Книга адресована специалистам-гидроэнергетикам, персоналу гаэс, проектировщикам, преподавателям и студентам гидроэнергетических специальностей. Может быть полезна также специалистамэнергетикам

ВВеДенИе

Вопросы использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) актуальны для всех стран мира в силу различных обстоятельств. Для промышленно развитых стран мира, зависящих от импорта топливно-энергетических ресурсов это, прежде всего, энергетическая безопасность. Для промышленно развитых стран, богатых энергоресурсами, – это экологическая безопасность. Для развивающихся стран – это наиболее быстрый путь к улучшению социальнобытовых условий жизни населения, возможность развития промышленности по экологически приемлемому пути. А для всего мира в целом – это возможность уменьшения выбросов парниковых газов.
Однако роль ВИЭ не исчерпывается энергетикой. Они положительным образом влияют на решение трех глобальных проблем человечества: энергетики, экологии, продовольствия.
Как известно, при населении, составляющем 2,4 % населения мира, Россия обладает 12 % мировых запасов нефти, 35 % мировых запасов газа, 16 % – угля и 14 % – урана. Это создает иллюзию, что по условию наличия топливно-энергетических ресурсов энергетический кризис нам не грозит. Однако ежегодно повторяющиеся острейшие энергетические ситуации в ряде регионов России показывают, что это не так.
Актуальность развития ВИЭ в России обусловлена следующими обстоятельствами.

1. 
   Необходимость обеспечения устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения, в первую очередь в районах Крайнего Севера и приравненных к ним территорий.
   

На топливо и его завоз в районы Крайнего Севера ежегодно затрачиваются огромные финансовые ресурсы, и тем не менее это не гарантирует надежности энергоснабжения. Между тем во всех этих регионах имеются возобновляемые источники энергии, которые могут обеспечить их энергетические потребности на 70–90 %.

2. 
   Важность обеспечения гарантированного минимума энерго- снабжения населения и производства (особенно сельскохозяйственного) в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения (в дефицитных энергосистемах).
   
3. 
   Необходимость резкого снижения вредных выбросов от энергетических установок в городах и местах массового отдыха населения в связи со сложной экологической обстановкой.
   

К ВИЭ относятся: энергия солнца, ветра, рек и водотоков, морских приливов и волн, тепловая энергия земли (геотермальная) и гидросферы (тепло воздуха и вод океанов, морей и крупных водо- емов), а также энергия биомассы.
Нас из этого перечня интересует, в первую очередь, гидроэнергетика. Виды гидроэнергии и способы ее освоения различны. Это прежде всего потенциал энергии рек и водотоков, который в мире оценивается величиной в 8100 млрд кВт·ч. Степень освоения гидроресурсов в мире составляет примерно 30 %, в том числе в России – 20 %, во Франции, Канаде и Норвегии – 70–90 %, США и Бразилии – 50 %.
Установленная мощность всех действующих ГЭС в мире составляет 670 ГВт, вырабатываемая электроэнергия – около 2700 млрд кВт·ч. В России эти показатели составляют соответственно: потенциал – 600 млрд кВт·ч, установленная мощность ГЭС – около 46 млн кВт и выработка электроэнергии – 160 млрд кВт·ч. При этом потенциал малых и микроГЭС использован приблизительно на 0,5 %, а число малых ГЭС с 5 тыс. в 50-х гг. прошлого века сократилось до 300 к началу XXI столетия. В настоящее время разработана программа восстановления и дальнейшего развития малой гидроэнергетики.
Итоги последнего десятилетия свидетельствуют о нарастающей опасности утраты гидроэнергетикой ее стратегического значения на национальном уровне. По производству гидроэлектроэнергии Россия переместилась с третьего на пятое место в мире, уступая Канаде, Китаю, Бразилии и США.
Поэтому в настоящее время разработана (и частично уже реализуется) программа развития гидроэнергетических мощностей на период до 2020 г., предусматривающая ввод генерирующих мощностей на вновь строящихся ГЭС суммарно 24 495 МВт, в том числе:
в ОЭС Северо-Запада – 182 МВт;
Юга – 2324 МВт; Сибири – 15 090 МВт; Востока – 6899 МВт.
Крупным возобновляемым энергоресурсом является приливная энергия. Возобновляемая, экологически безопасная и экономически оправданная энергия морских приливов является важным источником энергии наряду с традиционными источниками гидро- энергии – потенциальной энергией рек.
7
Взаимодействие космических сил системы Земля–Луна–Солн- це приводит в действие огромные массы воды в Мировом океане. В результате в одних местах Земли через каждые 12 ч 25 мин, а в других через 24 ч 50 мин волна приливов наступает на берег и плавно повышает прибрежный уровень воды. Высота этого подъема в зависимости от взаиморасположения указанных космических тел, формы береговой линии и некоторых других топографических факторов колеблется от нескольких сантиметров до многих метров.
Мировые ресурсы приливной энергии оцениваются в 1000 млрд кВт·ч. Однако использование этой энергии затрудняется ее пульсирующим, прерывистым характером.
В настоящее время в мире действуют десять приливных электростанций (ПЭС), в том числе промышленная ПЭС Ранс во Франции (240 МВт), опытная ПЭС Аннаполис в Канаде (20 МВт).
В России на Кольском полуострове действует одна из первых в мире экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 450 (630) кВт. На этой ПЭС проводятся исследования по отработке режимов работы, изучению энергетических характеристик турбин нового типа – ортогональных, изучению воздействия ПЭС на окружающую среду, материаловедческие исследования.
В последнее десятилетие за рубежом разработаны проекты крупных ПЭС: в Великобритании (Северн – 0,62 млн кВт и Мерсей – 0,7 млн кВт), в Канаде (Кемберленд – 1,15 млн кВт и Кобекуид – 4,0 млн кВт); ведутся проектные работы в Австралии, в Индии (Калпасар – 6,0 млн кВт и Кутч – 10,0 млн кВт) и в Аргентине; начато строительство ПЭС Гаролин в Корее (0,48 млн кВт) и т. д.
Ведутся проектные работы и в России, где многолетний опыт эксплуатации и научные исследования на Кислогубской ПЭС позволили обосновать проекты мощных ПЭС глобального значения, осуществление которых достаточно вероятно уже в первые десятилетия наступившего XXI века. Наиболее проработанными в этом отношении являются ПЭС, по которым уже выполнены техникоэкономические обоснования (ТЭО) или предварительные проектные проработки: Мезенская в Белом море установленной мощностью 8 млн кВт, Тугурская мощностью 8 млн кВт на Дальнем Востоке и Пенжинская в бассейне Охотского моря мощностью 87 млн кВт. Начато рабочее проектирование Кольской опытно-промышленной ПЭС мощностью 32 МВт, на которой предполагается применить ортогональные турбины диаметром 5 м.
Российская «наплавная» технология строительства ПЭС, апробированная на Кислогубской ПЭС и на строительстве защитной дамбы от наводнений в Санкт-Петербурге, позволяет значительно снизить капитальные затраты по сравнению с классическим способом строительства гидротехнических сооружений за перемычками.
Комплекс проектных и научно-исследовательских работ по созданию морских энергетических и гидротехнических сооружений на побережье и шельфе, проводимых в условиях Крайнего Севера, позволяет в полной мере реализовать все преимущества приливной гидроэнергетики.
Особое место в числе различных видов гидроэнергетики занимают ГАЭС. Благодаря специфической технологии ГАЭС дают уникальную возможность двойного регулирования мощности – в генераторном и нагрузочном режимах. Это позволяет использовать ГАЭС при решении широкого диапазона режимных задач, связанных с потребностями в регулировании: работа в интересах Системного оператора Единой энергетиче-
ской системы (ЕЭС) России по регулированию суточного графика нагрузки, перетоков по транзитным связям, напряжения и частоты; регулирование режимов «тепловых» изолированных энергоси-
стем; оптимизация работы тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанций, улучшение их технико-экономических показателей, снижение вредных выбросов в атмосферу; совместная работа с ПЭС;
осуществление функций быстро вводимого аварийного резерва
генерирующей мощности.
Гидроаккумулирующие электростанции получили широкое распространение в мире: по состоянию на 2005 г. их общее количество достигло 460; в настоящее время строится около 40 новых ГАЭС во многих странах мира.
Актуальность развития генерирующих мощностей гидроаккумулирующего типа в России обусловлена дефицитом маневренных регулирующих мощностей, особенно в Европейской части страны.
В соответствии с долгосрочной программой развития гидро- энергетики в Европейской части России в период до 2020 г. планируется построить не менее 8 ГАЭС общей установленной мощностью около 6,5 млн кВт. Ввод этих ГАЭС позволит в значительной мере оптимизировать режимы работы энергообъединений, повысить качество и надежность электроснабжения.