Направления развития электроэнергетики Казахстана: Гидроэнергетика

Гидроэнергия в Казахстане явля­ется вторым по удельному весу в то­пливном балансе электроэнергетики энергоресурсом, уступая лишь углю. Конечно, развитие энергетики за счёт увеличения мощности ГЭС – наиболее привлекательный вариант. Это связано с тем, что ГЭС оказываются способны­ми влиять на маневренную мощность, дефицит которой остро ощущается в республике. В Казахстане еще в 2019 года при общем профиците производ­ства электроэнергии – до 2 тыс. МВт, в определённые часы – не хватало ма­невренных мощностей. Это приводило к дисбалансу энергетической системы во время пиковых нагрузок. Нехват­ка электроэнергии в это время уже в течении многих лет покрывается за счёт импорта из России. Стоимость балансирования в 2019 году обошлась для Казахстана в 8,5 млрд тенге [23]. В 2020 году республика купила у РФ 1,132 млрд кВт-ч при общем объёме потребления в 105,2 млрд кВт-ч.

Всё это связано прежде всего с не­хваткой установленных мощностей ГЭС в энергосистеме Казахстана.

Доля ГЭС в структуре производства электроэнергии в 2018 году в СНГ со­ставила 16,4 %, а в мире – 15,7 %, а в Ка­захстане – 12,3 %. Установленная мощ­ность ГЭС в структуре генерирующих мощностей в 2018 году в СНГ составила 18,4 %, а в мире, с учётом ГАЭС – 18 %. В Украине планируется увеличить долю ГЭС и ГАЭС до 2026 года с нынешних 7-10 % до 15,5 %. В ЕЭС Казахстана на конец 2018 года по информации она составляла 10,1 %, что является явно недостаточным. Именно нехватка уста­новленных мощностей ГЭС в республи­ке создает дисбаланс в энергетической системе, приводя к понижению частоты и ухудшению условий устойчивости.

Для исключения проблем при про­хождении пиков, связанных с дефици­том маневренной мощности, обеспе­чения баланса активной мощности и возможности регулировании частоты в ней, желательно, чтобы в структуре установленных мощностей в энергоси­стеме, доля ГЭС составляла не менее 15 % от установленной мощности всех станций энергосистемы.

Эти цифры желательны для энерго­системы при отсутствии в ней возобнов­ляемых источников. Интегрированные в энергосистему ВИЭ, непредсказуе­мый и изменчивый режим их работы и, особенно, вариабельность ветроэлек­тростанций, создают качания в энер­госистеме, влияют на баланс активной мощности, на процесс регулирования частоты и порой создают значительные сложности в работе энергосистемы. За счёт этого даже в нормальных режимах работы электростанций появляется не­обходимость увеличения маневренной мощности для обеспечения устойчиво­сти и надёжности работы энергосисте­мы. В Украине, например, считают, что приблизительно 15-25 % дополнитель­ных высокоманевренных мощностей от мощности ВИЭ необходимо добавить, чтобы обеспечить интеграцию ВИЭ в энергосистему Украины.

Имеющийся потенциал ГЭС Ка­захстана не позволяет энергосистеме самостоятельно обеспечить даже нор­мальный режим в условиях энергоне­зависимого Казахстана. Поэтому, даже без интеграции возобновляемых источ­ников энергии в энергосистему, необхо­димо форсировать развитие ГЭС. Уве­личить мощность ГЭС, расположенных на крупных реках непросто, потому что в этой местности невозможно затапли­вать большие территории под водохра­нилища для них. В условиях появления возобновляемых источников энергии роль гидроэлектростанций многократ­но возрастает и на их развитие необхо­димо обратить особое внимание.

Вызывает удивление отношение го­сударства к гидроэнергетике. ГЭС для энергосистемы – это курица, несущая Золотые яйца. Гидроэнергетика органи­чески, физиологически связана с энер­гетической системой. Только наличие гидроэнергетики позволяет энергети­ческой системы нормально функцио­нировать и обеспечивать управляемый режим работы энергетической системы.

В первые годы независимости ре­спублики, гидростанции – регуляторы энергосистемы, сердце энергетической системы Казахстана, крупнейшие ГЭС: Усть-Каменогорская (проектная мощ­ность – 533,6 МВт, фактическая мощ­ность – 355,6 МВт) и Шульбинская (яв­ляется третьей станцией в Иртышском каскаде и самой крупной в Казахстане по установленной мощности – 702 МВт) ГЭС были переданы в концессию аме­риканской компании AES. ГЭС нахо­дились в концессии в течение 20 лет (с 1997 по 2017 год).

Известно, что ГЭС в любой стра­не являются стратегически важным объектом и допуск иностранцев к ним должен быть запрещён.

Не всё было просто при взаимо­отношениях между американской компании AES и правительством. Казахстан не единожды предъявлял претензии к компании, заявляя, что AES не выполняет требования инве­стиционного договора и не выполня­ет постановления Верховного Суда. AES также неоднократно обращалась к правительству, требуя повышения тарифа для выполнения ими инвести­ционных обязательств. Однако, тариф не повышался.

Кое-какие работы на ГЭС ком­пания провела. Так, AES на Усть-Ка­меногорской ГЭС выполнила ре­конструкцию гидроагрегата №1, включающую в себя полную замену гидрогенератора, замену силовых трансформаторов и выполнила реконструкцию оборудования открыто­го распределительного устройства, а на Шульбинской ГЭС были проведе­ны работы по отделке и реконструк­ции машинного зала ГЭС, капиталь­но отремонтировали 1 гидроагрегат вместе с системой управления техно­логическим процессом.

Однако, обязательства в полной мере никто не исполнил. Дважды дело о взаимных финансовых претен­зиях между Казахстаном и AES рассма­тривалось в рамках международных арбитражных организаций. AES вел переговоры с правительством Казах­стана по продлению концессии, но договориться не смогли.

Но наконец наступило хорошее время. 1 октября 2017 года заверши­лось действие концессионного догово­ра между Казахстаном и американской AES Corporation, после чего 100% доли участия в двух концессионных объек­тах – ТОО «AESУсть-Каменогорская ГЭС» и ТОО «AES Шульбинская ГЭС» были приняты в государственную соб­ственность. Комитет государственно­го имущества и приватизации Мини­стерства финансов Казахстана передал права владения и пользования госу­дарственными долями участия ТОО «AES Усть-Каменогорская ГЭС» и ТОО «AES Шульбинская ГЭС» в Министер­ство энергетики РК.

Итак, наконец, любимое дитя энер­госистемы вернулось в отчий дом.

Энергетическая система сумела за­брать назад гидроэлектрические стан­ции в свое лоно. Мне казалось, что это должен был быть национальный праздник, праздник возвращения од­ного из самых любимых детей в лоно энергосистемы, праздник, по меньшей мере, для энергетиков. Но, увы, празд­ника не было.

И снова прошло время. И вдруг не так давно, в феврале этого года, я уз­наю о том, что на двух крупнейших ГЭС Восточного Казахстана началась предпродажная подготовка. Согласно комплексному плану приватизации, на 2021-2025 годы, принятому поста­новлением Правительства РК в де­кабре 2020 года, Усть-Каменогорская ГЭС и Шульбинская ГЭС выставлены на торги и будут проданы частным ин­весторам в мае 2021 года.

Сегодня снова вызывает удив­ление отношение государства к ги­дроэнергетике. Как дважды можно наступать на одни грабли? Снова стратегический государственный объект стремятся передать в част­ные руки. Наличие крупных ГЭС по­зволяет осуществить диспетчерское оперативное руководство ведения режима работы всей энергосистемы, обеспечить регулирование частоты, оптимизировать функционирова­ние всех электростанций и линий электропередачи. Без регулирую­щих мощностей компания «KEGOC» просто невыживаема. Так зачем же поручать выполнение этих функций частному лицу и потом зависеть от его и воли? Как решать стратегиче­скую задачу государства по развитию ВИЭ без самого важного для их ин­теграции в энергосистему – без ГЭС и надеяться на «милость дяди» и его желания по их регулированию, для которого это только лишние хлопо­ты. Или снова платить России за ре­гулирование? Я снова повторяю, что крупные ГЭС органически связаны с энергосистемой и отделить одно от другого нельзя, и для меня их прода­жа равносильна продажи части го­сударственной энергосистемы. Мне кажется, что факт объявления тен­дера является преступлением против государства.

Надеюсь, что пока не поздно, уже новый Министр энергетики не позво­лит вершить государственное безо­бразие.

 Гидроаккумулирующие электростанции – ГАЭС

Технология гидроэлектроэнерге­тики с насосным накоплением воды – ГАЭС впервые была разработана в 1890-х годах.

В современную эпоху развитие ВЭС и СЭС создают нестабильный режим в энергосистеме. Технология ГАЭС спо­собствует демпфированию вариабель­ной генерации от ВИЭ, что позволяет расширить их интеграцию в энергоси­стему. Таким образом ВИЭ являются основной движущей силой развития ГАЭС во всём мире.

Поэтому естественно полагать, что Казахстан, который взял на себя гло­бальные планы развития ВИЭ и, остро ощущающий на себе отсутствие ма­невренных мощностей в энергосисте­ме, не может пройти мимо технологии гидроаккумулирования, которая се­годня широко распространена во всём мире.

Однако приходится констатиро­вать, что, к сожалению, в Казахстане нет ни одной гидроаккумулирующей станции.

Во вновь разработанном «Плане развития гидроэнергетической отрас­ли Республики Казахстан на 2020-2030 годы» подписанным 2 сентября 2021 года не предусматривается строитель­ство ГАЭС.

В плане предусматривается строи­тельство ряда контррегуляторов. Без­условно, контуррегуляторы – это шаг вперёд и этим нужно заниматься.

Булакская ГЭС как контррегуля­тор безусловно поможет снять огра­ничение с располагаемой мощности Шульбинской ГЭС и будет способ­ствовать увеличению маневренной мощности.

Однако контррегулятор, это совсем не то, что создание ГАЭС. У них раз­ные функции и возможности. Поэто­му контррегуляторы никоим образом не устраняют вопрос строительства ГАЭС в Республике.

Роль ГАЭС в энергосистеме извест­на. ГАЭС – это великолепный источ­ник маневренной мощности, которой так не хватает в республике. Кроме того, технология ГАЭС особенно эф­фективна в условиях увеличения уров­ней интеграции ВИЭ в энергосистему, что также необходимо Казахстану уже сегодня.

Для покрытия остропиковой ча­сти графика нагрузки, как правило, привлекается специальное пиковое оборудование, имеющее высокие ма­невренные характеристики. К их чис­лу относятся ГАЭС. Кроме того, ГАЭС могут в любой момент времени высту­пить в роли накопителя энергии, что очень важно при развитии ВИЭ. ГАЭС в настоящее время являются самым распространенным и мощным методом хранения энергии, используемым в мире.

Как известно любая ГАЭС имеет два бассейна, верхний и нижний, и обратимые гидроагрегаты, которые способны работать и в генераторном режиме и мгновенно перейти в режим насоса. Мощность ГАЭС прежде все­го определяется объёмами бассейнов ГАЭС. Чем они больше, тем большее количество электроэнергии ГАЭС спо­собна отдать в случае возникновения дефицита в системе. Объём бассейна определяет временные возможности регулирования ГАЭС по длительности (сутки, неделя, сезон). Процесс заряда и разряда ГАЭС показан на Рис. 6. ▼

ГАЭС работают в двух режимах: на­сосном режиме, когда они потребляют избыточную энергию, и в турбинном, когда они сами вырабатывают элек­троэнергию.

При наличии в энергосистеме из­быточной электроэнергии, ГАЭС ав­томатически переходит в насосный ре­жим и перекачивает воду из нижнего бассейна в верхний. Фактически, ГАЭС в энергосистеме перераспределяет во времени электроэнергию, вырабаты­ваемую разными электростанциями, в соответствии с командами диспетчера энергосистемы. За счёт этого отпадает необходимость регулирования мощно­сти на тепловых электростанциях, что экономически выгодно и для самих станций, и для энергосистемы. Как из­вестно, наиболее эффективная работа ТЭС в энергосистеме достигается при их работе в базисной части графика нагрузок, практически с постоянной мощностью. Поэтому ГАЭС особенно эффективно применять в энергосисте­ме с крупными тепловыми электро­станциями (как, например Экибастузские ГРЭС), которые не могут быстро снижать выработку электроэнергии при ночном снижении энергопотре­бления или же делают это с больши­ми потерями, что приводит к суще­ственному увеличению коммерческой стоимости пиковой электроэнергии в энергосистеме, по сравнению со сто­имостью электроэнергии, вырабаты­ваемой при работе в ночной период. В этих условиях использование ГАЭС в значительной степени повышает эф­фективность использования других мощностей, позволяет им работать с максимальным КПД, что значительно улучшает технико-экономические по­казатели тепловой станции и её надёж­ность функционирования, а также по­вышает надёжность и энергосистемы, да и сама ГАЭС при этом быстро себя окупает.

При наличии в энергосистеме сол­нечных электростанций излишки вы­работанной ими днем электроэнергии запускают насосы ГАЭС и также с помощью насосов перекачивают воду из нижнего бассейна в верхний. Ана­логичным образом электроэнергия, выработанная на ВЭС ночью в часы сниженного электропотребления запа­сается ГАЭС.

Зато в часы пиковой нагрузки энер­госистемы диспетчер энергосистемы нажатием кнопки переводит ГАЭС из насосного режима в режим генерации, и закачанная в верхний бассейн вода, падая вниз, вращает гидроагрегаты станции выдает необходимую мощ­ность для энергосистемы. Этот про­цесс работы ГАЭС в режиме насоса и генератора может неоднократно с лю­бой частотой осуществляться в энерго­системе. Причём диспетчер энергоси­стемы может в любой момент времени одним нажатием кнопки превратить эту станцию в гигантскую аккумуля­торную батарею.

Главной задачей ГАЭС является ба­лансировка объединённой энергоси­стемы, что особенно важно при инте­грации ВИЭ в энергосистему. Вот она маневренная мощность и для прохож­дения пиковых нагрузок, и для демп­фирования непостоянства генерации от ВИЭ которой так нахватает Казах­стану. ГАЭС имеет высокоманеврен­ные агрегаты, которые могут быть в течение нескольких минут переведены из насосного режима в генераторный.

Пуск агрегатов ГАЭС из оста­новленного состояния в турбинном режиме с синхронизацией и пол­ным набором мощности составляет 1-2 мин, а при вращении на холостом ходу – 15-30 с. Изменение мощности гидроагрегата или его остановка тре­буют всего несколько секунд.

Технология ГАЭС очень эффек­тивна для регулирования суточных изменений графика нагрузки энер­госистемы. Это объясняется тем, что цена покупки ночной электроэнер­гии, во время, когда ГАЭС закачивает воду и запасает энергию, значительно ниже стоимости пиковой мощности, когда ГАЭС отдает запасённую энер­гию. Разница в стоимости между це­ной покупки ночной электроэнергии для закачки и ценой пиковой днев­ной электроэнергии для продажи и определяет эффективность использо­вания ГАЭС. Как понятно из сказан­ного, в режимном плане мощность ГАЭС позволяет ей обеспечить регу­лирование в двукратном диапазоне относительно установленной мощно­сти самой станции.

Поэтому за здравие любой ГАЭС диспетчера энергосистемы будут всегда молиться. Надёжность ГАЭС высока. Их срок службы очень велик. Установленная мощность существу­ющих ГАЭС варьируется от 1 до 3000 МВт, при эффективности порядка 70-80 % и эксплуатационном сроке службы до 40 лет. Однако для круп­ных гидротехнических сооружений только расчётный срока службы со­ставляет 100 лет, а гидроагрегаты на отдельных ГЭС в России успешно ра­ботают уже 80-100 лет.

Отличительной особенностью ГАЭС по сравнению с традиционными ГЭС являются сравнительно неболь­шие удельные капитальные вложения при их строительстве и значительно меньшие сроки ввода их в эксплуата­цию (которые обычно не превышают 4-5 лет) в отличие от обычных ГЭС, что уменьшает срок их окупаемости.

Первые гидроаккумулирующие сооружения были построены в Евро­пе еще в 1908 году. Для сооружения ГАЭС на планете необходимо найти такой рельеф местности, где имеется и приличный перепад высот, и место для строительства сразу двух бассей­нов, и возможность обустроить саму станцию.

В Европе практически таких мест уже нет, все подобные места уже ис­пользованы и удивляться этому не приходится – чем больше мощность построенных солнечных и ветряных электростанций, тем острее спрос на балансирующие мощности.

В начале XXIвека в мире действо­вало только около 200 ГАЭС. Но уже в настоящее время, несмотря на то, что не все страны могут найти площадки для их размещения в связи с нараста­ющей интеграцией ВИЭ в энергосисте­мы, количество их увеличивается. В настоящее время в мире уже насчиты­вается более 500 ГАЭС.

В 2018 году мощность ГАЭС в мире превысила 109 ГВт. В прогнозе Bloombergдинамика запуска новых мощностей ГАЭС в настоящее время демонстрирует некоторый подъём в краткосрочной перспективе. Наиболь­шее развитие ГАЭС получили в Китае (40 ГВт, из них 19 мощностью более 1000 Мвт). Бурное строительство ГАЭС в Китае объясняется тем, что страна в рамках программы общенационально­го перехода к возобновляемым источ­никам энергии и отказу от угольных электростанций, долгое время являв­шихся основным источником произ­водства электроэнергии, выделяет в настоящее время значительные инве­стиции в развитие проектов ГАЭС.

Интенсивное развитие ГАЭС про­исходит по всему миру. На сегодняш­ний день мощность ГАЭС в США бо­лее 23 ГВт (из них 9 мощностью более 1 ГВт), в Японии – более 27 ГВт (из них 8 мощностью более 1 ГВт), в Евро­пе – более 25 ГВт (из них в Германии – 5,3 ГВт), в Южной Корее – 4,7 ГВт.

Самая крупная ГАЭС – Бас Каун­ти мощностью 3,003 ГВт, построенная в США. Однако строящаяся в китай­ской провинции Хэбэй ГАЭС Fengning мощностью 3,6 ГВт, которая должна быть полностью введена в эксплуата­цию в 2023 году, станет крупнейшей гидроаккумулирующей электростан­цией в мире. Она будет работать как пиковая электростанция для обеспече­ния стабильной работы сети, уравно­вешивая прерывистое энергоснабже­ние от крупных ветряных и солнечных парков в регионах северного Хэбэя и Внутренней Монголии.

В России построено 4 ГАЭС (Загор­ская ГАЭС мощностью 1200 МВт, За­горская ГАЭС-2 – 840 МВт, Ленинград­ская ГАЭС – 1560 МВт, ГАЭС Каскада Кубанских ГЭС – 1590 МВт) и запро­ектировано более 20. А Днестровская ГАЭС на Украине мощностью 2268 МВт в турбинном режиме и 2947 МВт в на­сосном режиме станет самой большой в Европе.

Мы хотим показать каким путем страны со значительно меньшими при­родно-ландшафтными возможностя­ми, чем Казахстан, имеющие совсем разные условия, относительно просто решили задачу создания маневренных мощностей за счёт ГАЭС. Поэтому остановимся на 2 примерах.

Греция, понимая, что ГАЭС обыч­но рассматривается как наиболее перспективная технология для повы­шения уровня интеграции ВИЭ в энер­госистему, на острове Икария 5 июня 2019 года, во Всемирный день окру­жающей среды запустила второй в Европе гибридный парк возобновляе­мых источников энергии, сочетающий энергию ветра, ГЭС и ГАЭС. Ветро-гидросистема мощностью 6,9 МВт вклю­чает ВЭС мощностью 2,7 МВт, две ГЭС установленной мощностью 4,1 МВт, насосную станцию мощностью 3 МВт и два резервуара для воды. Расчётная выработка электроэнергии системой составляет около 9,8 ГВт-ч в год. Стои­мость проекта 50 миллионов евро.

В Израиле в 2018 году на склоне горы построена ГАЭС. При этом уста­новленные мощности энергосистем Израиля и Казахстана почти равны: в Израиле – 18019 МВт , а в Казахстане – 23621,6 МВт (располагаемая мощность – 20078,6 МВт), однако в Израиле весь­ма ограничена площадь страны – всего 22 145 км2, а в Казахстане – 2 717 000 км2. Источником воды для станции являются родники из долины. Расход воды станции составляет 2,7 млн м3 для первоначального заполнения и еще 600 000 м3в год для компенсации испарения.

Примечательно, что в отличие от других ГАЭС, установленных в мире, на станции в Израиле не используются водоёмы для хранения воды. В каче­стве хранилища воды здесь использу­ются специальные резервуары, в кото­рые вода закачивается под давлением в часы минимальных нагрузок. В соот­ветствии с проектом, были построены два резервуара: верхний и нижний, с пропускной способностью около 2,7 миллиона кубических метров каждый. Один примерно на высоте 750 метров над уровнем моря, другой – на высоте 80 метров над уровнем моря. Резервуа­ры связаны бетонным туннелем, кото­рый выкопан под утесом, длиной около 4500 метров, заполненный стальными трубами 16 дюймов в диаметре. Кроме того, есть туннель около 1500 метров для обслуживания и логистики. Мощ­ность станции составляет 300 МВт. Всего на станции установлено две на­сосные турбины, мощностью 150 МВт каждая. Станция работает в часы пик. Отклик между режимом потребления (хранения) и производством состав­ляет 90 секунд. Минимальная эффек­тивность системы составляет 76%. Стоимость проекта составляет около 120 млн евро.

Строительство ГАЭС было обу­словлено развитием ВИЭ в стране, установленная мощность которых в 2018 году была в 75 раз больше, чем в Казахстане, однако в стране велика доля башенных СЭС, способных генерировать электроэнергию в ночное время, которых нет в Казахстане.

Ледяные вершины Тянь-Шаня, Заилийского Алатау и Алтайских гор высотой 5-7 тысяч м не годятся для строительства ГАЭС, но разве вблизи нет возможных мест для строительства ГАЭС? Неужели в Казахстане, площадь которого в 20 раз больше площади Гре­ции и в 125 раз больше, чем у Израиля, не имеющего ни одной ледяной верши­ны, да и расход воды в реках этих стран несоизмерим, не может быть найдено место для строительства нескольких ГАЭС по типу Китая, который уже в 2020 году имел 40 ГВт гидроаккумули­рующей мощности и ещё по меньшей мере 10 ГВт мощности ГАЭС находятся в стадии строительства?

Хочу обратить внимание на особенности законода­тельства Китая, которые позволили ему за несколько лет стать лидером в про­движении ГАЭС. В Китае любая компа­ния, устанавливающая ВИЭ в энергоси­стеме обязана выделять определенные финансовые средства на строительство и функционирование ГАЭС. Это поло­жение государственного закона требует от компаний, зарабатывающих на «зе­леной энергетике» побеспокоиться о балансировке объединённой энергоси­стемы без поблажек и исключений. Почему бы и нам не учесть этот опыт? Поэтому я считаю, что создание ГАЭС должно быть одной из первостепенных задач при составлении долгосрочного плана развития энергетики в республике.

Кроме того, сама ГАЭС является маневренной мощностью, поэтому и электроэнергия, генерируемая ею, должна продаваться не по тарифу ба­зисной мощности и даже не по тари­фам ВИЭ, а значительно выше. Хорошо известно, что тариф пиковой мощно­сти в несколько раз превышает тариф базисной мощности. Величина этого тарифа должна соответствовать стои­мости пиковой мощности, покупаемой Казахстаном на границе с сопредель­ными государствами. Наверняка вели­чина этого тарифа будет выше тарифа, определённого по итогам аукционных торгов, как предусмотрено поправка­ми к Закону РК от 9 ноября 2020 года «О внесении изменений и дополнений в некоторые законодательные акты Ре­спублики Казахстан по вопросам энер­гетики». Однако для республики это всё равно окажется выгодным, так в этом случае оплата за купленную энер­гию останется в республике, а не уйдет в сопредельные государства.

Полагаем, что предлагаемые реше­ния позволят в короткие сроки за счёт ГАЭС в значительной степени способ­ствовать ликвидации дефицита манев­ренных мощностей в республике.

Продолжение следует …

Герман Геннадьевич ТРОФИМОВ
д. т. н., профессор, заслуженный энергетик СНГ и Республики Казахстан

Facebook Comments
Print Friendly, PDF & Email

Просмотров: 582