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
Направления развития электроэнергетики Казахстана: ВИЭ
Направления развития электроэнергетики Казахстана: путь устранения дефицита мощности Южного региона
Направления развития электроэнергетики Казахстана: Система накопления электрической энергии
