ГАЭС — перспективы проекта

• Г.В. Дегтярев — зав. кафедрой строительного производства КубГАУ, д.т.н., профессор
• С.В. Дейнеко — генеральный директор ООО «Газпромбанк Инвест-Кубань»
• Б.Н. Пономаренко — президент АНТиСП, к.т.н., профессор
• Ш.Н. Путуридзе — вице-президент и гл. уч. секретарь АНТиСП, к.т.н., профессор
• В.З. Птицин — зам. главного инженера ОАО «Кубаньэнерго»
• Н.В. Галаган — начальник отдела автоматизации ОАО «Краснодаргражданпроект»

Несоответствие маневренных возможностей электростанций требованиям графика электропотребления приводит к значительным режимным затруднениям и ухудшению экономических показателей работы энергосистемы. В последние годы в крае регулярно случаются снижения частоты в часы максимума нагрузки до 49,5–49,7 Гц, вынужденные отключения потребителей. Именно для покрытия пиков и заполнения глубоких провалов электрической нагрузки энергосистем предназначаются ГАЭС.

Технические характеристики

В традиционном представлении гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) включает верхний и нижний бассейны, связанные трубопроводной системой, и машинное здание, выполняемое в подземном, полуподземном или поверхностном исполнении. При покрытии пиков нагрузки ГАЭС работают в турбинном режиме и вырабатывают электрическую энергию. При этом происходит сработка верхнего и заполнение нижнего бассейна. В часы пониженной нагрузки энергосистемы ГАЭС работает в насосном режиме и перекачивает воду из нижнего бассейна в верхний. Верхний бассейн устраивается путем частичной срезки и обвалования возвышенности или путем сооружения плотины в ущелье, в долине реки и т.п.

При наличии высокогорного озера оно может быть использовано в качестве верхнего бассейна. Нижним бассейном может служить водохранилище, озеро или даже море. На ГАЭС чаще всего применяется схема компоновки сооружений с напорными насосо-турбинными водоводами — трубопроводами или штольнями. Непосредственно у верхнего бассейна сооружается водоприемник, через который вода по напорным водоводам поступает к турбинам и насосами подается в верхний бассейн. Эффективность строительства ГАЭС зависит от наличия благоприятного рельефа местности, который способствовал бы получению возможно большего перепада между бассейнами при наименьшем расстоянии между ними и при возможно меньшем объеме работ для создания этих бассейнов.

Суточные графики нагрузки электросистемы в крае характеризуются непродолжительными (по 2–3 часа) явно выраженными утренними и вечерними пиками и глубокими провалами в ночное время нагрузки. Коэффициент суточной нагрузки по Краснодарскому краю в среднем составляет 0,8, изменяясь от 0,75 до 0,85. Коэффициент неравномерности графика (отношение минимальной нагрузки графика к максимальной) в зависимости от времени года и дня недели изменяется в диапазоне от 0,60 до 0,70, а в понедельник снижается до 0,5–0,55. ГАЭС обладают максимальными маневровыми преимуществами.

В отличие от других типов маневровых электростанций, которые могут перекрывать только пиковые нагрузки, ГАЭС могут работать в насосном режиме в провале графика электрической нагрузки, обеспечивая более благоприятный базисный режим тепловых и атомных электростанций. Дополнительно к основным функциям ГАЭС привлекаются к регулированию частоты и напряжения в электрической сети, а при необходимости и к несению функций быстро вводимого аварийного резерва. Высокая маневренность ГАЭС определяется малым временем включения в работу, набора и сброса нагрузки. Так, пуск обратимых агрегатов ГАЭС из нерабочего состояния в турбинный режим с набором полной нагрузки составляет 2–3 минуты. Пуск этих агрегатов в насосный режим из нерабочего состояния в зависимости от мощности машин и способа пуска колеблется в пределах 5–6 минут. Время перевода из турбинного в насосный режим достигает 8–10 минут.

Мировые тенденции

В мире эксплуатируется около 300 ГАЭС, охватывающих диапазон напоров от нескольких метров практически до 2 тыс. м. В стадии проектирования и подготовки к строительству находится порядка 100 станций. Наибольшее количество эксплуатируемых и строящихся ГАЭС сосредоточено в Японии, США, Германии, Австрии и Швейцарии. На долю этих стран приходятся около 3/4 действующих станций. Несколько меньше станций в Италии, Франции и Испании (до 10–12 в каждой стране). Становятся на путь более широкого строительства как страны с бедными гидроресурсами (например, Великобритания, Польша, Германия), так и богатые ими (Норвегия, Австралия и др.).

В России имеется только одна ГАЭС — Загорская-1 мощностью 1200 МВт, строительство которой завершено в 1995 году в Московской области в 20 км севернее г. Сергиева Посада на реке Куньей. Работа Загорской ГАЭС-1 улучшает режимы работы электростанций в основном путем снижения степени разгрузки крупноблочных ГРЭС, ТЭЦ, АЭС, а также обеспечивает в течение суток высокое качество поставляемой потребителям электроэнергии — поддержание нормативной частоты и напряжения. В настоящее время принято решение о строительстве второй очереди Загорской ГАЭС-2 мощностью 800 МВт.

Перспектива в Краснодарском крае

В состав генерирующих мощностей края входит Краснодарская ТЭЦ и небольшие ГЭС. Кроме того, несколько промышленных потребителей имеют свои энергетические установки и продают избытки электроэнергии в общую сеть. Энергосистема «Кубаньэнерго» является дефицитной как по энергии, так и по мощности, в связи с чем необходимы значительные покупки энергии с федерального оптового рынка энергии и мощностей (ФОРЭМа). Закупка энергии на ФОРЭМе «Кубаньэнерго» осуществляется по зональным тарифам. Анализ реальных данных предусматривает существенный рост тарифов на электроэнергию. Естественно, в такой же пропорции возрастут тарифы на продажу электроэнергии с ФОРЭМа в дефицитные энергосистемы. При этом разница между тарифами на поставку пиковой и ночной электроэнергии возрастет.

При наличии в Краснодарском крае источника генерирующей мощности, способного аккумулировать дешевую электроэнергию в ночные часы и отдавать ее в часы пика, имеется возможность, во-первых, покупать электроэнергию в 4,5 раза дешевле, во-вторых, продавать ее в несколько раз дороже, в том числе и на экспорт. Последнее особенно актуально после ввода Ростовской АЭС и линии электропередач 500 кВт через территорию Краснодарского края в Турцию. Такими генерирующими источниками могут и должны служить гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), которые в ночные часы закачивают воду в верхние бассейны, а в часы пика вырабатывают электроэнергию, сбрасывая воду в нижние бассейны. Как показывают предварительные исследования, выполненные АО «Институт Гидропроект» (г. Москва) при поддержке инициативной группы, в Краснодарском крае имеются уникальные природные условия для сооружения наиболее эффективных высоконапорных ГАЭС, с напорами 500 + 1000 м, аналогичных построенным в Италии, Японии, Австрии и других странах.

Сооружение подобных высоконапорных ГАЭС позволяет резко сократить габариты оборудования и здания станции, верхнего и нижнего бассейнов, уменьшить отвод земель под строительство, сделать большую часть сооружений подземными и тем самым значительно сократить нагрузку на экологию.

Идея размещения ГАЭС в Краснодарском крае получила поддержку правительства края и «Кубаньэнерго» (протокол от 09.08.00), Минтопэнерго России (письмо зам. министра № КЮ- 6396 от 29.09.00), ЦДУ «ЕЭС России» (письмо генерального директора № 205114-1003 от 10.10.00), по заданию которых началась разработка материалов по обоснованию инвестиций в строительство ГАЭС.

Предварительные проработки показали, что одним из наиболее предпочтительных вариантов является размещение ГАЭС в бассейне р. Мзымта, в частности, в районе пос. Красная Поляна. В этом случае ГАЭС обеспечила бы практически стопроцентную надежность электроснабжения г. Сочи и пос. Красная Поляна, ставших важнейшими курортами летнего и зимнего отдыха в России и столицей зимних Олимпийских игр в 2014 году, а также стала бы наиболее приближенным к границе с Турцией энергообъектом, повышающим надежность и регулируемость экспортной электроэнергии.

Специалистами в бассейне р. Мзымта отобраны четыре площадки возможного размещения высоконапорной ГАЭС мощностью 200 МВт. Наиболее перспективной них является площадка в районе п. Эсто-Садок, позволяющая создать ГАЭС с наибольшим напором и тем самым значительно сократить площадь под устройство бассейнов. Сооружение высокогорной гидроаккумулирующей электростанции в этом районе позволит решить ряд вопросов, возникающих при перспективном развитии олимпийского горноклиматического курорта «Красная Поляна» и создании здесь спортивного горнолыжного комплекса. Среди них наиболее важным являются:

• обеспечение устойчивого энергоснабжения вновь строящихся объектов, сооружение которых увеличит электропотребление в той зоне в несколько раз (по предварительным данным потребуется мощность порядка 100 МВт);
• возможность использования верхнего бассейна в качестве надежного источника водоснабжения верхней площадки спортивного комплекса;
• наличие бассейнов ГАЭС в значительной мере украсит местность и сделает регион более привлекательным для туристов, как это имеет место в зоне подобных сооружений в Италии, Австрии и других странах.

С учетом осторожного подхода к оценке имеющихся данных Краснополянская ГАЭС может характеризоваться следующими параметрами:

• мощность в турбинном режиме — 200 МВт;
• годовая выработка электроэнергии — 300 млн. кВтч;
• напор — 870 м;
• емкость бассейнов: верхнего — 600 тыс. куб. м, нижнего — 600 тыс. куб. м;
• стоимость строительства — 140 млн. долларов США;
• продолжительность строительства — 3 года;
• срок возврата капиталовложений — 6–8 лет.

Выдача мощности ГАЭС в энергосистему будет осуществляться высоковольтной линией 220 кВ по трассе, ранее намеченной для энергоснабжения района пос. Красная Поляна. Впоследствии рекомендуется увеличить мощность ГАЭС в два раза (до 400 МВт). Пропускная способность туннеля первой очереди ГАЭС диаметром 3,5 м, выбранная из условий производства работ, обеспечит получение указанной мощности. Потребуется лишь расширение бассейнов и здания ГАЭС. Стоимость второй очереди ГАЭС будет значительно ниже и по ориентировочной оценке не превысит 100 млн. долларов США.

До начала строительства Краснополянской ГАЭС необходимо разработать проектную документацию на стадии технико-экономического обоснования (ТЭО) с включением в его состав бизнес-плана. Продолжительность разработки ТЭО оценивается в 18 месяцев, утверждение проекта и организация финансирования — 3 месяца. Рабочее проектирование и строительство ГАЭС предполагается осуществлять одновременно, срок строительства — 3 года. На сегодня и в обозримой перспективе наиболее рациональной является использование возобновляемых источников энергии в энергетике всего Северо-Кавказского региона посредством ГАЭС, без которой энергетика региона не столь эффективна, а потребность в ней день ото дня возрастает.