Энергобуфер

Энергобуфер

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) занимают в современной энергетике особое место. Благодаря специфической технологии они дают уникальную возможность двойного регулирования мощности – в генераторном и нагрузочном режимах.

Гидроэлектростанции, как известно, – основной источник высокоманевренных мощностей, способных покрывать пиковые нагрузки в энергосистеме. Однако наряду с пиками графики электрической нагрузки энергосистем имеют и значительные провалы, которые наблюдаются в течение суток, по дням недели, а также сезонам года. И если с пиковыми нагрузками ГЭС успешно справляются, то избыток электроэнергии в «провальные» периоды становится настоящей проблемой. Одним из путей её решения стало аккумулирование гидроэнергии и перераспределение её выдачи в сеть во времени с помощью ГАЭС.

Гибридный конструктив

Подробно о принципе работы и устройстве ГАЭС мы писали в майском «Энерговекторе» за 2012 г. Здесь напомним читателям лишь то, что гидротехнические сооружения ГАЭС в общем случае состоят из двух бассейнов, расположенных на разных уровнях, и соединительного трубопровода.

Во время ночного спада энергопотребления ГАЭС получает из энергосети электроэнергию и с помощью насосов или обратимых гидроагрегатов расходует её на перекачку воды в верхний бьеф (насосный режим). Во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления ГАЭС сбрасывает воду из верхнего бьефа в нижний, вырабатывая при этом дорогую пиковую электроэнергию, которая поступает в электросеть (генераторный режим).

Стоит отметить, что наряду с «чистыми» ГАЭС существуют и станции смешанного типа ГЭС-ГАЭС, в которых одна часть гидроагрегатов работает в обоих режимах (турбинном и насосном), а другая часть – только в турбинном за счёт внешнего притока вод к верхнему водоёму. Подобные гибридные станции способны накапливать больше воды и вырабатывать электроэнергию более длительные периоды времени.

В 2016 г. в Карачаево-Черкесской Республике была пущена первая и пока единственная ГЭС-ГАЭС в России – Зеленчукская. Её строительство шло с большими перерывами в течение долгих 40 лет с 1976 г., и его завершение не раз оказывалось под вопросом.

По изначальному проекту предполагалось построить ГЭС с четырьмя гидроагрегатами мощностью 80 МВт каждый, однако из-за протестов экологов и недостатка финансирования в 1993 г. первоначальный проект был пересмотрен в сторону уменьшения отбора воды и общей мощности станции. В 2006 г. Зеленчукская ГЭС была окончательно достроена. Электроэнергию вырабатывали два радиально-осевых гидроагрегата мощностью по 80 МВт, работающих только в период «большой воды» с марта по сентябрь при расчетном напоре 234 м.

В том же 2006 г. было принято решение о строительстве ГАЭС с использованием конструкций, уже возведённых для двух неустановленных гидроагрегатов. С вводом в 2016 г. ГАЭС с двумя радиально-осевыми насос-турбинами мощностью 70/80 МВт станция стала работать круглогодично.

ГАЭС в мире

Если в России строительство ГАЭС всё ещё «удивительно» и «уникально», то в других странах это довольно обыденное явление. Первые гидроаккумулирующие станции появились в Европе ещё в начале XX века: в 1909 г. – в Швейцарии, в 1928 г. – в Италии, а в 1929 г. – в Чехии и Испании. Все они были оборудованы трёхмашинными гидроагрегатами. В 1930-е были созданы экономичные обратимые гидротурбины, позволяющие существенно снизить стоимость ГАЭС, что подстегнуло интерес к насосному накоплению гидроэнергии. Первая обратимая насос-турбина была установлена в 1937 г. на бразильской ГАЭС Pedreira. Её мощность составила 5,3 МВт.

К началу Второй мировой войны в мире насчитывалось около 20 гидроаккумулирующих станций, а к 1960 г. – свыше 65. В настоящее время в 35 странах мира эксплуатируются около 500 ГАЭС. Наиболее интенсивно это направление развито в США, Японии, Германии, Италии, Франции, Швейцарии. На долю этих стран приходится около 60% общего числа ГАЭС.

А что у нас?

В России действуют всего две гидроаккумулирующие станции – Загорская ГАЭС в Московской области (мощность 1200 МВт в турбинном режиме) и Кубанская ГАЭС на Большом Ставропольском канале в Карачаево-Черкесии (мощность – 15,9 МВт в турбинном режиме) и одна ГЭС-ГАЭС – Зеленчукская, о которой мы уже упоминали выше.

Кубанская ГАЭС была первой гидроаккумулирующей станцией в нашей стране, её пуск состоялся в 1967 г. В отличие от большинства других ГАЭС, она служит не для выравнивания графика нагрузок, а для сезонного регулирования уровня воды в Большом Ставропольском канале.

Загорская ГАЭС – единственная в России чистая гидроаккумулирующая станция, участвующая в автоматическом регулировании частоты и перетоков мощности, а также в покрытии суточных пиковых нагрузок. Решение о её строительстве было принято в 1974 г. Два первых обратимых гидроагрегата были введены в эксплуатацию в декабре 1987 г. На полную же проектную мощность станция вышла только в 2000 г. В настоящее время по полному циклу (заряд-разряд) работают все шесть гидроагрегатов.

В 2007 г. началось строительство второй очереди станции Загорская-2 с проектной мощностью 840 МВт, которую планировалось пустить в эксплуатацию в 2014 г. Однако после осадки и подтопления здания ГАЭС в 2013 г. срок ввода объекта в эксплуатацию сдвинулся на 2019–2020 гг.

Под одну гребёнку

В энергосистеме Европейской части России, которая характеризуется большими пиковыми нагрузками и значительными ночными провалами, чрезвычайно остро стоит вопрос развития высокоманевренных мощностей и потребления избытка электроэнергии ночью. По данным Системного оператора, в ОЭС Центра ночные избытки мощности составляют 2–3 ГВт, для ОЭС Северо-Запада – 1,5–2 ГВт.

Эта проблема усугубляется в связи с устойчивой тенденцией укрупнения маломаневренных энергоблоков на тепловых и атомных электростанциях и практически исчерпанными ресурсами гидроэнергии в Европейской части России.

Строительство ГАЭС дало бы ощутимый положительный эффект в виде повышенной надёжности ЕЭС России. Однако при современном законодательстве практически невозможно обосновать экономическую эффективность строительства новых ГАЭС: при оценке эффективности таких электростанций их рассматривают как обычные генерирующие объекты без учёта услуг общесистемного характера.

Формально, при существующем подходе к оценке рентабельности, ГАЭС вообще считаются убыточными. Ведь сама технология ГАЭС предполагает большие потери электроэнергии: ГАЭС возвращает в энергосистему около 70–75% потреблённой электроэнергии, расходуя остальное на собственные нужды. Однако в крупных энергосистемах, где большую долю мощности составляют маломаневренные тепловые и атомные электростанции, ГАЭС крайне полезны для выполнения широкого спектра режимных функций – таких, как покрытие пиков нагрузки, улучшение режимов работы ТЭС и АЭС, облегчение условий восстановления сетей после крупных системных аварий, регулирование частоты и мощности в периоды интенсивных подъёмов и сбросов нагрузки и др. Эффекты от применения ГАЭС описываются скорее в качественных терминах, чем количественных, а нормативно-правовая база для их оценки в России пока не разработана.

Отказать нельзя построить

Яркой манифестацией дефектов нормативной базы стал отказ от строительства Ленинградской ГАЭС, которая предназначалась для покрытия дефицита электроэнергии, возникающего в ОЭС Северо-Запада в пиковые и полупиковые периоды потребления. Станция должна была стать крупным источником маневренной мощности общесистемного назначения.

В 2007 г. проект ГАЭС (разработанный ещё в 1980-х) был записан в Программу развития гидроэнергетики страны до 2020 г., но долго оставался перспективным проектом компании «РусГидро», не включённым в её инвестиционную программу. Активная фаза проекта началась лишь в ноябре 2014 г., когда было создано совместное предприятие «РусГидро» и китайской компании PowerChina. Были получены положительное заключение Госэкспертизы и разрешение на строительство, подготовлены площадки и выстроено несколько объектов ГАЭС.

Однако в августе 2017 г. ПАО «РусГидро» отказалось от реализации инвестпроекта из-за «отсутствия рыночных механизмов для обеспечения экономической эффективности и окупаемости инвестиций». Компания, которая сегодня проводит жёсткую оптимизацию расходов, не может самостоятельно оплатить постройку ГАЭС или привлечь заёмный капитал без гарантий его возврата. Строительство станции было остановлено, а «РусГидро» теперь должно ликвидировать объекты электростанции и рекультивировать участки в пределах прежних стройплощадок.

Тем временем весь остальной мир подтверждает, что ГАЭС полезны для живучести энергосистем, повышения экономичности, надёжности электроснабжения и качества поставляемой электроэнергии. В правилах работы энергорынков за рубежом прописаны различные механизмы, которые обеспечивают окупаемость ГАЭС и стимулируют их строительство.

Считается, что для оптимизации энергосистемы с преобладанием ТЭС и АЭС необходимо иметь ГАЭС с суммарной мощностью 10–12% от общей генерирующей мощности. Для достижения таких показателей в России необходимо построить не менее десятка крупных ГАЭС.