27 Марта 2018

Ликбез №21: Как запасти мегаватты?

Минус любого объекта генерации – невозможность запасти произведенный продукт, собственно, электроэнергию. Специалисты уверены, что уже в ближайшем будущем эта проблема будет решена с помощью мощных систем хранения – они уже есть, но пока стоят чересчур дорого. И самым оптимальным способом выглядит гидроаккумуляция. Объясняем, как работают ГАЭС.

Поделиться в социальных сетях

В декабре прошлого года отметила свое 30-летие Загорская гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС, входит в «РусГидро»). При мощности в 1200 МВт она остается самым крупным таким объектом в России, а в мировом рейтинге делит 15-20 место с несколькими китайскими, японскими и американскими. 

Принцип действия ГАЭС с технической точки зрения выглядит достаточно просто. Гидроагрегаты таких станций имеют два режима работы: обычный для всех ГЭС режим генерации электроэнергии, и уникальный – режим насоса. В этом режиме ГАЭС получает энергию от стороннего источника, выкачивает воду из нижнего бьефа и по водоводам направляет ее в искусственный водоем, образующий верхний бьеф. И все – станция «заряжена» и готова к работе. В режиме генерации вода сливается из верхнего бьефа в нижний, вырабатывая ток, который передается в сеть. Количество воды, запасенное в бассейне верхнего бьефа, определяет и срок работы ГАЭС в этом режиме – от нескольких часов до нескольких дней (ГАЭС суточного или недельного регулирования). Если учесть, что срок «зарядки» превышает срок генерации всего в полтора-два раза, а количество циклов бесконечно, можно сказать, что ГАЭС представляет собой практически идеальное устройство для хранения энергии. 


Загорская ГАЭС на протяжении многих лет работает как синхронный компенсатор для всей энергосистемы Московской области.

До изобретения крупных аккумуляторов, способных выдавать мощность в несколько сотен мегаватт, ГАЭС были единственным способом хранения электроэнергии в больших количествах и на достаточно долгий срок. К тому же они полностью независимы от сезонных колебаний стока, что часто становится проблемой для «обычных» ГЭС. В режиме насоса, например, Загорская ГАЭС потребляет 1320 МВт, в режиме генерации отдает 1200 МВт – казалось бы, станция имеет отрицательную эффективность? Именно об этом часто пишут в комментариях к статьям о ГАЭС некоторые читатели. Однако надо учитывать не только техническую, но и экономическую составляющую процесса. ГАЭС потребляет энергию ночью или в другие периоды падения спроса, когда цена ее минимальна, а вырабатывает в период пикового потребления, когда спрос и цена максимальные. Таким образом ГАЭС окупает все затраты на строительство, содержание и неизбежные ремонты своего оборудования.

4-4.png

Подобная системная услуга, кстати, особенно востребована в европейской части России, где в структуре мощности преобладают тепловые и атомные станции, эффективные лишь в базовом режиме. Опыт функционирования подобных энергосистем за рубежом показал, что для оптимальной и надежной работы АЭС и ТЭС доля высокоманевренных установок должна быть не менее 25% от суммарной установленной мощности. В том числе доля ГАЭС – не менее 10-12%. Но в России этот показатель пока не превышает 0,5% (в среднем по миру – 1,6%, а в Японии – аж 9%!). 

О том, насколько популярны ГАЭС в мире, говорит не только список крупнейших станций (он открывается ГАЭС «Бас Каунти» в США мощностью 3 ГВт), но и их общее количество - несколько сотен. Как отмечается в ежегодном обзоре «Развитие гидроэнергетики и водохозяйственной инфраструктуры в Северной Евразии и мире (2017 год)», подготовленным экологической коалицией «Реки без границ», в мире рост внимания инвесторов к проектам ГАЭС растет с каждым годом. Новая волна интереса к гидроаккумулированию вызвана тем, что ГАЭС все чаще используются для выравнивания выработки электроэнергии от ВИЭ – главным образом, от ветряных и солнечных электростанций. Бум создания ГАЭС наблюдается повсеместно в странах, нуждающихся в пиковой или маневренной энергии. Ведущие сайты, агентства и организации в области гидроэнергетики уже выделили ГАЭС в отдельную от ГЭС тему для обсуждения, а также особую категорию учета. В 2016 году ввод ГАЭС составил 20% (6 ГВт) от всех вводов в гидроэнергетике по данным Международной ассоциации гидроэнергетики. В 2017 году в строй было введено еще больше ГАЭС. Можно отметить, что зачастую ГАЭС строят в качестве функционального расширения действующей ГЭС, как, например, это произошло на ГЭС «Оровилль» в Калифорнии, Зеленчукской ГЭС/ГАЭС в России или планируемом ныне проекте «Снежные Горы-2» в Австралии.

Почти полная независимость ГАЭС от естественных водоемов позволила проектировщикам изобрести множество вариантов компоновки элементов такой станции. Популярны, например, высоконапорные станции (с перепадом высот 120-150 метров) с деривационными тоннелями и подземным расположением машинного зала – все эти решения позволяют экономить бетон при строительстве и повышают надежность при эксплуатации. В США на многих станциях и нижнее водохранилище делают подземным, в отработанных угольных шахтах или карьерах. 

ГАЭС нужно рассматривать не как отдельную установку, а как элемент энергосистемы в целом. Работа ГАЭС во время падения спроса позволяет выровнять суточный график нагрузки тепловых станций, то есть спасает ТЭС от лишних циклов «пуск – остановка», которые сказываются на оборудовании крайне неблагоприятно. Подсчитано, что агрегаты Загорской ГАЭС включались в различных режимах до 440 раз в месяц – и при этом станция остается одной из самых надежных в энергосистеме Московской области, за 30 лет эксплуатации количество отказов по всем видам оборудования оказалось минимальным. В год Загорская ГАЭС вырабатывает около 2 млрд кВт*часов электроэнергии, что позволяет снизить выработку на тепловых станциях, экономить топливо и сокращать экологическую нагрузку на три соседних области (Московскую, Тверскую и Ярославскую). 

ГАЭС, придуманные в конце XIX века, оказались не столько еще одним источником энергии, сколько «многофункциональным источником оказания системных услуг» - они участвуют в регулировании частоты тока, повышают надежность работы сетей, оптимизируют режим работы транспорта на электрической тяге. Загорская ГАЭС на протяжении многих лет работает как синхронный компенсатор для всей энергосистемы Московской области. Благодаря исключительно высокой маневренности своих установок ГАЭС можно использовать для смягчения последствий техногенных аварий (так, станция сыграла свою роль во время крупной аварии на сетях Москвы 25 мая 2005 года, когда из-за серии аварий на подстанциях, сетях и тепловых станциях без электричества остались несколько миллионов человек и многие промышленные предприятия). 

К преимуществам ГАЭС часто относят и сравнительно небольшие по объему водохранилища. Действительно, чаще всего такие водоемы создают искусственно, а не путем перегораживания русел существующих рек. Загорская ГАЭС, например, стоит на берегу реки Кунья в Сергиево-Посадском районе Подмосковья, ее верхнее водохранилище находится на вершине соседнего холма, в 800 метрах от здания машинного зала. Объем водохранилища превышает 30 млн кубометров, причем полезный объем – 22,4 млн кубометров. В нижнем бьефе русло реки Кунья ограничено двумя небольшими дамбами, образующими проточное водохранилище объемом 39 млн кубометров. Расчетный напор в 100 метров и шесть напорных трубопроводов диаметром 7,5 метров позволяют Загорской ГАЭС работать на максимальной мощности 1200 МВт на протяжении 4 часов.

Успешная работа Загорской ГАЭС лишь подтвердила разработанные еще во времена СССР планы по строительству целой серии аналогичных станций, и в 2007 году началось строительство Загорской ГАЭС-2 с проектной мощностью 840 МВт. Однако 17 сентября 2013 года машинный зал недостроенной станции был затоплен водой. Как установили позднее, произошел размыв грунта под зданием и машинный зал осел на правую сторону. Сказалась особенность Сергиево-Посадского района: здание ГАЭС строили на мягких грунтах, чего обычно не делают. В конец прошлого года «РусГидро» заморозило проект, но лишь для доработки технических решений.

Владимир Скращук Координатор Школы экологической журналистики (Иркутск)