловероятно.

Но сомневаться в том, что власти Карачаево-Черкессии помогут РусГидро реализовать проект строительства Красногорских МГЭС, не приходится — это обеспечит республике порядка 700 новых рабочих мест. Тем более, что сотрудничество РусГидро и Карачаево-Черкессии идет давно и успешно: напомним, что в 2016 году РусГидро ввела в эксплуатацию два гидроагрегата Зеленчукской ГЭС-ГАЭС мощностью 140/156 МВт (в турбинном/насосном режиме), в 2018 году — малую ГЭС на реке Большой Зеленчук мощностью 1,26 МВт, также РусГидро ведет строительство Усть-Джегутинской МГЭС мощностью 5,6 МВт, пуск которой намечен на 2019 год. В разное время на территории Карачаево-Черкессии были до той или иной степени готовности доведены проекты строительства более десятка малых ГЭС, поэтому нельзя исключать, что сотрудничество республики с компанией РусГидро будет продолжаться и расширяться. Спрос на электроэнергию в Карачаево-Черкессии растет быстрее, чем в среднем по России, квоты на строительство малых ГЭС по программе ДПМ-ВИЭ, скорее всего, будут сохранены, и нам остается следить, какие проекты и когда будут переходить на стадию строительства.

Малые ГЭС — скорость и мультипликативность результатов

Есть у малых ГЭС и еще одно существенное преимущество по сравнению со всеми другими типами электростанций — короткие сроки строительства, да и инвестиции в их создание не так велики. Малые ГЭС с их минимальным воздействием на окружающую среду — оптимальный способ надежного обеспечения электроэнергией горных районов, ведь прокладка протяженных линий электропередач (что само по себе в горной местности зачастую становится сложнейшей операцией) в горах всегда несет в себе риск именно из-за особенностей горной местности — обвалы, лавины, сели, от которых никто не застрахован, а в результате удаленные поселения по несколько дней остаются без электроэнергии. МГЭС располагают рядом с потребителями — это намного надежнее.

Как пример — уже упомянутая Усть-Джегутинская МГЭС, строительство которой было начато в июле 2018 года. РусГидро возводит ее возле уже существующего водохозяйственного гидроузла на Кубани, который обеспечивает забор воды в Большой Ставропольский канал, при этом вся остальная вода пропускалась и пока еще пропускается через водосброс обратно в Кубань. Соответственно, проект этой МГЭС использует уже готовые подпорные сооружения, что снижает стоимость строительства, а воздействие на окружающую среду сведено к минимуму. Время на строительство займет чуть больше года, в течение которого гидростроители построят само здание МГЭС, водозаборное сооружение, напорные трубопроводы и смонтируют поворотно-лопастные гидротурбины.

Весной 2019 года свою часть работы начало выполнять и «Карачаево-Черкессэнерго» — идет техническое перевооружение подстанции «Головная», которой предстоит принять мощности новой МГЭС. Россети и РусГидро работают практически синхронно, так что никаких сомнений — с 2020 года энергосистема Карачаево-Черкессии будет получать с нового объекта генерации 25,6 млн кВт*часов электроэнергии. При этом конструкция возводимой станции предусматривает возможность ее расширения с монтажом дополнительного гидроагрегата, в этом случае мощность Усть-Джегутинской МГЭС вырастет до 8,4 МВт. Конечно, цифры не гигантские, но ведь и Карачаево-Черкессия — далеко не самый крупный регион России, тут каждый мегаватт*час на счету, поскольку республика испытывает дефицит электроэнергии. Кроме этой МГЭС на том же Большом Ставропольском водоканале РусГидро ведет строительство еще одной — Барсучковской, используя тот же принцип: используются уже существующие подпорные сооружения, строятся только напорные трубопроводы и здание ГЭС. Мощность Барсучковской МГЭС будет почти такая же, как и Усть-Джегутинской — 5,25 МВт, что обеспечит Карачаево-Черкессии еще 29,3 млн кВт*часов энергии ежегодно. С учетом той выработки электроэнергии, которую обеспечат Красногорские МГЭС, энергосистема северокавказской республики получит весьма солидную прибавку, а это не только надежное обеспечение электроэнергией жилых домов, но уже и возможность развивать экономику.

Малые ГЭС строятся быстро еще и потому, что РусГидро старается свести к минимуму промежуток между подписанием договора на строительство и его началом. Соглашение с руководством Карачаево-Черкессии о строительстве Красногорских МГЭС было подписано 7 июня 2019 года, а уже 19-го генеральный директор РусГидро Николай Шульгинов и глава республики Рашид Темрезов участвовали в торжественной церемонии начала работ. В 2021 году начнется наполнение Красногорского водохранилища и уже в 2022 году Красногорские МГЭС будут сданы в эксплуатацию.

К рассказам о том, как выглядит ситуация со строительством более «солидных» ГЭС и ГАЭС, как идет реализация планов у РусГидро на Дальнем Востоке, как идет развитие ВИЭ-энергетики в Якутии в дальнейшем мы будем возвращаться неоднократно.