4. Энергия малых водных потоков
Наиболее подготовленными к экономически эффективному практическому использованию среди ВИЭ являются относительно новые технологии преобразования энергии небольших водотоков с помощью малых гидроэлектростанций (ГЭС), которые могут сооружаться почти на любых водных объектах, имеющих сколько-нибудь значимый гидроэнергетический потенциал: на малых реках и ручьях, водосборных сооружениях мелиоративных систем, водосбросах ТЭЦ, а также в питьевых водоводах, продуктопроводах предприятий, канализационных коллекторах и др.
В Российской Федерации имеется свыше 2,5 миллионов малых рек, в бассейнах которых проживает до 44% городского населения страны и 90% сельского. Они формируют около половины суммарного объема речного стока, а их энергетический потенциал, использование которого возможно доступными средствами, составляет 493 млрд. , в том числе более 100 млрд. только в Европейской части [1]. Карта распределения потенциальных гидроэнергетических ресурсов малых рек по территории России (мини- и микро-ГЭС) представлена на Рис.21.
Рис. 21. Карта распределения потенциальных гидроэнергетических ресурсов малых рек по территории России (мини- и микро-ГЭС)1
Объекты малой гидроэнергетики условно делят на два типа: «мини» (МГЭС) - обеспечивающие единичную мощность до 5 МВт, и «микро» (МкГЭС) - работающие в диапазоне от 3 до 100 кВт. Использование гидроэлектростанций таких мощностей для России вовсе не новое, а хорошо забытое старое: в 50-60-е годы в стране работало несколько тысяч малых ГЭС, которые обеспечивали до 25% потребностей сельского хозяйства в электроэнергии. В последующие годы по ряду причин, прежде всего, в связи с развитием централизованных систем энергоснабжения, базирующихся на использовании крупных электростанций, их строительство было приостановлено. Сегодня в России эксплуатируется немногим более 100 малых ГЭС, однако темпы возрождения малой гидроэнергетики непрерывно возрастают [38].
По своей сути (микро-) мини-гидроэлектростанция представляет собой целый комплекс специального оборудования и сооружений, посредством которых энергия водного потока преобразуется в электрическую (Рис.22).
Рис.22. Схема установки (микро-) мини-ГЭС1: 1-водозаборное устройство; 2-водовод; 3-турбина; 4-выпускной коллектор; 5-генератор; 6-устройство автоматического регулирования
Принцип работы ГЭС достаточно прост: цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимую концентрацию потока воды, поступающего на лопасти гидротурбины, которая, в свою очередь, преобразуя энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения, приводит в действие гидрогенератор, вырабатывающий электроэнергию.
Необходимый напор при этом образуется либо путем строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, либо деривацией – естественным током воды. В некоторых случаях используют совместно и плотину, и деривацию[39].
Классификация малых ГЭС. Различают следующие основные виды малых ГЭС:
По принципу создания напора:
Плотинная МГЭС – ГЭС, в которой для создания напора используются как плотина, так и здание ГЭС;
Русловая МГЭС – ГЭС, в которой здание ГЭС используется для создания напора;
Приплотинная МГЭС – плотинная ГЭС, в которой здание ГЭС не участвует в создании напора;
Деривационная МГЭС – ГЭС, в которой напор создается за счет естественного перепада уровней водотока при напорной или безнапорной деривации;
Смешенная МГЭС – ГЭС, в которой напор создается как за счет плотины, так и за счет естественного перепада уровней, реализуемого при помощи деривации;
Бесплотинная МГЭС (МкГЭС) – ГЭС, использующая преимущественно кинетическую энергию потока на рабочем колесе гидравлической машины;
Свободнопоточная МГЭС (МкГЭС) – ГЭС, использующая кинематическую энергию водного потока в его естественном состоянии;
По принципу размещения гидроагрегатов:
Плавучая МГЭС (МкГЭС) – ГЭС, гидроагрегаты которой располагаются на плавучих средствах;
Погружная МГЭС (МкГЭС) – ГЭС, в которой используются погружные, то есть размещенные под водой, гидроагрегаты;
По мобильности:
Стационарная МГЭС (МкГЭС) – ГЭС, не предназначенная для перемещения в другой створ водотока;
Мобильная МГЭС (МкГЭС) – ГЭС, конструктивное исполнение которой предусматривает возможность ее перемещения на другое место установки без нарушения готовности к работе ее основных узлов;
По типу потребителя:
Сетевая МГЭС (МкГЭС) – ГЭС, предназначенная для работы параллельно с электрическими сетями федерального или регионального значения, мощность которой считается бесконечной по отношению к мощности МГЭС (МкГЭС);
Автономная МГЭС (МкГЭС) – ГЭС, предназначенная для работы на изолированного потребителя электроэнергии или местную изолированную электрическую сеть, мощность которой соизмерима с мощностью МГЭС (МкГЭС) [40].
На базе малых ГЭС могут также создаваться энергокомплексы, так как их водохранилища способны аккумулировать энергию солнечных и ветровых электростанций, характеризующихся непостоянным режимом функционирования, что позволяет более эффективно использовать значительный потенциал и других возобновляемых источников энергии.
Удельные затраты на строительство малых ГЭС колеблются от 800 до 1500 долл. на 1 кВт мощности, при этом срок окупаемости составляет 3-5 лет, а стоимости электроэнергии не более 4 центов за 1 [41].
Экологические аспекты малой гидроэнергетики
Неблагоприятные воздействия малой гидроэнергетики на окружающую среду:
Отчуждение плодородных (пойменных) земельных площадей;
Подтопление земель вблизи водохранилищ в результате повышения уровня грунтовых вод, которые, как правило, переходят в категорию заболоченных;
Уничтожение земель и свойственных им экосистем, происходящее в результате их разрушения водой (абразии) при формировании береговой линии. Абразионные процессы обычно продолжаются десятилетиями, имеют следствием переработку больших масс почвогрунтов, загрязнение вод, заиление водохранилищ;
Ухудшение качества воды в водохранилищах – в них резко увеличивается количество органических веществ как за счет ушедших под воду экосистем (древесина, растительные остатки, гумус почв и т.п.), так и вследствие их накопления в результате замедленного водообмена;
Нарушение гидрологического режима рек, свойственных им экосистем и видового состава гидробионтов;
Отрицательное влияние на рыбное хозяйство – снижение вкусовых качеств обитателей водной среды, возрастание заболеваемости (особенно поражение гельминтами) и нарушение путей миграции рыбного стада, разрушение кормовых условий нерестилищ и т.п.;
Тепловое загрязнение вод, создающее условия для зарастания водоемов и интенсивного развития водорослей, в том числе и ядовитых сине-зеленых (цианобактерии) [42].
Таким образом, негативное влияние, оказываемое объектами малой гидроэнергетики на окружающую среду, аналогично воздействию крупных ГЭС, однако, в отличие от него, проявляется в значительно меньших масштабах.