Електроенергія має безліч приємних і корисних властивостей. Її відносно нескладно виробляти, практично миттєво передавати на будь-які відстані і перетворювати в тепло, світло або механічну роботу, за нашим вибором. Але у електрики є і істотний недолік - його складно запасти про запас.
Схожі на батарейки акумулятори побутових електроприладів, що важать лічені грами, дозволяють зберігати мікроскопічні потужності. MP3-плеєру цього достатньо. Автомобілю потрібно побільше - і розміри автомобільного акумулятора дають наочне уявлення про те, як ускладнюється завдання по мірі зростання запасів. А тепер уявімо, що нам треба якось приберегти помітний відсоток від електрики, виробленого енергосистемою немаленькою країни ...
Більшість людей працюють вдень, а відпочивають вночі. Працюючій людині зазвичай потрібен комп'ютер, верстат або ще що-небудь, що живиться від розетки. Сплячій людині потрібен хіба що будильник і, іноді, кондиціонер. Не дивно, що споживання електроенергії протягом доби нерівномірне. Російські споживачі беруть з Єдиної енергосистеми близько 90 000 МВт о 6:00 по Москві і близько 110 000 МВт ближче до полудня.
В енергосистемі не повинно бути ні надлишку енергії, ні дефіциту. Інакше дисбаланс починає позначатися на якості виробленого «товару»: на надлишок потужності, система реагує підвищенням частоти струму, якщо недолік - навпаки. Не треба пояснювати, що ні одне, ні інше зовсім не корисно для включеної в розетку техніки, розрахованої на стандартні 50 Гц, так і для самих електростанцій теж. Тому одна з головних задач управління енергосистемою - підстроювання потужності під споживання таким чином, щоб частота струму в перебувала в допустимих межах. Для Росії це 50 ± 0,2 Гц.
Місце спорудження ГАЕС вибирається виходячи з потреб енергосистеми в маневреної потужності в поєднанні з місцевими умовами, в першу чергу - рельєфом. Щоб ГАЕС могла працювати в період пікових навантажень і провалів, запасу води у верхньому б'єфі повинно вистачати не менше ніж на три години. Це означає, що туди має міститися близько 20-30 мільйонів кубометрів води - невелике рукотворне озерце. На російській рівнині верхній б'єф, як правило, простіше викопати штучно. В інших умовах можливі найрізноманітніші варіанти, аж до кратера погаслого вулкана.
Проблема в тому, що генеруючі потужності не можна вимкнути на ніч так само просто, як лампочку на стелі. Велика частина електроенергії в європейській частині Росії (і в багатьох інших країнах) виробляється тепловими або атомними електростанціями. Атомний реактор виводиться на потужність три-шість годин. Тепловий агрегат - два-три години з гарячого стану і порядку доби - з холодного. Крім того, теплові агрегати розраховані на постійну роботу при певній температурі, і «вкл / викл» з неминучим охолодженням конструкції призводить до значного зниження її ресурсу. З гідроагрегатами простіше, для них час старту - це хвилини, але значна частина російських ГЕС знаходиться на схід від Уралу, і на енергетичну «погоду» в Центрі вони впливають слабо.
В СРСР ситуація почасти пом'якшувала адміністративно: багато підприємств працювали в дві-три зміни, що згладжувало «нічний провал». Вдень же частота струму була майже завжди трохи нижче номінальних 50 Гц. Втім, радянська техніка була менш вимоглива до харчування, ніж сучасна, а якщо щось і згорали, то залучити електромережу до відповідальності було малореально. У сучасній Росії все зовсім не так - споживачі по судах затягають.
Статор гідроагрегату Загорській ГАЕС-2. Як не дивно, саме нерухомий статор є найбільш напруженим вузлом агрегату. Здалеку величезна металева конструкція виглядає як іграшка, але фігурки людей показують істинний масштаб.
Не забудемо і про безпеку. Аварії на Саяно-Шушенській ГЕС сприяли багаторазові перемикання гідроагрегату, в ході яких турбіна проходила через небезпечний для неї режим. Вибуху на ЧАЕС «допомогла» довга робота на малій потужності - згодом вона була заборонена регламентом. Звичайно, в обох випадках головним була якість техніки, але зрозуміло і те, що нестабільна робота для енергетики - погане рішення.
В останні роки ситуація в багатьох країнах (поки не в Росії) посилюється зростанням частки «зеленої» енергетики, в першу чергу вітряної. Вітер - примхлива стихія, тому на кожну тисячу «вітряних» мегават потрібно мати в запасі в середньому 400 МВт резервної потужності, здатної швидко включитися в штиль і так само швидко зникнути з попутним вітром. Для «звичайної» енергетики нормативний резерв маневреної потужності вчетверо менше.
Ми підійшли до суті проблеми: в енергосистемі повинні бути якісь елементи, здатні акумулювати надлишок потужності вночі і видати його назад днем. Бажано, щоб те й інше могло відбуватися швидко.
Необхідною умовою роботи ГАЕС є перепад висот між верхнім і іНіжнего басейнами, причому, чим він більший, тим краще. Потужність гідроагрегатів прямо пропорційна напору - отже, чим він більший, тим менше нам буде потрібно води для вироблення того ж кількості електроенергію Світові рекорди по напору належать італійським ГАЕС Сан-Фьоріна (1404 м) і едоло (1 256 м). На їх фоні Загорська ГАЕС з натиском близько сотні метрів виглядає, звичайно, скромно.
У різні роки і в різних країнах пророблялися десятки варіантів, включаючи явну екзотику типу інерційних систем на базі величезних маховиків або пневматичних - із закачуванням стисненого повітря в покинуті шахти або свердловини. В принципі можливий варіант надпровідного кільця - індуковані в ньому струм, можна зберігати його потім практично вічно, витрачаючи лише на охолодження. Проблема в розмірах, але ще важливіше, що з такого акумулятора складно зняти енергію по частинах.
Перспективний шлях створення маневрених потужностей - використання газотурбінних або газопоршневих (ДВС на газі) енергоустановок: вони запускаються за 5-15 хвилин і відключаються в будь-який момент. Мінус в тому, що ці установки не працюють як акумулятори - їх можна тільки відключити. Та й газ шкода, невідновних ресурс все-таки.
З пустого в порожнє
Коль скоро люди вміють отримувати енергію з течії води, логічно спробувати її в воді і акумулювати - закачати вище і спускати вниз, на лопаті турбіни, у міру потреби. Перша ГАЕС - гідроакумулююча електростанція - була побудована в Швейцарії під кінець XIX століття, зараз їх по всьому світу близько трьохсот.
Принцип дії ГАЕС дуже простий: станція має два резервуарами (бьефами), верхнім і нижнім. Б'єф не обов'язково повинен бути чимось схожим на озеро, в США працюють кілька ГАЕС, на яких в ролі нижнього б'єфу виступають занедбані шахти. Втім, хоча б один з резервуарів повинен поповнюватися природними водами, щоб компенсувати випаровування води, її фільтрацію в грунт і т. Д.
Машини станції закачують воду наверх вночі, забираючи з мережі надлишок енергії, і спускають її назад в години пікових навантажень. ККД обох процесів менше одиниці, отже, в мережу повертається менше, ніж з неї береться. Однак, оскільки «нічний» електрику дешевше «денного», процес приносить прибуток. Правда, для цього ККД станції повинен бути досить високий. ККД визначається відношенням того, що повернуто в енергосистему, до того, що з неї перед цим було взято. В першу чергу він залежить від напору води, тобто від різниці висот між верхнім і нижнім бьефами. При перепаді висот порядку кілометра ККД може доходити до 90%, при зменшенні напору він знижується.
Частота в ЄЕС Росії на 30.05.2011 Генерируемая потужність повинна цілодобово відповідати споживанню, з невеликим запасом. Для цього в «провальні» годинник частина генераторів працює з неповним завантаженням. Проте, спокуса мати резерв маневреної потужності все одно великий.
На жаль, Росія - країна рівнинна і знайти майданчик з перепадом хоча б в сотню метрів тут проблема. Єдина російська ГАЕС - Загорська - має напір трохи більше 100 м і ККД 72-74%.
Будівництво Загорській станції на річці Кунья в Підмосков'ї почалося в 1974 році в рамках програми розвитку ГАЕС. Станція розглядалася як пілотна, призначена для освоєння нової для СРСР системи з подальшим її тиражуванням на двох десятках майданчиків. Передбачалося надати Гідроакумулюючий «супутник» кожної АЕС. Реальні досягнення виявилися скромнішими. Крім Загорській були побудовані ще дві ГАЕС - в Литві і на Україні. На Загорській ж перший гідроагрегат був пущений в 1987 році, а шостий - тільки в 2000-му. Потужність станції в режимі генерації дійшла до 1200 МВт, проте ще в ході будівництва стало ясно, що цього мало. У 1989 році вийшла урядова постанова про будівництво ГАЕС-2 по сусідству. Фактично будівництво розпочалося в 2007 році. Таким чином, Загорська ГАЕС сьогодні залишається єдиною в Росії. Щоб подивитися на станцію ближче, ми не полінувалися туди з'їздити.
Генерація та споживання (погодинна) ЄЕС в Росії
Як воно є
Серце станції - машинний зал. У момент нашого прибуття перший з шести гідроагрегатів був розібраний на плановий ремонт, п'ять інших працювали, видаючи в мережу покладені мегавати. У секунду через кожен з них проходить 225 м³ води, що стікає з верхнього б'єфу по водоводах. Агрегати станції оборотні, тобто одна і та ж турбіна в залежності від напрямку руху працює або як генератор, або як насос, закачують воду вгору. Як показує світовий досвід, таке рішення оптимально для станцій з низьким напором. Якщо ж різниця висот між бьефами перевищує півкілометра, то раціональніше використовувати різні машини, проте для рівнин Росії ця ситуація не дуже актуальна.
Для зниження потужності вночі повністю використовується маневрений потенціал гідроелектростанцій, розвантажуються невеликі конденсаційні теплові станції, знижується потужність агрегатів ГРЕС, проводиться розвантаження ТЕЦ на 10-15%. Технічні можливості ТЕЦ ускладнюють велику розвантаження, та й взагалі подібне маневрування тепловими агрегатами не можна визнати оптимальним рішенням, тому що воно призводить до підвищеного зносу і перевитрати палива. Відносно АЕС практично немає загальних критеріїв, що визначають допустиму розвантаження з урахуванням вимог безпеки. До чудовим якостям ГАЕС відноситься їх багатофункціональність. Станція може застосовуватися для згладжування пікових і напівпікових навантажень, регулювання частоти, а також в якості аварійного джерела потужності. Цьому сприяє висока маневреність обладнання: для набору повного навантаження з стоячого положення потрібно 10-60 секунд в генераторному режимі і до десяти хвилин - в насосному режимі. Додамо до цього довговічність, дешевизну експлуатації і практично абсолютну екологічну чистоту. На фото - Загорська ГАЕС. Вид з дамби.
Відвід видали схожий на звичайну трубу, тільки поблизу вдається зрозуміти, що його діаметр можна порівняти з тунелем метро. Робочий об'єм в верхньому б'єфі - близько 22 млн кубометрів (загальний - трохи більше 30), при включенні всіх шести агрегатів цього вистачає на 4 години 15 хвилин, потім станції пора «на підзарядку». Число пусків агрегатів на добу може доходити до двох-трьох десятків.
Управління здійснюється безпосередньо системним оператором, тобто з загальноросійського рівня, минаючи регіональний. Майже резерв головного командування. «У колишні часи бувало таке, що нас могли включати хвилин на десять - затикати дірки», - ділиться спогадами директор станції Володимир Магрук. - Довелося в кінці кінців влаштувати для диспетчерів екскурсію до нас, поставити їх біля гідроагрегату і показати, як виглядає його включення на закачування. Після цього стали обережніше ". На питання про те, як диспетчери виходять з положення тепер, Володимир Іванович, посміхаючись, відповідає, що їм довелося краще планувати свою роботу.
Цікавлюся у супроводжуючого нас інженера, чи водиться риба в б'єфі. Так, але в агрегати вона, як правило, не потрапляє. Риб'ячого розуму вистачає, щоб триматися подалі від шумів і вібрації.
Нижній б'єф станції викопаний в руслі річки Куньи. Річка-невеличка нижче за течією перегороджена греблею, що дозволило зібрати з неї пристойних розмірів озерце. Природного припливу вистачає, щоб компенсувати випаровування води. Навіть минулого літа серйозних проблем з водою у ГАЕС не було.
За півкілометра від «старої» ГАЕС виритий котлован, в якому йде будівництво споруд ГАЕС-2. На станції буде чотири агрегати сумарною потужністю близько 850 МВт. Водоводи до них монтуються практично на наших очах: секції труби семиметрового діаметра, забетонованої зовні, збираються на рівні верхнього б'єфу і на санчатах спускаються вниз «з гірки». При спорудженні «старої» станції досвіду у будівельників було менше, що в якийсь момент призвело до аварії. Чергова секція на час обідньої перерви залишилася лежати на схилі, закріплена тросами. Щось обірвалося, і багатотонний тунель зі швидкістю поїзда з'їхав по гірці вниз, врізавшись в уже зібрану частину водоводу. Довелося все переробляти заново. Залізобетонні «колечка» від того водоводу, по 150 т кожне, так і лежать з тих пір неподалік до превеликий подив гостей станції.
У неспеціалістів іноді виникає питання про те, чому б не побудувати поруч з другою чергою ГАЕС ще третю, четверту і т. Д., Якщо вже саме в цьому місці рельєф дозволяє. Але подібне рішення створило б занадто велике навантаження на передавальні лінії і підстанції в околицях. «Гідроакумулятори» вигідно розміщувати в безпосередній близькості від великих і інерційних генеруючих потужностей або на стику регіональних енергосистем для регулювання перетоків між ними. Стара ідея про суміщення АЕС і ГАЕС в найближчі роки може знайти нове життя. Зокрема, зараз розглядається проект будівництва ГАЕС, «приуроченої» до Курської АЕС- прямо на майданчику.
Підводячи підсумки, можна сказати, що переливання з пустого в порожнє може бути, як не дивно, енергетично і економічно вигідним заняттям.
Автор дякує прес-службу ВАТ «РусГідро» за допомогу в підготовці матеріалу
Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №7, Грудень 2011 ).