Статья: Оценка перспектив использования возобновляемых источников энергии на базе малой гидроэнергетики в Ростовской области

ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ НА БАЗЕ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ В РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

В.Л. Бондаренко

доктор технических наук, профессор

Г.Л. Лобанов

кандидат технических наук, доцент

А.В. Алиферов

Российский научно-исследовательский

институт проблем мелиорации,

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт

имени А. К. Кортунова

Донского государственного аграрного университета

Цель работы - проведение исследований по оценке гидроэнергетических ресурсов и перспектив развития малой гидроэнергетики на действующих гидротехнических сооружениях (ГТС) водохозяйственных систем (ВХС) Ростовской области. На современном этапе развития промышленного и сельскохозяйственного производства в Южном и Северо-Кавказском регионах большое значение имеет использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в частности гидроэнергетического потенциала малых водотоков и ГТС водохозяйственных систем. С помощью системного анализа ВХС Ростовской области были обоснованы места размещения малых ГЭС на действующих ГТС Ростовской области. На базе проведенных полевых обследований и выполненных водно-энергетических расчетов по результатам изучения топографических карт (масштаб 1:10000 или 1:25000) осуществлена оценка гидроэнергетических ресурсов сетевых ГТС в Ростовской области. Перспективными створами для малых ГЭС водохозяйственного комплекса Ростовской области являются 16 функционирующих ГТС. Показатели суммарной мощности и производства электроэнергии на малых ГЭС предварительно оцениваются в 66,6 МВт (или 570 млн кВт·ч) в год. В настоящее время произведены водно-энергетические расчеты, осуществлен выбор основного гидротурбинного оборудования и расчет стоимости ГЭС. В соответствии с этим при реализации возможного плана развития по использованию ВИЭ на малых ГЭС в Ростовской области до 2020 г. замещение органического топлива ежегодно составит до 1,0 млн т условного топлива, а объемозамещение природного газа - около 1 млрд мі в год. Следует подчеркнуть, что использование малых ГЭС на базе действующих ГТС позволит снизить себестоимость электроэнергии, потребляемой в целях орошения земель и работы систем сельскохозяйственного водоснабжения.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, малая ГЭС, гидротехнические сооружения, водохозяйственная система, малые водотоки, бассейновая геосистема, электрическая энергия.

V.L. Bondarenko, G.L. Lobanov, A.V. Aliferov

ASSESSMENT OF THE PROSPECTS OF RENEWABLE ENERGY USE BASED ON SMALL HYDROPOWER IN ROSTOV REGION

The aim of research is the investigation of assessment of hydropower resources and prospects of development of small hydropower at existing hydraulic structures (GTS), water works (VKHS) of Rostov region. At the present stage of industrial and agricultural production development in the South and the North Caucasus region the use of renewable energy sources (RES)is of great importance, in particular hydropower potential of small watercourses and hydraulic structures of water systems. With the help of system analysis of water works in Rostov region the locations for small hydropower stations at existing hydraulic structures were justified. On the basis of field surveys and completed water and energy calculations based on the study of topographic maps (scale 1:10000 or 1:25000) an assessment of hydropower resources of hydraulic structures network in Rostov region is performed. 16 functioning hydraulic structures are promising sites for small hydropower plants of water complex of Rostov region. Indicators of total power and power generation of small hydropower stations are tentatively estimated as 66.6 MW (or 570 million kW·h) per year. Currently water and energy calculations were done, the main hydraulic turbine equipment choice was carried out and small hydropower station cost calculations were performed. Accordingly, by implementation of a possible development plan for the use of renewable energy at small hydropower plants in Rostov region until 2020, the replacement of fossil fuels will reach 1.0 million tons of equivalent fuel each year, and natural gas volume replacement is about 1 billion cubic meters per year. It should be emphasized that the use of small hydropower plants on the basis of the existing hydraulic structures will reduce the cost of electricity consumed for irrigation of agricultural land and the work of water supply systems.

Keywords: renewable energy, small hydroelectric power stations, hydraulic structures, water management system, small watercourses, basin geosystem, electric energy.

Введение

Постановлением Правительства РФ № 426 от 3 июня 2008 г. и Распоряжением Правительства РФ от 8 января 2009 г. № 1-р утверждены Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2024 г. [1].

С учетом задач, обозначенных в данном постановлении, целью исследований являлась оценка гидроэнергетических ресурсов и перспектив развития малой гидроэнергетики на действующих гидротехнических сооружениях (ГТС) водохозяйственных систем (ВХС) Ростовской области. При обустройстве территорий бассейновых геосистем для использования ВИЭ предусматривается возведение следующих энергетических объектов:

- малых ГЭС мощностью до 25 МВт;

- теплоэлектростанций на биотопливе (БиоГЭС);

- электростанций на биотопливе (БиоЭС);

- ветроэлектрических электростанций (ВЭС);

- ветровых энергетических установок (ВЭУ);

- геотермальных электростанций (ГеоЭС);

- солнечных фотоэлектрических станций (ФЭС);

- солнечных фотоэлектрических установок (ФЭУ);

- электростанций морских волн (ЭСМВ);

- электростанций морских приливов (ЭСМП) [2, 3].

В таблице 1 представлены планируемые целевые показатели мощности и производства электроэнергии ВИЭ в РФ в соответствии с Основными направлениями.

Таблица 1 - Планируемые целевые показатели мощности и производства электроэнергии ВИЭ в РФ согласно Основным направлениям

возобновляемый источник гидроэнергетический

В настоящее время в мировом масштабе ВИЭ дают около 3,5 % электрической энергии [4], что обусловливает создание значительных резервов для развития малой энергетики и формирует тенденцию к снижению выбросов в атмосферу парниковых газов, произведенных мощными тепловыми электростанциями (на юге России это - Новочеркасская ГРЭС, Невинномысская ГРЭС, Ставропольская ГРЭС и др.). Таким образом, развитие малой энергетики в направлении использования ВИЭ способствует решению экологических задач, связанных с глобальной проблемой потепления климата [5].

Объем потребляемой электроэнергии в РФ ежегодно растет и составит к 2020 г. более 1800 млрд кВт·ч, а в южных регионах России (ЮФО и СКФО) - более 126 млрд кВт·ч.

В настоящее время рынок электроэнергии на юге России является остродефицитным и будет оставаться таким в обозримой перспективе вследствие высоких требований природоохранного и экологического характера, предъявляемых к ТЭС и АЭС [6]. Недостаточность на юге России генерирующих мощностей, позволяющих выравнивать график потребляемой энергии, приводит к существенному повышению тарифов на электроэнергию. Причиной этому являются потери в электрических сетях и оплата заявленной мощности утреннего и вечернего максимума нагрузок.

Решением проблемы дефицита электроэнергии на юге страны могут стать малые ГЭС, которые являются стремительно развивающейся эффективной технологией энергопроизводства на базе ВИЭ.

Преимущества малой гидроэнергетики перед другими ВИЭ заключаются в стабильной, не зависящей от погодных условий, выработке электроэнергии, а также в экономичности. Стоимость 1 кВт·ч, произведенного на малых ГЭС в России (по данным Минэнерго) в централизованной энергосистеме, составляет 0,4-0,6 руб., а за рубежом - 3,0-4,0 цента [7].

Преимущество малой гидроэнергетики с точки зрения экологии состоит в их принадлежности к сектору экологически чистой возобновляемой энергетики, что обеспечивает устойчивое локальное электроснабжение и, в отличие от крупных ГЭС, не представляет угрозы для местных экосистем. Не менее важным является тот факт, что для строительства малых и микроГЭС требуется гораздо меньше финансовых ресурсов, чем для сооружения крупных объектов гидроэнергетики.

Создаваемые малые ГЭС способны обеспечить:

- надежное и качественное электроснабжение аграрных производств, ЖКХ сельских поселений, а также предприятий местной промышленности и транспорта;

- сокращение выбросов парникового газа (СО₂) в атмосферу;

- замещение топлива, используемого на тепловых станциях;

- снижение инфраструктурных ограничений для экономического развития сельских территорий.

Развитие малой гидроэнергетики является одним из наиболее перспективных направлений в рамках реализации мероприятий Киотского протокола [8]. В Российской Федерации в настоящее время разработана концепция развития малой гидроэнергетики, включающая схемы размещения ее объектов (общей мощностью 420 мВт) и их количество (в Ставропольском крае - 14 малых ГЭС, Республике Тыва - 18, Алтайском крае - 35, Бурятии - 12, Северной Осетии - Алании - 17). Существуют и региональные программы развития локальной энергетики на базе малых ГЭС для Краснодарского края, Нижегородской, Астраханской, Ленинградской областей, Республик Карачаево-Черкессия, Кабардино-Балкария, Дагестан и других регионов [9, 10].

Материалы и методы

Исследования рассматриваемых водохозяйственных систем проводились с использованием системного подхода. Основным материалом для обоснования мест размещения малых ГЭС явились конструктивные характеристики действующих ГТС в Ростовской области. Наиболее перспективными для устройства малых ГЭС являются существующие ГТС с перепадом уровней воды в верхнем и нижнем бьефах от 2 м и более и со значительными расходами воды.

Оценка гидроэнергетических ресурсов сетевых ГТС выполнялась на основе результатов полевых обследований и топографических карт масштаба 1:10000 или 1:25000. В задачу оценки гидроэнергетических ресурсов входило определение энергии и мощности отдельных участков изучаемых каналов.

Рассмотрим участок реки или канала между двумя выбранными сечениями: 1-1 и 2-2. Предполагаем, что в течении времени (с) через произвольно избранное поперечное сечение 1-1 русла пройдет объем воды (м³) с расходом (м³/с), то есть . Полная энергия руслового потока воды в рассматриваемом сечении 1-1 русла (Дж) определяется по уравнению Бернулли:

.

Энергия этого же объема воды , переместившегося на расстояние вниз по течению канала или реки в сечении 2-2 (Дж), определяется аналогичным выражением:

.

Энергия руслового потока воды на рассматриваемом участке канала между сечениями 1-1 и 2-2 определяется разностью величин и :

,

где и - расстояние от свободной поверхности до плоскости сравнения, м;

, - давление на свободную поверхность, Н/м²;

- плотность воды, кг/м³;

, - коэффициенты Кариолиса;

, - скорость потока в сечениях 1-1 и 2-2 соответственно, м/с;

- ускорение свободного падения, м/с²;

- время, с.

Мощность водного потока (Вт) на рассматриваемом участке канала определяется выражением:

,

где - характеризует изменение энергии высотного положения;

- характеризует изменение энергии давления;

- характеризует изменение величины кинетической энергии потока.

В реальных условиях и относятся к свободной поверхности руслового потока и разностью определяют падение уровня свободной поверхности руслового потока в пределах рассматриваемого участка (м), тогда энергия руслового потока на расчетном участке реки или канала (кВт•ч) определяется выражением:

,

а мощность водного потока на участке (кВт):

.

С учетом соотношения 1 кВт = 102 кгс•м/с и плотности воды кг/м³ выражение для мощности примет вид:

.

Расчет выработки электроэнергии (кВт•ч) производится по формуле:

,

где - напор воды, подведенный к гидротурбине, м.

,

где - действующий напор, м;

- сумма гидравлических потерь напора воды, м.

,

где - разность статических уровней воды в верхнем и нижнем бьефах рассматриваемого сооружения, м.

= 0,7,

где - КПД гидроэнергетического оборудования;

- КПД турбины, = 0,9;

- КПД механической передачи, = 0,85;

- КПД генератора, = 0,94;

- КПД трансформатора, = 0,98.