Регулярный рост цен на электроэнергию заставляет многих задумываться над вопросом альтернативных источников получения электричества. Одно из лучших решений в данном случае - гидроэлектростанция. Поиски решения данного вопроса касаются не только масштабов страны. Все чаще можно увидеть мини-гидроэлектростанции для дома (дачи). Затраты в таком случае будут только на строительство и техническое обслуживание. Минус подобного сооружения в том, что его возведение возможно только в определенных условиях. Необходимо наличие водяного потока. К тому же возведение данной конструкции у себя во дворе требует разрешения местных органов власти.
Схема мини-гидроэлектростанции
- Русловые, характерные для равнин. Они устанавливаются на реках с несильным потоком.
- Стационарные используют энергию водных рек с быстрым потоком воды.
- ГЭС, устанавливающиеся в местах перепада водного потока. Встречаются чаще всего в промышленных организациях.
- Мобильные, которые строятся с применением армированного рукава.
Для строительства ГЭС достаточно даже небольшого ручья, протекающего по участку. Владельцы домов с центральным водоснабжением не должны отчаиваться.
Одной из американских компаний разработана станция, которую можно встраивать в водоснабжающую систему дома. В водопровод встраивается турбина маленьких размеров, которая приходит в движение за счет потока воды, двигающегося самотеком. Это снижает скорость потока воды, но снижает себестоимость электроэнергии. К тому же данная установка полностью безопасна.
Устраиваются даже мини-гидроэлектростанции в канализационной трубе. Но их строительство требует создания определенных условий. Вода по трубе должна стекать естественным образом за счет уклона. Второе требование - диаметр трубы должен быть подходящим для устройства оборудования. А это невозможно сделать в отдельно стоящем доме.
Классификация мини-ГЭС
Мини-гидроэлектростанции (дома, в которых они используются, в большинстве относятся к частному сектору) чаще всего относятся к одному из следующих типов, которые различаются принципом работы:
- Водяное колесо - традиционный тип, который наиболее прост в исполнении.
- Пропеллер. Используют в тех случаях, когда река имеет русло шириной более десяти метров.
- Гирлянда устанавливается на реках с несильным потоком. Для усиления скорости течения воды используют дополнительные сооружения.
- Ротор Дарье устанавливается обычно на промышленных предприятиях.
Распространенность этих вариантов обусловлена тем, что они не требуют строительства плотины.
Водяное колесо
Это классический вид ГЭС, который наиболее популярен для частного сектора. Мини-гидроэлектростанции данного типа представляют собой большое колесо, способное вращаться. Его лопасти опускаются в воду. Вся остальная часть конструкции находится над руслом, заставляя двигаться весь механизм. Мощность передается через гидропривод генератору, вырабатывающему ток.
Пропеллерная станция
На раме в вертикальном положении располагается ротор и подводный ветряк, опускаемый под воду. Ветряк имеет лопасти, которые вращаются под воздействием потока воды. Лучшее сопротивление оказывают лопасти шириной два сантиметра (при быстром потоке, скорость которого, тем не менее, не превышает двух метров в секунду).
В данном случае лопасти приводятся в движение за счет возникающей а не за счет давления воды. Причем направление движения лопастей перпендикулярно направлению течения потока. Этот процесс похож на работу ветровых электростанций, только работает под водой.
Гирляндная ГЭС
Данного типа мини-гидроэлектростанции представляют собой трос, натянутый над руслом и закрепленный в опорном подшипнике. На нем в виде гирлянды навешены и жестко закреплены турбины небольшого размера и веса (гидровингроторы). Они состоят из двух полуцилиндров. За счет совмещения осей при опускании в воду в них создается крутящий момент. Это приводит к тому, что трос изгибается, натягивается и начинает вращаться. В данной ситуации трос можно сравнивать с валом, который служит для передачи мощности. Один из концов троса соединен с редуктором. На него и передается мощность от вращения троса и гидровингроторов.
Повысить мощность станции поможет наличие нескольких «гирлянд». Их можно соединить между собой. Даже это не сильно повышает КПД данной ГЭС. Это один из минусов подобного сооружения.
Еще один недостаток данного вида - создаваемая им опасность для окружающих. Подобного рода станции допустимо использовать только в безлюдных местах. Наличие предупредительных знаков обязательно.
Ротор Дарье
Мини-гидроэлектростанция для частного дома данного вида названа так в честь ее разработчика - Жоржа Дарье. Запатентована данная конструкция была еще в 1931 году. Представляет собой ротор, на котором находятся лопасти. Для каждой из лопастей в индивидуальном порядке подбираются нужные параметры. Ротор опускается под воду в вертикальном положении. Лопасти вращаются за счет перепада давления, возникающего под действием протекания по их поверхности воды. Этот процесс подобен подъемной силе, заставляющей самолеты взлетать.
Данный вид ГЭС имеет хороший показатель КПД. Втрое преимущество - направление потока не имеет значение.
Из недостатков данного можно выделить сложную конструкцию и непростой монтаж.
Преимущества мини-ГЭС
Независимо от вида конструкции мини-гидроэлектростанции обладают рядом преимуществ:
- Экологически безопасны, не вырабатывают вредных для атмосферы веществ.
- Процесс получения электричества проходит без образования шума.
- Вода остается чистой.
- Электричество вырабатывается постоянно, вне зависимости от времени суток или погодных условий.
- Для обустройства станции достаточно даже небольшого ручья.
- Излишек электроэнергии можно продать соседям.
- Не нужно много разрешающей документации.
Мини-гидроэлектростанция своими руками
Построить для получения электроэнергии можно самостоятельно. Для частного дома достаточно двадцати киловатт в сутки. С таким значением справится даже мини-ГЭС, собранная своими руками. Но при этом следует помнить, что данный процесс характеризуется рядом особенностей:
- Точные расчеты провести достаточно трудно.
- Размеры, толщина элементов выбирается «на глаз», только опытным путем.
- Самодельные сооружения не имеют защитных элементов, что приводит к частым поломкам и связанным с этим затратам.
Поэтому если нет опыта и определенных знаний в данной сфере, лучше отказаться от идеи подобного рода. Дешевле может оказаться приобретение уже готовой станции.
Если все же решаетесь делать все своими руками, то начинать необходимо с измерения скорости потока воды в реке. Ведь от этого зависит мощность, которую можно получить. Если скорость будет меньше одного метра в секунду, то строительство мини-гидроэлектростанции в данном месте не оправдает себя.
Еще один этап, который нельзя опускать - это расчеты. Необходимо тщательно рассчитать размер затрат, которые уйдут на строительство станции. В результате может оказаться, что гидроэлектростанция - не лучший вариант. Тогда стоит обратить внимание на другие виды альтернативной электроэнергии.
Мини-гидроэлектростанция может стать оптимальным решением в вопросе экономии затрат на электроэнергию. Для ее строительства необходимо наличие реки недалеко от дома. В зависимости от желаемых характеристик можно подобрать подходящий вариант ГЭС. При правильном подходе выполнить подобное сооружение можно даже своими руками.
Нетрадиционная энергетика – именно на ней в настоящее время сосредоточено пристальное внимание всего мира. И это довольно легко объяснить. Приливы, отливы, морской прибой, течения малых и больших рек, магнитное поле Земли и наконец, ветер — есть неисчерпаемые источники энергии, причем дешевой и возобновляемой энергии и было бы большой ошибкой не воспользоваться таким подарком матушки природы. Еще одним плюсом такой энергетики — это возможность обеспечить дешевой электроэнергией труднодоступные районы, ну скажем высокогорные районы или глухие таежные деревушки, другими словами те населенные пункты, куда тянуть линию электропередач нецелесообразно.
А вы знаете, что 2/3 территории России не подключены к энергетической системе? Существуют даже населенные пункты, где электричества не было никогда, и это не обязательно поселки Крайнего Севера или бескрайней Сибири. Электроэнергия, например, не подведена к некоторым населенным пунктам Урала, а ведь эти районы никак нельзя назвать неблагополучными в отношении энергетики. А между тем электрификация труднодоступных населенных пунктов не такая уж и сложная проблема, ведь трудно найти поселение, где бы не было речушки или хотя бы маленького ручейка — вот вам и выход из положения. Именно на таком ручейке, не говоря уже о речке и можно установить мини ГЭС.
Так что же это такое мини и малые ГЭС? Это маленькие станции по производству электроэнергии при помощи использования течения имеющихся на месте водных ресурсов. Маленькими же считаются ГЭС, мощность которых менее 3 тысяч киловатт. И относятся они к малой энергетике. Такая энергетика стала стремительно развиваться в последнее десятилетие. Что в свою очередь связано со стремлением нанести как можно меньший экологический вред природе, которого не избежать при строительстве крупных ГЭС. Ведь большие водохранилища изменяют ландшафт, уничтожают естественные нерестилища, перекрывают миграционные пути для рыбы и что самое главное через какое-то время они обязательно превратятся в болото. Развитие малой энергетики так же связано с обеспечением энергией труднодоступных и изолированных мест, а также с быстрой окупаемостью (в течение пяти лет) капиталовложений.
Обычно МГЭС (малая ГЭС) состоит из генератора, турбины и системы управления. Делятся МГЭС и по типу использования, это в первую очередь приплотинные станции с водохранилищами, занимающими не большую площадь. Существуют станции, которые работают без сооружения плотины, а просто за счет свободного течения реки. Есть станции, Для работы которых используются уже существующие перепады воды, то ли природного, то ли искусственного происхождения. Природные перепады часто встречаются в горной местности, искусственные – это обычные объекты водного хозяйства от сооружений, приспособленных для судоходства, до комплексов очистки воды включая питьевые водоводы и даже канализационные стоки.
Малая гидроэнергетика по своим технико-экономическим возможностям превышает такие источники малой энергетики как станции использующие энергию ветра, солнечную энергии и биоэнергетические станции вместе взятые. В настоящее время они могут производить примерно 60 миллиардов кВт/ч за год, но, к сожалению, этот потенциал используется крайне слабо, всего на 1%. До конца 60-х годов в эксплуатации находились тысячи МГЭС, сегодня их насчитывается несколько сотен. Все это последствия перекосов советского государства связанных с ценовой политикой и не только.
Но вернемся к вопросу экологических последствий при строительстве МГЭС. Основным достоинством малых гидроэлектростанций — это полная безопасность с экологической точки зрения. Свойства воды как химические, так и физические при строительстве и эксплуатации этих объектов не изменяются. Водоемы можно использовать как водохранилища для питьевой воды и для разведения рыбы. Но основным достоинством есть, то, что для МГЭС совсем не обязательно сооружать крупные водохранилища наносящих огромный материальный ущерб и затопление больших территорий.
Кроме этого такие станции обладают еще рядом достоинств: это и простота конструкции, и возможность полной механизации, при их эксплуатации присутствие человека совсем не обязательно. Вырабатываемая электроэнергия соответствует общепринятым стандартам, как по напряжению, так и по частоте. Автономию такой станции тоже можно считать большим плюсом. Большой у МГЭС и рабочий ресурс — 40 лет и более.
Застройщики сейчас активно популяризируют малые ГЭС, для того, чтобы получить разрешения у местных общин на их постройку. Но экологический вред плотин настолько велик, а производительность гидроэнергетики настолько низкая, что все это похоже скорее на бизнес девяностых. Давайте рассмотрим несколько мифов связанных с малыми гидроэлектростанциями.
Миф 1. Малые ГЭС - помогут достичь энергонезависимости.
Этот миф сформировался на основании изучений гидроэнергетического потенциала малых рек, без учета экологических, социально-экономических, законодательных и других ограничений и рисков, которые влияют на то, какую часть этого потенциала можно использовать без вреда для природы, местных хозяйств, без нарушения законов и международных правовых актов, без учета рисков связанных с гидроэнергетикой в целом.
На самом деле все значительно сложнее.
Если говорить об энергонезависимости целой страны. То в Украине, например, большие и средние ГЭС составляют только 7,88% (9 обьектов) от общего обьема поставляемой энергии. Малые ГЭС составляют всего - 0,16% (80 обьектов).
При чем обьемы производства электроэнергии в Украине намного превышает потребности населения и активно экспортируется. И наращивать эти обьемы в масштабах страны перекрывая все реки малыми греблями и плотинами это по сути вредительство, с целью обогащения.
Миф 2. Малые ГЭС дают дешевую экологически чистую энергию, которая поможет улучшить энергообеспеченность отдаленных общин.
Стоимость электроэнергии малых ГЭС абсолютно неконкурентноспособна по сравнению с другими видами производимой энергии. Даже с учетом «зеленых тарифов», прибыль от малых ГЭС обеспечивается только наличием схем обязательного выкупа производимой энергии.
Это не говоря уже об экологичности самой постройки малых ГЭС, которые, как правило, сопровождаются грубыми нарушения всех экологических норм, игнорированием законов и давлением на местные общины.
Миф 3. Малых ГЭС планируется немного и решения об их постройке касается только некоторых общин.
От инвесторов малых ГЭС очень часто можно услышать, что ни о каких сотнях малых ГЭС речь не идет, ведь нет столько мест для их постройки и все это только планы, которые вряд ли будут когда-то воплощены в жизнь.
На самом деле таких проектов тысячи. И каждый раз местные активисты сталкиваются со случаями, когда органы местного самоуправления тайком от общин выдают разрешения на постройки малых ГЭС застройщикам. И местная община узнает о постройке плотины только когда тяжелая техника заходит в русло реки и начинает разрушать водоемы.
Практически каждая речка с более-менее значительным перепадом высот и минимальным наполнением воды становится жертвой горе-бизнесменов. Преимущество отдается горным частям рек, а также малым рекам.
Причина неочевидна, она определяется кинетической энергией воды. Просто большим перепадом воды можно достигнуть нужного преобразования механической энергии в электрическую, а расходы в постройке малых ГЭС в верховьях рек значительно ниже чем в низовье, где русло всегда шире.
Миф 4. ГЭС не несет угрозы окружающей среде, не будет иметь негативного влияния для населения и общин.
На самом деле ГЭС наносит огромный вред окружающий среде на всех этапах ее существования. Особо опасным является постройка одновременно сотен малых ГЭС без учета их кумулятивного эффекта.
Миф 5. Малая гидроэнергетика - это передовой мировой опыт. Она соответствует самым безопасным для природы мировым образцам.
На самом деле, основным технологиям, которые используются в малых ГЭС уже боле ста лет. А большинство ГЭС построено там, где их вообще не должно быть через экологические ограничения.
Миф 6. Малые ГЭС всегда лучше для окружающей среды, чем большие.
Долгое время считалось, что малые ГЭС намного безопасней чем крупные. Но когда исследователи сравнили потери суходола и прибрежных поселений в расчете на 1МВт произведенной электроэнергии, то оказалось, что потери территорий экосистем от малых ГЭС могут в сотни раз превышать потери от больших ГЭС в расчете на 1МВт.
Также малые ГЭС вызывают большую фрагменитацию экосистем, ухудшают качество воды и влияют на гидрологию рек и их бассейнов.
Миф 7. Малые ГЭС будут защищать от паводков и наводнений.
На самом деле, нормальный режим работы малых ГЭС несовместимый с противопаводковой защитой.
Последние исследования показывают, что лучшей защитой от наводнений и паводков являются не дорогостоящие инженерные сооружения, а естественные речные поймы и снесение всех инженерных сооружений (плотин, дамб и т.д.), которые перекрывают русло реки и сужают пойму, создают помехи свободному ходу водных потоков.
Миф 8. Малые ГЭС не опаснее водяных мельниц
Часто этот факт, преподают как аксиому. Но это далеко не так. Малые ГЭС намного опаснее, чем водяные мельницы. Основные отличия кроются в специфике работы этих сооружений.
Водяные мельницы работают нерегулярно и часто для их запуска достаточно погрузить колесо в воду, без перекрытия реки плотиной. Кроме этого эти плотины были значительно меньше, чем плотины малых ГЭС и при паводках они полностью затапливались не создавая препятствий для миграции рыбы. Кстати, особенности конструкции этих плотин не создавали препятствий для миграции мальков вниз по течению.
Малые ГЭС - капитальные сооружения, которые работают максимальное количество дней в году. Постоянная работа таких дамб приводит к тому, что в период нереста и миграции риб, молодая рыба не способна преодолеть плотину и гибнет в турбинах. А часто в результате работы турбин происходит высушивание русла реки, что приводит к разрушению местной экосистемы.
Миф 9. Малые ГЭС принесут благополучие общинам, сопутствуют развитию туризму и рекреации
На самом деле, малые ГЭС делают невозможным некоторые виды туризма и рекреации, в частности сплавный и зеленый туризм.
Кроме того, все поступления в местный бюджет и выплаты, которые инвесторы обещают местным общинам, это просто подкуп обещаниями. Малые ГЭС создаются только с одной целью, выкачивание компенсаций из госбюджета в частные карманы.
Миф 10. Малые ГЭС уменьшают парниковых газов и препятствуют изменению климата.
Еще одно утверждение, которые построено на неполноте всех собранных аргументов.
Дело в том, что при строительстве ГЭС, как правило создается водохранилище, а в момент его наполнения увеличиваются выбросы другого газа - метана, который имеет парниковый потенциал в 20 раз выше, чем СО2. Это обусловлено процессами разложения органических веществ, например растений, в условиях затопления водохранилища.
Тем более для запуска ГЭС нужна электроэнергия с ТЭС, которая работает на ископаемом топливе. А электроэнергия, вырабатываемая малыми ГЭС выкупается вынуждено и по завышенным тарифам.
Миф 11. Экологи критикуют не предлагая альтернативы.
На самом деле экологи предлагают целый ряд альтернатив, которые позволяют повышать энергетическую безопасность, благополучие местных жителей и сохранять природу.
Одним из самых перспективных направлений является энергосбережение, которое может уменьшить энергии страны в 2 раза уже к 2030 году.
Возможным является развитие бесплотинных ГЭС, которые не забирают русло в трубы, а устанавливаются в потоке. Но для бизнеса они не интересны, так как вырабатывают слишком мало энергии, достаточной только для обеспечения частного домохозяйства.
Их можно устанавливать достаточно много, без вреда для окружающей среды и такие ГЭС способны обеспечивать энергонезависимость небольших отдаленных общин.
Как можно остановить развития гидроэнергетики и прекратить уничтожение окружающей среды
Единственный путь - это просвещение местных общин и защита местных рек во имя нашего общего будущего. От делков из 90-х можно защитится только реальными уверенными действиями на месте. 
Кстати эта борьба идет не только у нас. В США (штат Вашингтон) на реке Евла недавно были снесены две плотины высотой 33 и 64 метра, которые 102 года перекрывали реку и миграционные пути рыбы. Это снос, который является крупнейшим сносом плотины по экологическим причинам в истории, произошел благодаря борьбе местных жителей и экологов - защитников рек. реки и рыбы оказались, в конце концов, важнее и для местной общины, и для государства.
На территории современной Российской Федерации первые микро-ГЭС создавались в середине прошлого века, в послевоенные годы. Всего за шесть лет, начиная с 1946 года, в СССР было построено порядка семи тысяч малых гидроэлектростанций, вырабатывающих ежегодно несколько сотен мегаватт электроэнергии. Но к началу 60-х годов XX века руководство Советского Союза потеряло интерес к микро-ГЭС - приоритетным направлением в энергетике был признан «мирный атом». В результате значительная часть действующих микро-ГЭС прекратили свою работу и оказались в заброшенном состоянии, в котором находятся по настоящее время.
Характеристики малых ГЭС
В отличие от крупнейших российских гидроэлектростанций, ежегодно вырабатывающих многие гигаватты электроэнергии, производительность их младших собратьев значительно скромнее: мощность микро-ГЭС не превышает 100 кВт; пико-ГЭС - до 5 кВт. Вторым значимым отличием маломощных гидроагрегатов является отсутствие плотины в месте их размещения - получить разрешение в надзорных госорганизациях на перекрытие русла любого водоема, независимо от дистанции между берегами, с целью подъема уровня воды фактически невозможно.
Важно: Каждый и любой водоем на территории Российской Федерации, за исключением тех, что находятся в пределах частных земельных участков (кроме рек и ручьев), принадлежит государству и находится под его охраной (Водный кодекс РФ). Соответственно, любые попытки внесения изменений в русло водоема без разрешения властей - нарушение федеральных законов.
Производство электроэнергии малыми ГЭС ведется по тому же принципу, что и у их мегаваттных аналогов - вода из водоема направляется к лопастям гидротурбины и вращает ее, а та передает механическую работу ротору гидрогенератора, вырабатывающего электрический ток.
Мощностные характеристики турбины несколько выше, чем у гидрогенератора, объединенных вместе в один гидроагрегат. Тип гидротурбины определяется по высоте напора воды:
- при высоком напоре (свыше 60 м) используются радиально-осевые и ковшовые турбины;
- при среднем напоре (от 25 до 60 м) ГЭС оснащают радиально-осевыми и поворотнолопастными турбинами;
- при низком напоре (более 3, но менее 25 м) механическую работу осуществляют поворотнолопастные модели турбин, заключенные в металлические или бетонные камеры.
Выбор гидрогенератора для микро-ГЭС зависит от потребителей производимой ею электроэнергии. Если предполагается запитывать приборы с активной нагрузкой, т.е. полностью преобразующие поступающую электроэнергию в ее иную форму (свет, тепло и т.п.), то подойдут асинхронные альтернаторы. Но в том случае, если в сети присутствуют электроприборы с реактивной нагрузкой (любые насосы и электродвигатели), возвращающие часть электрической энергии обратно в генератор, то справиться с этим может лишь синхронный генератор. Реактивная нагрузка на асинхронный альтернатор в конструкции микро-ГЭС промышленного изготовления компенсируется блоками возбуждения и балластным.
Прежде, чем перейти к изучению характеристик известных типов мини-ГЭС и пико-ГЭС, рассмотрим их общие достоинства и недостатки.
Плюсы микро-ГЭС :
- генерация электроэнергии происходит от возобновляемого источника, более стабильного, чем солнечный свет и ветер;
- близость к конечному потребителю, энергетические потери на транспортировку при этом минимальны либо отсутствуют;
- низкая стоимость электроэнергии, с учетом нулевых затрат на исходное топливо;
- полное отсутствие каких-либо выбросов в атмосферу, минимальное воздействие на водные бассейны;
- выход на полную мощность у малых гидроэлектростанций занимает меньше времени, чем у генераторов на нефтепродуктах;
- вдали от центральных сетей энергоснабжения лишь малые ГЭС способны обеспечивать потребителей электроэнергией бесперебойно, т.к. не зависят от регулярных поставок горючего.
Минусы малых гидроэлектростанций :
- русла небольших рек и ручьев часто пересыхают летом и промерзают зимой;
- производительность мини-ГЭС связана с напором воды и ее количеством. Чтобы обеспечить свой дом электроэнергией в полном объеме, может потребоваться создание запруды выше по руслу водоема - но это нарушение законодательства РФ;
- строительство полноценной, пусть даже и небольшой гидроэлектростанции, способной исправно снабжать загородный коттедж электрической энергией круглый год, обходится недешево.
Бесплотинные микро-ГЭС
Достоинство бесплотинных малых гидроэлектростанций - они дешевы и просты в установке, их установка не требует согласования с государственными органами. Их общие недостатки: низкая производительность (не более 5 кВт, обычно до 2 кВт); необходимо достаточное расстояние между берегами реки и глубина более полуметра; повреждения при столкновении с плавающими объектами (чаще - c фрагментами деревьев); невозможность использования зимой ввиду обледенения водоема. Рассмотрим несколько наиболее интересных вариантов малых ГЭС.
Гирляндная мини-ГЭС . Полуметровые крыльчатки пропеллеров изготавливаются из 0,5-0,7 мм оцинковки, их нанизывают и закрепляют на 10-15 мм стальном тросе - он становится приводным валом для генератора. Трос закрепляется подшипниковым соединением на металлической стойке на одном берегу, а на другом крепится к валу генераторного ротора. По расчетам ее разработчика Бориса Сергеевича Блинова, на реке со скоростью течением порядка 2,5 м/с каждый гидроагрегат гирляндной микро-ГЭС произведет в среднем от 1,5 до 2 кВт. О действующих моделях такой гидроэлектростанции толком ничего не известно, поэтому судить о ее реальной эффективности сложно.
Недостатки гирляндной гидроэлектростанции: высокая материалоемкость; невысокий КПД; создание препятствия для движения по реке (по сути - это та же плотина).
Рукавная микро-ГЭС . Ее создал также Б.С. Блинов - разработка велась им в 70-х годах прошлого века одновременно с гирляндной гидроэлектростанцией.
Ее преимущество заключается в возможности использования малых водоемов - для выработки электроэнергии достаточным будет ручей, чей дебет воды превышает 50 л/с и чье русло имеет перепад высот более 5 м. Забор воды производится с помощью сужающейся трубы, широкий верх которой подведен к наиболее быстрой части течения, а в ее нижней части расположена гидротурбина. В СССР рукавные микро-ГЭС пользовались спросом и их производили на заводах, но ближе к 90-м выпуск был прекращен. Начиная с 2000 года предпринимались неоднократные попытки наладить серийный выпуск рукавных микро-ГЭС, однако спрос на них невелик - вероятно, причина в малой известности этих гидроагрегатов.
Мини-ГЭС Н.И. Ленева . Алтайский изобретатель Николай Иванович построил свою мини-ГЭС в конце 90-х, патент на нее получил в 2001 году. Конструкция основана на двух рядах плоских, прямоугольных лопастей, каждая разделена осью на неравные друг к другу части, большая из которых выступает обратно направлению потока воды. Такое смещение центра, по словам Ленева, уменьшает турбулентность вокруг лопаток, осевые штыри которых закреплены сверху и снизу на цепях. Под воздействием водного потока цепи с закрепленными на них лопастями вращаются, приводя в движение два вала, распложенных вертикально, при помощи звездчатых колес. Производимая ими работа при помощи промежуточного вала и муфты сообщается гидрогенератору. Производительность микро-ГЭС Ленева, как утверждают разработчики, приобретшие права на изготовление, составит от 2 до 20 кВт (в зависимости от модели).
Следует заметить, что, несмотря на заявленные в прессе многократные продажи моделей микро-ГЭС Ленева, результаты их испытаний и сведенья по фактической эксплуатации ни разу не публиковались.
Гравитационная (водоворотная) микро-ГЭС . В отличие от разработок советских и российских изобретателей малая гидроэлектростанция австрийского инженера Франца Цотлетерера, запатентованная им в 2003 году, привлекла внимание предпринимателей Евросюза и России. Созданная Цотлетерером водоворотная микро-ГЭС базируется на ранних проектах вихревых гидроэлектростанций, над которыми работали американец Кенард Браун в 60-х и австралиец Пол Коурус в 90-х. По сравнению с американской и австралийской микро-ГЭС, Франц Цотлетерер добился двукратного прироста КПД - 76-80% против прежних 35-40%.
Австрийский изобретатель отвел часть воды из ручья в бетонный желоб, построенный вдоль береговой линии. Канал завершается бетонным цилиндром, внизу которого выполнено выпускное отверстие с желобом-отводом. Вода поступает цилиндр по касательной и, подчиняясь силе гравитации, стремится вниз, закручиваясь по спирали - в центре находится турбина, ее то и раскручивает водоворот (среднее число оборотов турбины - 30 об/мин). На водоворотной микро-ГЭС, построенной на ручье с перепадом высоты в 1,3 м и при расходе воды 0,9 м 3 /с, максимальная мощность составила 9,5 кВт, выработка за год - порядка 35000 кВт/ч. Благодаря постоянному вращению воды гравитационно-вихревая гидроэлектростанция исправно работает в зимнее время - в центре воронки поток воды наиболее плотный и его температура примерно равна 4 о С, а формирующаяся по краям бетонного цилиндра корка льда препятствует охлаждению воды в центре, экранируя тепло обратно в воду.
Недостатки водоворотной микро-ГЭС Франца Цотлетерера: стоимость, с учетом бетонных работ, более 100000$ (что, впрочем, дешевле строительства плотинной ГЭС); ограниченная мощность - до 150 кВт. Проект австрийца находится на стадии разработки, поскольку добиться стабильно высокой мощности на выходе пока не удается.
Производители и цены
На российском рынке микро-ГЭС поставляют отечественные компании Ecoteco (Санкт-Петербург), «МНТО ИНСЭТ» (Санкт-Петербург), НПО «Инверсия» (Екатеринбург), ООО «Спецэнергоснаб» (Москва), а также украинская ПП «Аванте» (Киев).
Рассмотрим характеристики, к примеру, рукавной микроГЭС10Пр, выпускаемой «МНТО ИНСЭТ»:
- напор воды - min 2-4,5 м, max - 4,5-10 м;
- расход воды - min 0,07-0,14 м 3 /с, max - 0,095-0,2 м 3 /с;
- производимая мощность - min до 4 кВт, max - до 10 кВт;
- частота вращения - min 1000 об/мин, max - 1500 об/мин;
- напряжение - 400 В (диапазон перепадов от 425 до 450 В);
- частота тока - 50 Гц (диапазон перепадов от 48 до 52 Гц);
- рабочее колесо, диаметр - 235 мм;
- подводящий трубопровод, диаметр - 300 мм.
Ее комплектация:
- энергоблок (поворотнолопастная гидротурбина и асинхронный генератор), вес 180 кг;
- шкаф с блоком балластной нагрузки, вес 70 кг;
- блок возбуждения (автоматического регулирования), вес 70 кг;
- конструкция водозабора, 35 кг.
Расценки на модели малых гидроэлектростанций составляют порядка 1500$ за киловатт установленной мощности.
В завершении
Территория Российской Федерации охвачена сетями центрального электроснабжения не более чем на треть, причем доступ к электроэнергии отсутствует не только на территории Сибири, но и в сельских районах Урала. Отказ от дальнейшего строительства АЭС, потенциально опасных для экологии и населения, привел к длительной паузе в планировании действий, направленных на обеспечение населенных пунктов электричеством. Между тем у России имеется значительный потенциал в области малой гидроэнергетики, но для его реализации необходима поддержка на федеральном уровне. К примеру, в некоторых странах Евросоюза и в Белоруссии действуют государственные программы выкупа электроэнергии, произведенной малыми ГЭС, по двойному тарифу.
Во мы рассмотрим условия, подходящие для создания малой гидроэлектростанции, а также способы ее построения своими руками.
Не секрет, что в последнее время в стране наблюдается новый виток интереса к теме возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в особенности в части малой энергетики. Его проявление нетрудно связать с многочисленными звеньями длинной цепочки причин, заставляющих искать альтернативу традиционным мощностям. Начиная с нефти, взявшей на внешних рынках очередной ценовой рубеж в сто долларов за баррель, как следствие - возросшей стоимости продуктов нефтепереработки на рынке внутреннем и обещаний правительства приблизить цену на газ внутри страны к мировой планке. И заканчивая дефицитом существующих энергетических мощностей, а также пониманием того, что сами по себе запасы органики не бесконечны.
История вопроса
Когда-то СССР по многим видам ВИЭ имел большие научные и технические заделы и богатый опыт использования. Однако в те времена стремление к гигантизму во всех его проявлениях часто ставило крест на многих эффективных сферах энергетики. В эпоху огромных проектов, требовавших больших источников энергии, малые не выдерживали конкуренции с электроэнергетическими гигантами, объединившимися в единую национальную сеть; не могли обеспечить требуемый поток и потому стали отходить на второй план. Их место заняли начавшие строиться в 1950–1960-е годы огромные тепловые и гидроэлектростанции, а впоследствии и атомные станции. Дешевизна первичных энергоресурсов - нефти, газа и угля - надолго похоронила многие сферы ВИЭ. Не стало исключением и одно из наиболее эффективных направлений - малая гидроэнергетика: использование энергии небольших водотоков с помощью микро- (единичной мощностью энергоагрегата до 100 кВт) и малых (единичной мощностью до 10 МВт) ГЭС (далее МГЭС), общей установленной мощностью до 30 МВт.
Еще в начале 60-х годов XX века СССР располагал 11,4% мировых гидроэнергетических ресурсов. Тогда расчеты показывали целесообразность и возможность получать около 1 700 млрд кВт ч электроэнергии, что более чем в пять раз превышало выработку электростанций страны в тот период. Считалось, что основная часть гидропотенциала (74%) располагалась на территории РСФСР. Сейчас этот гидроэнергетический потенциал практически полностью реализуется за счет больших и гигантских ГЭС. Но еще в 1913 году число действовавших в России ГЭС составляло 78 единиц общей мощностью 8,4 МВт. Крупнейшая из них - ГЭС на реке Мургаб мощностью 1,35 МВт. Сейчас их бы отнесли к категории МГЭС. Уже в 1941 году в России работали 660 малых сельских ГЭС общей мощностью 330 МВт. Общее количество МГЭС в СССР после окончания Великой Отечественной войны составляло 6,5 тыс. А во время пика строительства в 1940-е и 1950-е годы ежегодно в эксплуатацию вводились до 1 тыс. объектов.
Но в начале 1950-х в связи с указанным выше началом перехода к строительству гигантских энергетических источников и присоединением небольших потребителей к централизованному электроснабжению данное направление утратило государственную поддержку. Что привело к практически полному разрушению и упадку существовавшей инфраструктуры. Уже в 1962 году в СССР насчитывалось 2 665 МГЭС, в 1980-м - около 100 суммарной мощностью 25 МВт, в 1990 году их осталось всего 55. В настоящее время, по различным оценкам, по всей России действуют от нескольких десятков (60–70) до нескольких сотен (200–300) МГЭС.
В то же время сегодня считается, что по своему потенциалу гидроресурсы России сопоставимы с существующими объемами выработки электроэнергии всеми электростанциями страны. При этом малые реки преобладают в гидрографической сети по числу и общей длине: из 3 млн рек на территории бывшего СССР 2,9 млн - малые реки, а 94% длины речной сети России - малые водотоки. Характерно, что на водосборах малых рек и в их прибрежных зонах сосредоточена большая часть населения: 90% сельского и до 44% городского. По современным оценкам, опубликованным специалистами НИИ энергетических сооружений (Москва), технически достижимый потенциал МГЭС России позволяет производить 357 млрд кВт ч в год. Предполагается, что в дальнейшем малая гидроэнергетика преимущественно будет развиваться в Сибири и на Дальнем Востоке. В европейских районах строительство МГЭС получит развитие на Северном Кавказе.
Красивые планы
При таких «исходных» перспективность развития МГЭС не вызывает сомнений. Это обратило в их сторону взоры органов власти субъектов федерации и крупных игроков и стало дополнительным фактором активизации процессов развития.
Среди регионов Сибири наиболее далеко в вопросе МГЭС продвинулись в Республике Алтай, где разработана концепция развития и схема размещения объектов малой гидроэнергетики 35 малых ГЭС мощностью 105 МВт на территории региона, две из которых уже действуют. По словам министра регионального развития Республики Алтай Юрия Сорокина , недавно проведен тендер и определен подрядчик по проектированию каскада ГЭС на реке Чуя мощностью 12, 25 и 25 МВт. По этому каскаду, а также по двум станциям на реке Мульта и ГЭС Уймень сделаны предложения ГидроОГК и в скором времени ожидается предварительное решение. Также в плане на этот год проведение конкурса на проектирование ГЭС Аргут мощностью около 100 кВт. Выполнение планов является серьезным подспорьем в закрытии 100 МВт дефицита мощностей в республике. Учитывая планы по подключению каскада ГЭС на Чуе к общей сети, результатом вполне может стать снижение тарифа, который в прошлом году составил 1,66 рубля за 1 кВт ч при стоимости на НОРЭМе в среднем 0,5 рубля.
Серьезные планы в Республике Бурятия. По словам заместителя министра по развитию транспорта энергетики и дорожного хозяйства республики Юрия Добровинского , сейчас на стадии завершения экологической экспертизы и разработки проектно-сметной документации находятся проекты ГЭС на реке Ульзиха в Баргузинском районе и Тахойской ГЭС на реке Джида. По предварительным данным, мощность каждой составит около 2 МВт.
Недавно ГидроОГК взялась за развитие малой гидроэнергетики путем выделения из своего портфеля в самостоятельное бизнес-направление проектов по строительству МГЭС - Фонд «Новая энергия». Тем самым компания занялась освоением гидропотенциала малых рек, не отвлекая при этом основные силы от масштабных проектов. Все первоначальные планы фонда связаны с Северным Кавказом. Так, на VI Международном инвестиционном форуме «Сочи-2007» фонд презентовал семь проектов строительства малых ГЭС в Южном федеральном округе, один из которых (создание трех малых ГЭС в Южном Дагестане) уже завершен (станции запущены в декабре 2007 года). В другой - возведение Зарагижской малой ГЭС в Кабардино-Балкарской Республике - привлечен частный инвестор, который обеспечит 40% стоимости проекта, составляющей более 900 млн рублей. Финансирование остальных проектов, представленных в Сочи, осуществляется за счет средств инвестиционной программы ГидрОГК. Вводы мощностей по ним предусматриваются в 2008-2010 годах и сейчас они находятся на стадии практической реализации.
Перспективы МГЭС в Зауралье еще более глобальны: «Сегодня у нас имеются данные по 120 потенциальным площадкам строительства малых ГЭС на территории СФО и ДФО совокупной установленной мощностью более 500 мегаватт. С различным уровнем проработки информации: от идей до серьезных расчетов и обоснований инвестиций», - говорит генеральный директор Фонда «Новая энергия» Андрей Железнов .
Разность подходов
Столь серьезные планы несколько омрачаются реальным новейшим опытом возведения и эксплуатации МГЭС в Сибири, имеющим несколько не очень радужных эпизодов. Объективное видение перспектив невозможно без осмысления недавних событий. Технологии возведения существовавших когда-то многочисленных ГЭС не подходят к современным условиям. За истекший продолжительный период многие компетенции тех времен по возведению МГЭС были утеряны, а многие подходы к их строительству значительно изменились.
По словам генерального директора компании «ИНСЭТ» (Санкт-Петербург) Якова Бляшко , в советские времена к строительству малых ГЭС подходили совсем иначе. «Поскольку на первом месте были интересы промышленности, то стремились использовать гидропотенциал реки полностью, и поэтому малая ГЭС имела плотину. Но малая гидроэнергетика должна выполнять социальную роль и решать социальные задачи. Даже если строительство малой ГЭС экономически целесообразно, но она этой роли не выполняет, то нет смысла в ее возведении», - убежден эксперт. Свою позицию он проиллюстрировал условным примером старого подхода: нормальным считалось строительство малой ГЭС мощностью 15 МВт с удаленностью от социального потребителя на расстояние в 30 км, в то время как при численности населения в 800 человек потребность с перспективой развития составляет максимум 1–1,5 МВт при удалении в 5 км. В первом случае в протянутой от ГЭС до села ЛЭП теряется значительное количество энергии, а поскольку вопросы ее обслуживания не всегда решаются (порывы из-за обледенения, падающих деревьев), то в энергоснабжении нередки сбои.
В связи с этим в современных проектах преобладает подход возведения ГЭС по деривационной схеме, когда от реки на МГЭС делается отводящий рукав-водоток. Такая технология позволяет практически полностью отказаться от водохранилищ и избежать строительства плотин, характерных для крупных ГЭС, а также заметно сокращает период строительства и значительно снижает затраты. Яков Бляшко заметил, что «ИНСЭТ» почти все проекты делает без использования водохранилища: «По деривационной схеме без затопления мы создали два проекта в Кабардино-Балкарии, три проекта в Карачаево-Черкесии и 17 станций общей мощностью более 200 мегаватт в Северной Осетии». Ему вторит Андрей Железнов, отметивший, что «основной задачей фонда является налаживание системы массового, поточного строительства МГЭС, где, в отличие от крупных ГЭС, не признающих типовых инженерных решений, это позволяют делать технологии, применяемые при строительстве гидроузлов малой мощности». Унификации проектов МГЭС так же будет способствовать наличие разработанного и промышленно освоенного оборудования, и опыта его эксплуатации в различных регионах.
Но, как считает директор «Красноярскгидропроекта» Николай Нейланд , дело не столько в генерирующем источнике, сколько в аккумулирующей энергию части ГЭС, то есть водохранилище. Мировая география распространения малых станций затрагивает в основном теплые части света, где ни один водоток зимой не перемерзает. Это в значительной степени относится и к Северному Кавказу. При продолжительности зимы в Сибири в семь–девять месяцев малые водотоки, которые могут давать отдачу, перемерзают, из-за чего работа станций становится очень проблематичной. «В Сибири малая станция не будет нормально эксплуатироваться без резерва воды, хотя бы сезонного регулирования. Для этого нужно создать водохранилище, которое является потенциальным источником энергии. Если это невозможно сделать, то говорить о малой станции просто бессмысленно», - резюмировал он.
Многие проекты малых ГЭС, над которыми работал красноярский институт, предусматривают возведение плотины, однако большие капитальные вложения в напорный фонд (возведение плотины, подготовка ложа водохранилища) а также увеличение времени строительства могут стать непреодолимым препятствием на пути развития малых ГЭС. Относительно деривационного подхода Николай Нейланд заметил, что множество безнапорных станций существовало, например, в Тыве и раньше. Но в основном они предназначались для снабжения сезонных отгонных пастбищ и работали в теплое время года.
Новейший опыт Сибири
Доводы руководителя «Красноярскгидропроекта» косвенно подтверждаются реальной новейшей практикой возведения ГЭС в Сибири. ГЭС Кызыл-Хая на реке Моген-Бурен, запроектированная «Красноярскгидропроектом», с устаноленной мощностью 400 кВт и запущенная в 2001 году с мощностью 150 кВт. Это было сделано в рамках Национальной программы энергообеспечения Республики Тыва за счет использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, предусматривавшей возведение каскада из трех станций. На эти цели от Минэнерго РФ были получены деньги. Впоследствии Министерство энергетики прекратило свое существование, и программа приказала долго жить. Из неофициальных источников стало известно, что все средства израсходованы на одну станцию вместо трех. По всей видимости, это и стало истинной причиной того, что желающих выделять дополнительные средства не нашлось. Текущую фактическую ситуацию с данной ГЭС выяснить не удалось, однако известно, что с момента ее запуска с эксплуатацией регулярно возникают проблемы. Яков Бляшко, компания которого поставила на ГЭС свое оборудование, контролировала строительство и сейчас постоянно оказывает помощь в эксплуатации, охарактеризовал ситуацию на ГЭС следующим образом: «Это не неудачный опыт эксплуатации малых ГЭС, а неудачный опыт подбора соответствующих кадров».
Со вторым по очереди объектом в Республике Алтай - МГЭС Кайру мощностью 400 кВт также были определенные сложности технического плана. По словам Юрия Сорокина, ГЭС начинал строить совхоз, и заложенные проектом противофильтрационные мероприятия не были доведены до конца. В частности, вовремя не защищена пленка, пришедшая впоследствии в негодность. С самой плотиной вопросов нет. Но из-за отсутствия специалистов в округе возник ряд трудностей с ее эксплуатацией, из-за чего во время паводка лишняя вода шла через верх. Сейчас все недостатки устранены, и ГЭС работает в нормальном режиме.
Третья и последняя в Сибири малая ГЭС - Джазатор (Республика Алтай) мощностью 630 кВт введена в строй в ноябре прошлого года. И если Кайру построена по классической схеме, то эта ГЭС уже деривационного типа, с небольшой плотиной и водохранилищем. По всей видимости, проблема перемерзания водотока ей не грозит, учитывая, что минимальная расчетная температура ее эксплуатации составляет -56°С.
Живой фактор
Все три сибирские МГЭС находятся на значительном удалении от цивилизации. Например, село Кызыл-Хая (Тыва) находится в 650 км от Кызыла, а 120 км пути от райцентра села Улаган до села Балыкча (потребителя ГЭС Кайру) преодолеваются за четыре часа. При этом до появления ГЭС местные жители не платили за электричество (солярка для дизельгенераторов - основного в этих районах источника энергии до появления ГЭС - оплачивалась из средств программы северного завоза), а новость о необходимости ежемесячной оплаты энергии в одночасье сделала их врагами возобновляемых источников.
Кроме того, общий уровень жизни и образования населения при такой удаленности от большой цивилизации можно себе представить. А потому большой проблемой является наличие квалифицированного обслуживающего персонала. В Республике Алтай, как считают, нашли выход из этой ситуации. По словам Юрия Сорокина, на Джазаторе создана независимая управляющая акционерная компания, учредителем которой выступил муниципалитет. Квалификация работников поднималась путем обучения на Кайру, а также участия в строительстве Джазатора. Принятые на работу в УК работники из числа местных жителей должны стимулировать продажу энергии, заниматься сбором денег и непосредственно эксплуатацией. Этот опыт планируется перенести на МГЭС Кайру, где до этого у муниципалитета действовал договор с компанией, осуществлявшей только техническое обслуживание и получавшей вознаграждение за технические услуги. При этом обслуживающий персонал не имел специализированных знаний по гидроэнергетике.
Андрею Железнову решение кадровой проблемы видится в следующем: «Поскольку на данном этапе наши проекты реализуются в регионах присутствия ГидроОГК, эксплуатировать построенные малые ГЭС мы собираемся с привлечением специалистов региональных филиалов компании. При работе в регионах, где нет филиалов ГидроОГК, нам выгодно набрать большое количество проектов с такой экономикой, которая бы обосновывала создание и содержание команды специалистов-эксплуатационников», - убежден он.
Экономика - двигатель прогресса
Несмотря на множественные технические и организационные вопросы МГЭС и возрастание интереса к ним, число реализуемых проектов в Сибири по-прежнему чрезвычайно мало. Скорее всего, основным двигателем должна стать экономическая составляющая. В частности, во многих отдаленных поселениях, снабжающихся сейчас электроэнергией от дизельгенераторов, ее себестоимость очень высока. На Алтае она достигает 22 рублей за 1 кВт ч. Например, после запуска ГЭС Джазатор стоимость энергии для местного населения при себестоимости 53 копейки за 1 кВт ч составила 4,2 рубля. Дальнейшее снижение тарифа планируется за счет подключения новых потребителей, перевода социальной сферы на электроотопление и увеличение потребления энергии населением.
Кроме того, одним из основных аргументов активистов строительства МГЭС являются существующие перекосы в централизованном энергоснабжении, когда потери в сетях достигают или превосходят объемы потребляемого отдаленными районами электричества. Так, по словам Юрия Добровинского, Республика Бурятия полностью электрифицирована, поэтому основная задача новых МГЭС - повышение экономической эффективности энергоснабжения.
По мнению многих специалистов, массовому приходу инвесторов в этот сектор мешает прежде всего отсутствие информации о самой возможности участия частного капитала в проектах строительства малых ГЭС. Последней отмашкой для инвесторов стал запуск системы мер государственной поддержки ВИЭ, принятой в ноябре 2007 года, в виде поправок в Федеральный закон «Об электроэнергетике». Они гарантируют субсидирование затрат на подключение генерирующих объектов к сетям за счет средств федерального бюджета, а также обеспечивают надбавки к цене за каждый произведенной сверх нормы оптового рынка малыми ГЭС кВт ч электроэнергии. Также энергосистемам вменено в обязанность закупать в определенных объемах энергию ВИЭ. Принятия всех подзаконных актов, регламентирующих порядок реализации нововведений, нужно ждать не раньше середины 2008 года. После этого, учитывая инициативность местных администраций, зачастую берущих на себя затраты по проектированию, и опыт эксплуатации уже построенных объектов, наступит серьезный прорыв в этом сегменте.
При подготовке статьи использованы материалы периодического научно-технического журнала «Малая энергетика». - М., 2004. - № 1.
- Гидроэнергетический потенциал России колоссален, но сегодня используется слабо. Неосвоенными остаются 80% гидроэнергоресурсов.
- Использование энергии малых рек представляется одним из наиболее актуальных направлений в деле освоения гидроэнергоресурсов Российской Федерации.
- Развитие малой гидрогенерации - экологически приемлемый и экономически целесообразный метод решения целого комплекса проблем, связанных с энергобезопасностью и дефицитом электроэнергии на отдельных территориях нашей страны.