Опыт малой генерации в республике Армения

Проблема малой гидроэнергетики крайне актуальна для всех стран мира: как для лидирующих, так и для развивающихся экономик. И практика, и теория показывают, что для устойчивой работы сложной энергосистемы заметная доля генерируемой электроэнергии должна приходиться на малые электростанции мощностью до 30 МВт. В данном аспекте немалый интерес представляет опыт развития малой гидроэнергетики Республики Армения.

Особенности малой гидроэнергетики в России и в мире

К малой гидроэнергетике в соответствии с ГОСТ [2] относят гидроэлектростанции (ГЭС), мощность которых не превышает 30 МВт, а мощность единичного гидроагрегата составляет менее 10 МВт. Малые ГЭС, в свою очередь, подразделяются:

1. Микро-ГЭС (мощность от 1.5 до 100 кВт);
2. Малые ГЭС (мощность от 100 кВт до 30 МВт).

Среди преимуществ малых гидроэлектростанций (МГЭС) эксперты выделяют:

• позитивное общественное отношение вследствие минимального вреда экологии по сравнению с крупными ГЭС;
• благоприятное влияние МГЭС на региональное развитие и стимулирование бизнеса за счет рынка малой гидроэнергетики.

По состоянию на июнь 2019 года [3] действующие на территории России малые ГЭС вырабатывали около 2.2 млрд. кВт*ч электроэнергии в год, а потенциал их оценивался на два порядка больше (примерно 382 млрд. кВт*ч в год).

Природные условия, характерные для европейской части России, могут обеспечить выработку электроэнергии на МГЭС, полностью удовлетворяющую потребности районов, экономика которых ориентирована на сельхозпроизводство. Строительство МГЭС позволяет также эффективно использовать водные ресурсы рек в целях водоснабжения, рыболовства, транспорта и др.

Потенциальные источники энергии для малой гидроэнергетики – это небольшие реки, ручьи, естественные перепады высот на озерных водосбросах и на оросительных каналах ирригационных систем. Нишей экосистемы МГЭС в России, в других странах, как достаточно очевидно, может быть водоснабжение промышленности городов и пр. В системах водоснабжения на участках трассы с большой разницей отметок поверхности вместо различного рода специальных сооружений: шахтных сопряжений, энергогасителей и др., могут быть построены микро-ГЭС. Если расход воды будет составлять в пределах от 5 до 100 л/с, то их мощность может достигать от 20 кВт до 100 кВт.

Рентабельность МГЭС обеспечивается за счет упрощения схемы их управления (например, за счет балластной нагрузки), а также за счет работы практически без обслуживающего персонала. Эффективность МГЭС может быть повышена также за счет многоцелевого использования ее сооружений, а также при выдаче мощности в местную сеть (при отсутствии длинных линий электропередач).

МГЭС имеют три основные компоновки [4]. Первые две из них — основные, а третья является сочетанием первых двух:

1. Плотинная компоновка.
2. Деривационная компоновка.
3. Смешанная (плотинно-деривационная) компоновка.

Плотинная компоновка (рис. 1) требует для создания напора воды строительство плотины. Грунтовая или бетонная плотина перегораживает русло реки, и тем самым создает как необходимый напор воды, так и нужный запас этой воды (в виде пруда или водохранилища). Такие компоновки применяются на равнинных территориях, так как у этих рек сравнительно малые уклоны; это не позволяет прорыть отводной (деривационный) канал, который бы соединил два створа реки с разными отметками и создал напор.

Деривационная компоновка (рис. 2) не требует для создания напора строительства высокой плотины. Обычно возводится совсем небольшая плотина, позволяющая забрать воду из реки и направить ее в деривационный канал. Деривационный канал прокладывается с уклоном более пологим, чем в реке. Через определенное расстояние канал возвращается к реке, но, за счет меньшего уклона, на более высокой отметке. Поэтому вода из деривационного канала сбрасывается обратно в реку уже при существенном напоре. Такая компоновка применяется в горных районах. Иногда деривационный канал сбрасывает воду в другую реку в соседней долине — в этом случае говорят о переброске стока рек.

Смешанная компоновка представляет собой сочетание плотинной и деривационной компоновок. Для создания напора смешанная компоновка предполагает строительство как плотины, так и деривационного канала.

Как видно из вышеописанного, при разработке проекта МГЭС основным фактором при выборе компоновок малых ГЭС являются ландшафтные условия: равнинные, предгорные или горные.

Общая характеристика электроэнергетики Республики Армения

На 1 января 2021 года общая установленная мощность генерирующих источников Армении составляла [5, 6] 2878,7 МВт, в т.ч.:

1. ААЭС - 407,5 МВт; Разданская ТЭС - 410 МВт;
2. 5-й энергоблок Разданской ТЭС - 467 МВт;
3. 1-й энергоблок Ереванской ПГУ - 228,6 МВт; Воротанский каскад ГЭС - 404,2 МВт;
4. Севано-Разданский каскад ГЭС - 561,4 МВт (рис. 3 – 5);
5. Малые электростанции (мощностью до 30 МВт) на возобновляемых источниках - около 400 МВт, из которых 380 МВт - малые ГЭС.

Особенности малой гидроэнергетики в РА

Как известно, Республика Армения – это горная страна, малых рек с большими перепадами уровней в ней очень много. Такой ландшафт создает хорошие условия для строительства малых ГЭС. Тем не менее, гидропотенциал крупных, средних, малых рек Армении оставался практически не востребованным до конца ХХ века. Так в 1997 году имелось всего 13 малых ГЭС, причем не все из них в работоспособном состоянии.

С целью ускоренного освоения гидропотенциала малых рек, в начале 2000-х годов была принята система мер по экономическому стимулированию создания МГЭС, включающая в себя:

• установление специального тарифа на вырабатываемую малыми ГЭС электроэнергию. Для каждой малой ГЭС тариф устанавливается индивидуально, учитывая стоимость ее сооружения в конкретных условиях, с учетом необходимости возврата привлеченных кредитов.
• фиксирование тарифа на 15 лет, что обеспечивает гарантию окупаемости и прибыльности станции.
• оперативное решение вопросов присоединения МГЭС к сети.

Результаты появились достаточно быстро, о чем говорят следующие цифры:

• в 2001 году в Армении имелось 23 малых ГЭС;
• к 2006 году функционировало уже 46 малых ГЭС, еще 51 станция находилась на этапе строительства;
• по состоянию на 1 января 2009 года, работало 70 малых ГЭС общей мощностью 89 МВт и совокупной выработкой 300 млн. кВт*ч в год;
• к середине 2011 года уже работало 108 МГЭС общей мощностью в 130 МВт и выработкой 450 млн. кВт*ч энергии в год. Строится еще 65 малых ГЭС.

На 1 октября 2020 года в Республике Армения по данным КСОУ функционирует 188 МГЭС суммарной установленной мощности 382 МВт [7]. Фотографии одной из 188 МГЭС, работающей сегодня в Ваагнадзорском районе Лорийской области Республики Армения приведены на рис. 6 и рис. 7.

Техноценологический анализ структуры МГЭС Республики Армения

Бурное развитие распределенной энергетики в Республике Армения соответствует возрастающему спросу на электроэнергию. Даже в период пандемии рост выработки электроэнергии составил 1,5% в годовом исчислении [8, 9]. Такая позитивная динамика спроса на электроэнергию – мощный стимул возникновения новых предприятий генерации, в т.ч. и МГЭС. В условиях рыночных экономик появление новых промышленных производств, в т.ч. предприятий электроэнергетики – это процесс стихийный. Насколько управляема эта стихийность? И требует ли этот стихийный процесс управления? Этот вопрос очень важен, потому что ответ на него обеспечивает стабильность развития как электроэнергетики страны, так всей экономики.

До сих пор все перспективные схемы развития электроэнергетических систем формируются «от достигнутого». Но ошибочность такого подхода показала реальная жизнь на примере России: гигантомания и суперцентрализация сделали ЕНЭС «колоссом на глиняных ногах». Авария подстанции «Чагино» с последующим блэкаутом в нескольких регионах – реальный признак патологии этого «колосса».

Альтернативой указанного принципа формирования схем развития электроэнергетики является техноценологический подход Б.И. Кудрина [10]. Если кратко формулировать его основные моменты применительно к развитию системы малых ГЭС, то необходимо отметить, что, начиная с определенной степени сложности энергосистемы, для устойчивой ее работы должны выполняться два фундаментальных условия:

1. Между типами генерирующих станций должно соблюдаться вполне определенное соотношение «крупные/средние/мелкие». Материальная база электроэнергетической системы должна опираться на разнообразие мощностей и типов генераторов получения электрической энергии; т.е., каждая страна/регион должны кроме больших электростанций, строить и множество маленьких. Так, в США в Калифорнии после грандиозного энергетического кризиса в конце 90-х годов был принят закон, предполагающий, что к 2017 г. 20% энергии должно поступать из альтернативных источников генерации. Крупная ГЭС, как это ни странно, не может обеспечить все потребности. Больницы, крупные магазины, объекты оборонного комплекса и т.п. требуют, чтобы существовала и малая электроэнергетика. А в СССР в 60-х годах уничтожили более 6 тысяч малых электростанций, каждая в несколько мегаватт мощности.
2. Принцип ценологической децентрализации должен быть утвержден нормативно на государственном уровне. Это даст возможность локализовать аварию путем отключения нагрузок диспетчерами нижнего уровня.

Автор проанализировал структуру МГЭС Республики Армения на основе данных [7]. Сначала методами кластерного анализа все станции были сгруппированы по близким мощностям. А затем были построены распределения этих групп по убыванию числа МГЭС в группе соответствующих мощностей.

На рис. 8 представлены результаты: реальное распределение и аппроксимация. Как видно из графиков, теория техноценозов профессора Б.И. Кудрина блестяще подтверждается и в случае комплекса малых ГЭС Республики Армения: в структуре малых ГЭС РА имеет место соотношение «крупные/средние/мелкие». Но огромная польза техноценологического анализа заключается в том, что он указывает на устойчивость техноценоза (в данном случае комплекса МГЭС страны) в перспективе развития. Не углубляясь в теоретический анализ приведенных результатов, на их основе можно утверждать, что для устойчивого развития как энергосистемы Армении в целом, для максимально эффективного электроснабжения всех потребителей, необходимо сделать структуру МГЭС более рациональной. В первом приближении очевидно, что более эффективной будет структура, в которой имеется больше МГЭС мощностью менее 2 МВт, а также больше станций с установленной мощностью более 5 МВт.

Выводы

Положительный опыт применения малых ГЭС в Республике Армения подтверждает общемировой тренд более широкого использования распределенной энергетики для удовлетворения постоянно растущей потребности в электроэнергии. Однако, структура «сообщества» МГЭС для обеспечения устойчивой работы энергосистемы должна удовлетворять техноценологическим требованиям – должно соблюдаться вполне определенное соотношение «крупные/средние/мелкие».

Выражаю искреннюю благодарность Барояну Артушу Борисовичу за предоставленную информацию по малой генерации в Республике Армения и критические замечания по отдельным положениям статьи.

Автор: независимый эксперт, кандидат технических наук Юрий Михайлович Соколов-Савинцев

Список литературы

1. Егоров А.О., Савосина А.А. Исследование численности и установленной мощности малых гидроэлектростанций Свердловской области// ЭнергоЭксперт, 2022. - №3. - С. 76-79.
2. ГОСТ Р 55260.4.1-2013 Гидроэлектростанции. Часть 4-1. Технологическая часть гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих электростанций. Общие технические требования [Электронный ресурс] (Дата обращения 08.10.2022)
3. Малая гидроэнергетика России и в мире. Развитие малой гидроэнергетики [Электронный ресурс] (Дата обращения 08.10.2022)
4. Проектирование малых ГЭС. Компоновки малых ГЭС [Электронный ресурс] (Дата обращения 08.10.2022)
5. Макаров А.А., Давтян В.С. Социально-экономическая ситуация в Армении в период пандемии covid-19: влияние карантинных мер на энергетический сектор [Электронный ресурс] (Дата обращения 08.10.2022)
6. Электроэнергетика Республики Армения [Электронный ресурс] (Дата обращения 08.10.2022)
7. Основные показатели малых гидроэлектростанций, производящих электрическую энергию в республике Армения на 1 октября 2020 года [Электронный ресурс] (Дата обращения 08.10.2022)
8. Малая гидроэнергетика в Армении [Электронный ресурс] (Дата обращения 08.10.2022)
9. Проблемы и перспективы развития малых ГЭС в Армении [Электронный ресурс] (Дата обращения 08.10.2022)
10. Кудрин, Б. И. Организация, построение и управление электрическим хозяйством на основе теории больших систем / Б. И. Кудрин // Ценологические исследования. Вып. 24; Центр систем. исследований. – М., 2002. – 368 с.