Гидравлические и гидроаккумулирующие электростанции

 

На гидроэлектростанциях электрическая энергия получается в результате преобразований энергии водного потока. Каждая ГЭС состоит из:

· гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и величину напора,

· энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в электрическую. Такое преобразование осуществляется с помощью гидравлической турбины, основным элементом которой является рабочее колесо.

Вода, попадая из водохранилища по напорному трубопроводу на лопасти рабочего колеса, вращает его, а вместе с ним и ротор генератора, вырабатывающего электроэнергию.

По схеме использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные.

Существуют две основные схемы концентрации напора гидротехническими сооружениями — плотинная и деривационная.

В плотинной схеме предусмотрено сооружение плотины, перегораживающей в выбранном створе русло реки (рис. 2.12.), в результате чего образуется разность уровней воды в верховой и низовой по течению сторонах плотины. Создающееся при этом с верховой стороны водохранилище называется верхним бьефом, а часть реки с низовой стороны — нижним бьефом. Разность уровней верхнего z_b.6 и нижнего z_н.б бьефов создает необходимый напор гидроэлектростанции Н _гэс, при этом напор за счет кривой подпора будет несколько меньше того, который возможен при использовании рассматриваемого участка реки I — II, т. е. Н _уч. Значение ΔН представляет, таким образом, некоторую невосполнимую потерю напора

Н _гэс = Н _уч. ─ ΔН.

В состав сооружений русловой ГЭС, кроме плотины, входят здание ГЭС и водосбросные сооружения (рис..2.12.) высота их сооружений зависит от высоты напора и установленной мощности. У русловой ГЭС здание с размещенными в нём гидроагрегатами служит продолжением плотины и вместе с ней создаёт напорный фронт. При этом с одной стороны к зданию ГЭС примыкает верхний бьеф, а с другой — нижний бьеф. Подводящие спиральные камеры гидротурбин своими входными сечениями закладываются под уровнем верхнего бьефа, выходные же сечения отсасывающих труб погружены под уровнем нижнего бьефа.

 

Рис 2.12. Плотинная схема концентрации напора

В соответствии с назначением гидроузла в его состав могут входить судоходные шлюзы или судоподъёмник, рыбопропускные сооружения, водозаборные сооружения для ирригации и водоснабжения. В русловых ГЭС иногда единственным сооружением, пропускающим воду, является здание ГЭС. В этих случаях полезно используемая вода последовательно проходит входное сечение с мусорозадерживающими решётками, спиральную камеру, гидротурбину, отсасывающую трубу, а по специальным водоводам между соседними турбинными камерами производится сброс паводковых расходов реки. Для русловых ГЭС характерны напоры до 30—40 м. Получают распространение гидроаккумулирующими электростанциями (ГАЭС).

Процесс гидравлического аккумулирования энергии сводится к следующему. В ночное время, когда нагрузка энергосистемы сильно снижается, включаются электродвигатели насосов ГАЭС, накачивающие воду из нижнего бассейна в верхний (рис. 2.14).

 

 

Рис. 2.13. Здание русловой ГЭС: 1 — генератор; 2 — турбина; 3 — спиральная камера; 4 — отсасывающая труба; 5 —аванкамеры; 6 — грузоподъемные краны; 7 — паз решеток; 8 — паз шандоров; 9 — паз затворов

.

В периоды пиков нагрузки энергосистемы запасенная в верхнем бассейне вода пропускается через турбины ГАЭС и находящиеся на одном валу с ними генераторы вырабатывают электроэнергию.

Нижним бассейном (бьефом) такой ГАЭС могут служить водохранилища или реки, а в качестве верхнего бассейна (бьефа) используется существующее озеро, имеющее или не имеющее естественную приточность, или специально созданное на определенной высоте водохранилище.

 

Рис 2.14. Схема гидроаккумулирующей электростанции

/ — верхний бассейн, 2 — напорный трубопровод, 3 — здание ГЭС, 4 — нижний бассейн, 5 — уравнительный резервуар, 6 — водоприемник

 

На первых ГАЭС устанавливали две раздельные пары машин: гидротурбину с генератором и электродвигатель с насосом. Такие схемы по числу устанавливаемых машин называют четырехмашинными.

Появление обратимых гидромашин, работающих как в насосном, так и турбинном режиме, позволило перейти к двухмашинной схеме ГЭС, имеющей агрегаты, на одном валу которых размещается как обратимая электрическая машина, так и обратимая гидравлическая.

Достоинством ГАЭС в современных условиях работы энергетических систем является то, что она искусственно создает гидроэнергетические ресурсы, что важно для тех районов, где этих ресурсов недостаточно. Кроме того, ГАЭС играют существенную роль в покрытии суточного графика нагрузки системы, создавая дополнительную нагрузку в часы ночного провала электропотребления и пиковую мощность в часы повышенного спроса на электроэнергию.

Коэффициент полезного действия ГАЭС определяет КПД насосного и турбинного режимов. Поэтому он будет меньше, чем КПД ГЭС, и обычно не превосходит 0,7—0,78. Это значит, что из каждых 100 кВт-ч, забираемых ГАЭС из системы, обратно в нее возвращается примерно 75 кВт-ч. Однако этот недостаток смягчается тем, что дневная энергия, когда ГАЭС работает в турбинном режиме, оценивается значительно выше ночной, когда часть ее по существу является бросовой.

Энергоэкономическая эффективность ГАЭС в значительной мере определяется используемым напором. Чем больше напор, тем меньшими объемами водохранилищ можно обойтись для одной и той же установленной мощности. Поэтому высоконапорные ГАЭС имеют лучшие технико-экономические показатели.

Всего в мире эксплуатируется и строится свыше 200 ГАЭС, охватывающих диапазон напоров от нескольких метров до 1770 м.

 

Нетрадиционная энергетика

Нетрадиционная энергетика Беларуси базируется преимущественно на использовании возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, энергии течения рек, биоэнергии, геотермальной энергии). Потенциал нетрадиционных энергетических ресурсов, согласно различным источникам, составляет от 6,1 до 10,4 млн. т н.э. в год. А по оценкам специалистов института Белэнергосетьпроект в Республике Беларусь теоретически от нетрадиционных источников энергии можно получить до 60% от общего объема энергопотребления; техническая возможность ограничивается 20%, а экономически целесообразно использовать сегодня 5—8%.

Табл.2.1. Потнциальные запасы иэкономически целесообразные обьемы использования местных энергетических ресурсов в Беларуси.

 

Рис.2.14. Прогноз суммарного потребления топлива в Беларуси (ПДж).
Источник: Энергетический портал Reenergy.by и ООО “Белорусское Отделение Международной Академии Экологии”

Последние 20 лет ученых и специалистов интересуют возможности эффективного получения энергии из возобновляемых источников (ВИЭ): воды, ветра, Солнца, Земли, растений (биомассы) и т.д. Некоторые страны достигли в этом направлении значительных успехов (табл.2.2-2.3).

 

 

Табл.2.2. Динамика потребления энергии из ВИЭ в ЕС-27,тыс. т у.т.

Год	Источники		% к валовому внутреннему потреблению
				1V	V	Всего
		-	4,0	-			5,1
		-	4,0	-			5,1
		-	5,0	-			5,4
		-	5,0	-			5,5
		-	6,0	-			5,6
		-	6,0	-			5,8
		2,3	0,4	3,6			5,9
		3,1	0,5	3,9			5,8
		3,8	0,6	5,3			6,0
		5,1	0,7	5,4			6,4
		6,0	0,8	5,3			6,7
		7,0	1,0	5,6			7,0

Примечание. I - малые ТЭС; 11 - ветер; 111 - солнце; IV - геотермальная энергия; V - биомасса (клетчатка, сельскохозяйственные и коммунальные отходы).

 

Табл.2. 3.Доля возобновляемых источников

в совокупном конечном потреблении

энергии, %

Страна	2005 (факт)	2020 (задание)
Мальта
Люксембург	0.9
Бельгия	2.2
Чехия	6.1
Венгрия	4.3
Кипр	2.9
Словакия	6.7
Нидерланды	2.4
Великобритания	1.3
Польша	7.2
Болгария	9.4
Ирландия	3.1
Италия	5.2
Греция	6.9
Германия	5.8
Испания	8.7
Франция	10.3
Литва	15.0
Португалия	20.5
Австрия	23.3
Финляндия	28.5
Швеция	31.8

Многие страны ЕС сильно зависимы от импорта ТЭР. К примеру, Литва, Венгрия, Словения и Польша на 95%, а Эстония, Латвия, Болгария, Словакия, Ирландия, Швеция и на все 100% зависят всего от одного поставщика нефти. Греция, Австрия, Венгрия на 80% привязаны к од­ному поставщику газа; Эстония, Латвия, Литва и Кипр - к одному поставщику угля и т.д.

Густонаселенный промышленный Евросоюз как никто ощущает на себе негативные изменения климата в результате парниковой эмиссии. В 2006 г. здесь было выброшено в атмо­сферу около 6 млрд. т С02. Несмотря на то, что эти выбросы официально ограничиваются, их до­статочно, чтобы в середине XXI в. перейти "красную черту" потепления атмосферы на 2°С), когда климатические изменения могут приобрести необратимый разрушительный характер.

Осознание всех этих факторов и перспектив заставило руководство ЕС, хотя и с запозданием сформулировать в 2006-2008 гг. свою "Новую энергетическую политику". Она предусматривает к 2020 г. обязательное сокращение выбросов парниковых атмосферу на 20% и повышение энергоэффективности хозяйства на 20%. Для достижения этих целей доля возобновляемых источников в общем потреблении энергии должна быть доведена до 20%, в потреблении моторного топлива до 10%. Вклад возобновляемых источников в энергопотребление, согласно Комиссии ЕС, подлежит увеличению при всех сценариях развития и любой ситуации с ценами, а само их использование официально трактуется как неотъемлемая составляющая устойчивого постиндустриального развития.

Делается ставка на ВИЭ в деле сокращения зависимости Европы от энергоимпорта и приобретения дополнительной свободы маневрирования при его диверсификации, равно как и в деле улучшения экологии континента, ибо выбросы парниковых газов от возобновляемых источников энергии заметно меньше. Другими словам европейский союз, - констатирует Комиссия «должен будет сделать первый шаг с тем, чтобы разорвать порочный круг увеличивающегося традиционного энергопотребления, растущего импорта, а с ним и оттока богатства, создаваемого в ЕС в уплату производителям энергии» Поэтому каждая страна ЕС получила индивидуальное задание по увеличению доли возобновляемых источников энергии в объем общего потребления к 2020 г. В ЕС доля ВЭИ в совокупном потреблении энергии должна возрасти до 20% против 8.5% в 2005 г.

Табл. 2.3. отражает достаточно разноречивую картину: многие страны ЕС-12 здесь выглядят, скорее, как балласт на пути намечаемых изменений. Однако, по прогнозам, даже при консервативном сценарии развития возобновляемых источников при растущих ценах не нефть и успешной реализации "Новой энергетической политики превратятся в существенный по значению блок в общем энергобалансе ЕС.

Термин "возобновляемые источники энергии" достаточно условен и по-разному трактуется в отдельных государствах. Чаще всего, в том числе в ЕС, к таким источникам относят энергию биомассы, солнца, ветра, воды, геотермальных источников, океана, а также водород и химические источники тока. В ряде случаев сюда же причисляют и атомную энергию и энергию малых ГЭС. Таким образом, здесь присутствуют и давно известные (биомасса, ветер, вода), и относительно новые (Солнце, тепло Земли, океан, атом, водород) источники энергии.

 

Биоэнергия

Наибольшее применение в практике ЕС пока получила переработка биомассы в электроэнергию, тепло и в моторное топливо. Источниками ее получения служат разлагаемые отходы сельского хозяйства (солома, навоз, трава и др.) и лесного промысла (опилки, щепки, кора, сучья); продовольственные и непродовольственные сельхозкультуры и продукты их переработки кукуруза, пшеница, ячмень, крахмал, рапс, животный жир, подсолнечник, вино, сорго и др.); не­которые быстрорастущие деревья и кустарники (ива, береза, тополь и др.), а также фракции промышленного и коммунального мусора, содержащие клетчатку. Достоинства биомассы - широкая доступность, относительно низкая стоимость и множественность путей переработки в конечный энергопродукт (от сжигания до использования анаэробных бактерий). Поэтому уже в 2004 г. за счет этого ис­точника покрывалось 4.2% первичного энерго­предложения в ЕС (70 млн. т н.э.) с перспективой роста до 150 млн. т н.э. в 2010 г.

Биомасса используется в основном в неболь­ших агрегатах по локальному энерго- и тепло­снабжению, но главные надежды связываются с ее применением для изготовления моторного топлива - на базе ее переработки производятся биодизель (из растительных или животных жи­ров), биоэтанол (путем ферментации сельхоз­культур, содержащих сахарозу и крахмал) и биогаз. За последние десять лет производство био­этанола в ЕС выросло с 47 тыс. т до 1.34 млн. т, производство биодизельного топлива достигло 16 млн. т. Сейчас они исполь­зуются как присадки к бензину и дизельному топ­ливу в размере 5-15%, но в перспективе предпо­лагается расширить сферу их применения.

Вместе с тем, увлече­ние биотопливом может привести к уничтожению ле­сов и кустарников и, более того, возникновению дефицита по ряду пищевых продуктов (зерно, масло, вино). Предвестником этого стал рост цен на продовольствие, наблюдавшийся в 2006-2007 гг. Как отмечают эксперты IЕА, конкуренция за ис­пользование сельскохозяйственного сырья и от­влечение его на рынок биотоплива остается од­ной из главных причин высокого уровня цен на продовольствие. Поэтому акцент ныне делается на производстве биотоплива "второго поколе­ния" - из непищевого сырья и специально культи­вируемых морских водорослей. Кроме того, предполагается ограничить сельхозплощади, занятые биотопливными культурами, тем более что сжигание биотоплива в традицион­ных сельских условиях (печи, котлы и т.п.) малоэффективно.

Ветоэнергетика

Второй по значению и особенно быстрорасту­щий возобновляемый источник - кинетическая энергия ветра, используемая для производства электроэнергии. Начиная с 1980 г. установленная мощность ветровых турбин в ЕС выросла в 290 раз, а стоимость генерации за тот же период снизилась на 80%. К 2020 г. мощность ветровых установок намечено довести с нынешних 40 до 180 млн. кВт. Производство электроэнергии на них достигнет 425 млн. кВт-ч.

Преимущества такого способа получения энергии обусловлены практически неисчерпае­мым потенциалом ветра, повышением технологичности мон­тажа установок и техобслуживания. Но есть и недостатки. Ограниченность мест с вет­ром необходимой силы и постоянства и связанная с этим неравномерность выработки электроэнергии предопределяют сложность подключения ветротурбин к регулярным сетям снабжения и не­обходимость их дополнения накопительными ба­тареями. Ожидается, что на рубеже 2010 г. произ­водство электроэнергии на ветроустановках пре­высит ее объемы, генерируемые крупными ГЭС, а к 2030 г. покроет 60% общего прироста электрических мощностей в ЕС. С целью экономии земельных площа­дей и достижения большей силы и постоянства поддува начато перемещение ветроустановок боль­шой мощности на морские оффшорные платформы, которые, как ожидается, смогут производить 27% всей ветровой энергии в Евросоюзе. В республике Беларусь в настоящее время действуют 3 ветро-энергетические установки. Строительство этих установок будет расширятся. Специалисты прогнозируют, что через лет 15 мощность ветроэнергетических установок будет равна мощности гидростанций.

 

Солнечная энергетика

Не менее перспективной видится ныне и ути­лизация энергии Солнца (гелиоэнергии) для про­изводства электроэнергии и тепла. Только для получения тепла ее используют ныне миллионы семей в странах ЕС. В 2008 г. установленная мощ­ность коллекторов достигла 15 ГВт тепла против 10 ГВт в 2004 г. и 5 - в 1997-м. Солнечные панели стали ныне неотъемлемой частью новых (и не только) зданий и сооружений, что технически позволяет уже сейчас обеспечивать их обитате­лей на 100% горячей водой и существенными ре­сурсами для пространственного отопления, а так­же кондиционирования воздуха. Современные солнечные коллекторы дают возможность полу­чать тепло в диапазоне 60-100 °С, что делает их пригодными к эксплуатации не только в быту, но и в промышленности. Стоимость солнечного коллектора площадью 6 кв. м около 1500 дол. США и его производительность достаточна для обеспечения энергией семьи из 4 человек.

Гелиоэнергетику, так же как и ветровую, от­личают доступность источников получения энер­гии, технологичность монтажа и обслуживания оборудования. Энергия Солнца может стать аль­тернативой мазуту и газу как источникам низко­температурного тепла. Однако следует учиты­вать, что уровень располагаемой солнечной ради­ации значительно колеблется в зависимости от географии установок, сезона и погоды - на юге ЕС они оказываются на 20% эффективнее, чем на севере.

До сих пор не решена и проблема стабильного съема теп­ла и электроэнергии с гелиоустановок. Развитие здесь идет в направлении получения концентри­рованной тепловой энергии посредством приме­нения параболических сборников мощностью 50-200 МВт тепла, сооружения башен-сборников мощностью 16-17 МВт тепла (до 50 МВт в пер­спективе) для более полного улавливания солнеч­ных лучей, а также создания установок, гибко ориентированных на максимум освещения. Такие установки, обладающие теми же достоинствами и недостатками, что и тепловые, представляют со­бой щиты с кристаллическим или пленочным по­крытием из кремния или редких металлов и исполь­зуются в основном для локального электроснабже­ния. В ЕС их рынок ежегодно увеличивается на 35% в год, а значит, в перспективе цены гелиоэлектро­энергии могут приблизиться к пиковым ценам традиционной энергии Как ожидается, в 2020 г. гелиустановки будут обеспечивать до 12% общего производства электроэнергии в ЕС.

 

Малая гидроэнергетика

Гидроресурсы для сооружения крупных ГЭС в Европе уже практически исчерпаны. РБ также не может сооружать крупные ГЭС, так как поверхность земли на всей территории страны преимущественно равнинная, а это чревато затоплением больших площадей. Поэтому внимание ныне сосредоточивается на малой гидроэнергетике, работающей от силы течения малых рек, каналов и т.п. и дающей до 10% общего объема гидроэлектроэнергии в ЕС. Для этого используются плотины с небольшим подпором воды, подводное размещение гидроагрегатов по течению рек или "гирляндные" электростанции в виде лопастей, вращающихся на погруженных тросах. В 2007 г. в странах Евросоюза насчитывалось уже свыше 17 тыс. малых ГЭС общей установленной мощностью в 11 ГВт, но это далеко не исчерпывает имеющийся потенциал, который определяется в 27 ГВт/ч в год. Применительно к Республике Беларусь здесь имеется простор для творчества специалистов – энергетиков: страна располагает достаточно большим количеством рек, энергия которых сегодня практически не используется.

Малая электроэнергетика обладает рядом преимуществ: доступностью локальной речной сети, малой стоимостью техобслуживания, управляемостью объемов получаемой энергии, наличием уже разработанных наборов стандартного оборудования. Нет необходимости сооружать крупные водохранилища, выводящие из эксплуатации продуктивные земли. Наконец, установки малой энергетики экологически нейтральны - возможное негативное воздействие на миграцию рыбы нейтрализуется сооружением обходных "рыбоводов".

 

Геотермальная энергетика

Помимо названных источников в европейских странах также активно используют геотермальную энергию и приступают к освоению энергии океана (приливной, волновой и пр.). Геотермальная энергия применяется в основном для локального отопления (климатизации) и борьбы со льдом на дорогах и взлетных полосах. Совокупная мощность основанных на ней установок на территории ЕС достигает ныне 820 МВт. Положительные стороны такого вида энергии - постоянство поступления, экологическая чистота, отлаженность оборудования для улавливания, независимость от погоды и климата; отрицательные неравномерность поступления тепла и его низкие температуры. Отсюда необходимость дополнения улавливающих установок аккумулирующими устройствами. Поэтому технический прогресс здесь направлен не только на освоение поверхностных выходов горячей воды и пара, но и на бурение специальных скважин к высокотемпературным участкам земной коры с прогонкой по ним воды (это уже дает до 4500 МВт тепла). Важное значение приобретает также установка тепловых насосов позволяющих отбирать тепло Земли даже при температуре среды до 3-15°С, причем как из во­да, так и из почвы. Предполагается, что на терри­тории ЕС таким путем можно собирать 1500 МВт тепловой энергии. Согласно прогнозам, издержки производства геотермальной энергии к 2020 г. снизятся до 0.02-0.05 долл./кВт-ч, сто сделает ее конкурентоспособной по отноше­нию к иным источникам локального электроснабжения.

Технология отбора энергии океана в ЕС пока носит экспериментальный характер и не выдер­живает конкуренции с другими возобновляемыми источниками энергии. Существует ряд демонстрационных проектов приливных электростан­ций, но основные усилия разработчиков в них сосредоточены на освоении механической энергии волн, благо между 40-й и 60-й параллелями, где расположено побережье ЕС, она максимальна. Предполагается, что страны Евросоюза в итоге могут получать из этого источника до 7 ТВт-ч энергии в год при установленной мощности обо­рудования в 200 тыс. МВт. Ученые рассчитывают также на "приручение" со временем энергии мор­ских течений и тепла морской воды. Пока же, к примеру, Франция получает 520 ГВт-ч электро­энергии в год за счет приливных электростанций.