Альтернативная энергетика

7.3.2. Малая гидроэнергетика

В соответствии с государственным стандартом (ГОСТ 17.1.1.02-77. Гидросфера, классификация водных объектов) к малым рекам относятся те, площадь водосбора которых не превышает 2000 км² или длина до 100 км независимо от площади водосбора.

В настоящее время к малой гидроэнергетике относят все объекты, вырабатывающие электроэнергию за счет падающей или движущейся воды, мощностью от нескольких киловатт до 1-12 МВт, расположенные не только в руслах малых или в верховьях больших рек, но также на водохранилищах, каналах, системах коммунально-бытового водоснабжения.

Специалисты считают, что малая энергетика сейчас переживает как бы второе рождение. За прошедшие 30-40 лет после сооружения десятков крупных ГЭС в мире (особенно в бывшем СССР) на больших реках, когда, с одной стороны, были затоплены огромные площади плодородных пойменных земель, уничтожены сотни тысяч гектаров эффективных сельскохозяйственных угодий, садов, лесов, были нарушены гидравлические и гидрохимические режимы больших и средних рек, спровоцированы к деградации экосистемы этих водных объектов и, с другой стороны, доля электроэнергии, вырабатываемой этими большими ГЭС, в общем объеме электроэнергии, продуцируемой при помощи ТЭС и АЭС, оказалась небольшой, остро встал вопрос о целесообразности сооружения больших ГЭС.

Очень большая стоимость, наличие сравнительно небольшого количества географически подходящих для строительства регионов, значительный экологический ущерб от затопления земель, подтоплений территорий, заиления, гибель рыб-мигрантов, цветения водохранилищ, увеличение сейсмической активности и др. привели к тому, что и в США, и в странах бывшего СССР, и в других регионах мира эра больших и гигантских ГЭС закончилась. Исключением остаются Китай и Бразилия, где до конца века имел место значительный прирост электроэнергетики за счет создания и эксплуатации сверхмощных ГЭС (ГЭС Итайпу в Бразилии – 12,6 ГВт, ГЭС “Три Горджес” в Китае – 13 ГВт). Китай пока является лидером и в строительстве малых ГЭС – в стране насчитывается более 90000 гидротурбин, обслуживающих электроэнергией сельские местности.

Последнее десятилетие ознаменовалось тем, что промышленно развитые страны значительно активизировали восстановление и строительство малых ГЭС. Это характерно для США, Японии, стран Скандинавии, Германии, Польши. В Польше, например, идет реставрация 640 малых плотин, в Канаде – 570. Годовой прирост выпуска оборудования для малых ГЭС (гидротурбин мощностью от 0,5 до 11 кВт) в странах СНГ составлял около 700 штук (1995-1996гг.). Малыми ГЭС в СНГ технически может быть освоено около 500 млрд. кВтч (около 23%). Большую эффективность малой гидроэнергии в бывшем СССР и других странах подтвердили 40-50-е годы, когда в эксплуатацию были введены многие тысячи малых ГЭС, обеспечивающие дешевой и экологически приемлемой электроэнергией многие колхозы, совхозы, села, фермы, отдельные промышленные предприятия, заводы, рабочие поселки.

Но в 60-70-х годах из-за быстрого развития большой энергетики во всем мире на базе крупных тепловых и атомных электростанций, мощных и сверхмощных ГЭС, которые строились с полным игнорированием экологических последствий, многие тысячи малых ГЭС были выведены из эксплуатации, законсервированы или уничтожены. Украина в этом плане не явилась исключением.

В начале 20-х годов в Украине насчитывалось 84 гидроэлектростанции общей мощностью 4000 кВт, а в конце 1929 года – уже 150 станций общей мощностью 8400 кВт. В 1934 году введена в эксплуатацию Корсунь – Шевченковская ГЭС (1650 кВт), которая по своим техническим характеристикам была одной из лучших станций того времени.

В этот и послевоенный период электрификация сельского хозяйства основывалась на увеличении мощности и улучшении технико-экономических показателей малых ГЭС, количество которых к началу 50-х годов составило 956 единиц общей мощностью 30 тыс. кВт. С развитием электрификации и централизованного энергоснабжения страны на базе тепло- и гидростанций строительство малых ГЭС было приостановлено.

Опыт зарубежных стран, а также резко изменившаяся экономическая, энергетическая и экологическая ситуация в стране (высокая стоимость и дефицит ТЭР, наметившаяся тенденция к децентрализации энергоснабжения, переход на рыночные отношения) заставили вновь повернуться лицом к малой гидроэнергетике. Проведенное обследование технического состояния оборудования и сооружений малой гидроэнергетики, показало, что на территории Украины сохранилось 150 малых ГЭС, из которых действующих – 49 единиц.

Все малые ГЭС, также как и гидроресурсы в целом, распределены по территории Украины неравномерно: большинство – в центральном и западном регионах. Суммарная мощность составляет 119,2 тыс. кВт (248,9 млн. кВт.ч), из которых 75% размещено на действующих ГЭС.

Общие потенциальные ресурсы 202 основных рек Украины оцениваются в 4880 МВт, а потенциальные ресурсы приток больших рек, средних и малых речек – около 2600 МВт. На них уже создано более 20 тыс. малых и больших водохранилищ. Около 260 водохранилищ имеют емкость 10  100 млн. м³, на которых возможно сооружение малых ГЭС с напорами 5  10 м (единичной мощностью 0,5  2,0 МВт).

Малая энергетика Украины в связи с ее незначительным удельным весом (до 0,2%) в общем энергобалансе не может существенно влиять на условия энергообеспечения страны, однако позволяет производить около 250 млн. кВт.ч электроэнергии. Это эквивалентно ежегодной экономии до 75 тыс. т дефицитного органического топлива. Мини- и микро ГЭС могут стать массовыми, равномерно распределенными по территории Украины. Развитие малой гидроэнергетики следует рассматривать как одно из направлений политики энергосбережения и улучшения экологической обстановки в Украине.

Возрожденные и вновь построенные в последнее время малые ГЭС отличаются большой степенью автоматизации. Сегодня в Европе функционирует более 45 тысяч малых ГЭС мощностью 60-5000 кВт, в Азии – более 150 тысяч (главным образом в Китае и Японии). В Швеции, Норвегии и Швейцарии малая гидроэнергетика дает около 90% электроэнергии.

В совершенствование гидротурбин для малой гидроэнергетики весомый вклад внесли французские инженеры (фирма “Neyrpic”). Они изобрели новый вид турбины грушевидной формы, которая универсальна и может производить энергию просто за счет быстро текущей воды, для нее не требуется плотина, она может быть установлена в узких местах, ниже потоков от сбросового сооружения. Перспективной считается также разработанная французами (1978-80гг.) миниатюрная гидроэлектростанция “Hydrolec” (фирма “Leroy-Somer”), которая способна давать до 4 кВт энергии при разнице в уровнях речной воды всего 0,9 м, если скорость потока превышает 266 л/с.

Благоприятным фактором для развития малых ГЭС является малое время, необходимое для достижения проектной мощности (около 1 года, для АЭС – 10-12 лет), небольшая стоимость, экологичность, широкие возможности для сооружения при наличии разветвленной речной сети, каналов.

Биомасса – термин, который используется для обозначения совокупности живой и неживой растительной и животной материи на нашей планете. В это понятие также включаются органические остатки, отходы – навоз, отходы мясо- и молококомбинатов, гниющие овощи, остатки сельскохозяйственных культур на полях, органические промышленные и бытовые отходы, отходы лесного хозяйства, отходы боен, зерноперерабатывающих, пивоваренных, текстильных, бумажных заводов.

В любой форме биомасса считается возобновляемым источником, единственно доступным, простым и дешевым источником энергии для большинства сельских жителей планеты. В Эфиопии, Непале, Танзании, в Сибири и Амазонии, в Северной Канаде и на островах Полинезии, Микронезии, в Малайзии за счет биомассы удовлетворяется 80-90% потребностей в топливе. Даже в таких развитых странах, как США, Швеция, Норвегия, Канада доля энергии, получаемой из биомассы, в общем объеме получаемой энергии составляет 4-10%.

Биомасса – продукт фотосинтеза – важнейшего процесса рождения живого вещества за счет солнечной энергии.

Получение энергии из биомассы (древесины, древесных отходов, соломы, навоза, сельскохозяйственных отходов, органической части твердых бытовых отходов) является динамично развивающейся отраслью во многих странах мира. Этому способствуют следующие свойства биомассы (БМ), как топлива: большой потенциал и возобновляемый характер, надежность систем энергоснабжения на ее основе, возможность значительного снижения выбросов СО₂ в атмосферу, значительный вклад в решение экологических проблем за счет использования различных отходов, весомый вклад в решение социальных проблем и экономическое развитие регионов.

Благодаря значительному потенциалу, малым срокам окупаемости проектов, экологическим преимуществам биомасса один из наиболее приоритетных среди других возобновляемых источников энергии в большинстве стран. К концу двадцатого века общий объем мировых первичных энергоресурсов составил около 8,5 млрд. тонн нефтяного эквивалента, из которых примерно 7 млрд. т.н.э. приходится на долю ископаемого органического топлива. В то же время, энергетический потенциал всей растительности нашей планеты составляет около 70 млрд. т.н.э. , т.е. в 10 раз превышает использование ископаемого топлива. Часть древесины, используемой для получения энергии, составляет: в Дании – 61% от общего объема вывезенных из лесов древесины, во Франции – 56%, Испании – 44%, Швейцарии – 56%. В среднем в Европе каждый год темпы ее использования возрастают на 7,3 % (в Швеции – рост 10,2% в год, Дании – 9,2%, Франции – 8,9%, Испании – 7,7 %).

Стратегия развития биоэнергетики существенно отличается в различных странах ЕС. Так, Австрия и Италия концентрируют свои усилия на строительстве тепловых станций мощностью 0,510,0 МВт, использующих в качестве топлива отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности. В Финляндии, Дании и Швеции около 70% полученной из БМ энергии преобразуются в тепловую и электрическую энергию на крупных теплофикационных ТЭЦ, остальная часть – на больших тепловых станциях. В большинстве случаев это ТЭЦ мощностью 1080 МВт, использующие в качестве первичных энергетических ресурсов БМ и традиционные топлива. В США почти все станции, работающие на БМ, вырабатывают электроэнергию. Сводные данные о энергетическом использовании БМ в различных странах представлены в табл.7.8.

Одним из способов получения энергии из биомассы животного и частично растительного происхождения является ее анаэробное (без доступа кислорода) сбраживание. Для этого биомассу определенное время выдерживают без доступа кислорода, как правило, при температуре 30-37 ⁰С или 55-60 ⁰С. В этих условиях под действием бактерий часть органических веществ разлагается. В результате образуется метан и углекислый газ, смесь которых и представляет собой биогаз. В нормальных условиях работы реактора (метантенка) полученный биогаз содержит 60-70% метана, 30-40% двуокиси углерода, немного сероводорода (до 3%), а также примеси водорода, аммиака и окислов азота. Такой газ не имеет неприятного запаха, его теплота сгорания достигает 25 МДж/м³, что эквивалентно теплоте сгорания 0,6 л бензина или 0,85 л спирта, или 1,7 кг дров.

Одним из преимуществ биогазовых установок является то, что они одновременно выполняют роль очистных сооружений, снижающих бактериальное и химическое загрязнение грунта, воды и воздуха. В сравнении с малыми ГЭС, ветро- и гелиоэнергоустановками, которые являются пассивно чистыми (используют экологично чистые источники энергии) биогазовые установки – активно чистые, т.е. устраняют экологическую опасность продуктов, которые используются как источники первичной энергии.

Сегодня в Европе сосредоточено 44% мирового объема установок аэробного сбраживания, в Северной Америке – 14%. В 1994 г. в странах ЕС было зарегестрировано 397 больших биогазовых установок, в том числе промышленных и централизованных сельскохозяйственных.

Наиболее близкой к Украине по потенциалу и концепции развития биоэнергетики представляется Дания, поскольку обе страны имеют достаточно малую территорию, покрытую лесом (около 14%), и высокоразвитый сельскохозяйственный сектор. В Дании эксплуатируется 50 тепловых электрических станций и 5 крупных ТЭЦ использующих древесину как топливо; эксплуатируется 8000 фермерских установок (0,11,0 МВт), 62 ТЭС (110 МВт) и 9 ТЭЦ, сжигающих солому; действуют 18 централизованных биогазовых установок, вырабатывающих ежегодно 4045 млн.м³ (0,02 млн.т.н.э) биогаза. В целом, за счет применение биогаза покрывается 6% потребности страны в энергоресурсах. Дания наглядно демонстрирует Украине, какие результаты могут быть достигнуты в данном перспективном направлении.