УДК 621.311.212

Инновационные технологии снижения воздействия малых ГЭС на окружающую среду

Кулыгин Константин Анатольевич – магистрант Сахалинского государственного университета.

Куцов Александр Михайлович – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры электроэнергетики Сахалинского государственного университета.

Максимов Виктор Петрович – доктор педагогических наук, профессор, заведующий кафедрой электроэнергетики Сахалинского государственного университета.

Аннотация. Статья посвящена изучению экологических проблем малой гидроэнергетики. Рассмотрены позитивные и негативные аспекты использования малых гидроэлектростанций, и степень их воздействия на окружающую среду. Также представлены технологические возможности решения экологических проблем малых ГЭС.

Ключевые слова: электроэнергетика, гидроэлектростанция, малые ГЭС, воздействие на окружающую среду.

Актуальность

Проекты малых ГЭС, с одной стороны, сочетают в себе преимущества крупных ГЭС и децентрализованного энергоснабжения с другой.

Они лишены многих недостатков крупных гидроэлектростанций, таких как дорогая трансмиссия и экологические проблемы, а также зависимости от импортного топлива, а также необходимости высококвалифицированного обслуживания, необходимого на тепловых и атомных электростанциях. Более того, производство электроэнергии из малых водных ресурсов имеет децентрализованный характер, осуществляется и управляется на местном уровне, что делает возможным развитие сельских территорий на основе самообеспечения и использования местных природных ресурсов.

Материалы и методы

Проведен анализ имеющихся информационных ресурсов в сети Интернет и зарубежных специализированных изданий с применением методов информационного поиска и аналитико-сравнительного метода.

Результаты

Использование гидроэлектростанций приводит не только к положительным последствиям, но и к негативным, которые наносят непоправимый вред водным экосистемам, нарушают их состояние, ухудшают качество воды, снижают биопродуктивность.

Гидроэлектростанции характеризуются высокими первоначальными капиталовложениями и низкими затратами на эксплуатацию и техническое обслуживание. Инвестиционные затраты включают строительство (плотина, канал, машиностроение), оборудование для производства и передачи электроэнергии (турбина, генератор, трансформатор, линии электропередачи), прочее (инжиниринг, владение землей, пуско-наладочные работы).

Обычно оборудование с низким напором и малой мощностью становится очень дорогим и составляет от 40 до 50% от общей стоимости традиционных гидроустановок [1]. Когда дело доходит до затрат на строительство, компоненты имеют большое значение, и стандартную цену за единицу указать невозможно. Очевидно, что на дамбы, каналы и водозаборы будет приходиться очень разная доля общего финансирования для разных объектов. Многое зависит от топографии и геологии, а также от метода строительства и используемых материалов.

Высокая стоимость инвестиций является самым большим препятствием для развития проектов малой гидроэнергетики. Несмотря на это препятствие и длительный срок окупаемости (7 - 10 лет в некоторых странах), малые ГЭС экономически более эффективны благодаря длительному сроку эксплуатации (в основном более 70 лет) и низким затратам на техническое обслуживание. Как правило, общие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание (без учета капитального ремонта) составляют около 3 – 4% капитальных затрат малых ГЭС [2].

Их гибкость в адаптации к быстрым изменениям нагрузки делает их предпочтительным элементом любой интегрированной энергосистемы. Установки могут продолжать работать очень долго (десятки лет). Недавно введенные в эксплуатацию установки могут прослужить еще дольше и, таким образом, служить нескольким поколениям пользователей, не загрязняя атмосферу. Инвестиции в малую гидроэнергетику доказали свою безопасность и надежность на протяжении нескольких десятилетий.

Русловые малые электростанции, как правило, могут не иметь резервуаров для воды или иметь ограниченный объем резервуаров, и в этом случае резервуар для хранения воды часто является озером-водохранилищем. Безозерная установка не имеет водохранилища, поэтому зависит от сезонного количества воды в реке и служит пиковой электростанцией, а озерная установка может регулировать расход воды и служит пиковой или магистральной гидроэлектростанцией.

Производство гидроэлектроэнергии из проточной воды идеально подходит для ручьев или рек с минимальной засухой или для тех, которые регулируются гораздо более крупной плотиной или водохранилищем вверх по течению. Проекты с озером, в отличие от проектов без озера, могут хранить воду для пиковых нагрузок или для непрерывного производства, особенно во влажные сезоны. В целом, некоторые или большинство проектов отводят сток реки (до 95% среднегодового стока) через трубу и/или туннель к турбинам для выработки электроэнергии, а затем вода возвращается в реку ниже по течению.

Русловые ГЭС по конструкции и внешнему виду кардинально отличаются от обычных ГЭС. При использовании традиционной плотинной гидроэнергетики в плотинах накапливается огромное количество воды, что в некоторых случаях может вызвать затопление больших территорий. Напротив, большинство русловых гидроэлектростанций не требуют сбора воды, что является основной причиной того, почему такие проекты зачастую более экологичны.

При проектировании с учетом воздействия на окружающую среду и местоположения русловые гидроэлектростанции могут создавать устойчивую энергию, сводя к минимуму воздействие на окружающую среду и близлежащие сообщества.

Двумя основными преимуществами гидроэлектростанций являются генерируемая чистая энергия и меньшее количество наводнений, соответственно меньшее количество используемых водохранилищ. Как и все гидроэлектростанции, русловая гидроэнергетика использует естественную кинетическую энергию воды, устраняя необходимость сжигания угля или природного газа для производства электроэнергии, необходимой потребителям и промышленности. При малых русловых ГЭС существенного затопления верхней части реки не происходит, так как не требуется большого водохранилища. В результате люди, живущие вблизи реки, не нуждаются в переселении, а естественная среда обитания и продуктивные сельскохозяйственные угодья не разрушаются.

Однако малые ГЭС имеют и недостатки. Это связано с неустойчивой мощностью, необходимостью точно определенных характеристик местоположения и последующим воздействием на окружающую среду. Гидроэлектростанция на проточной воде считается неустойчивым источником энергии.

В качестве их недостатка указывается их сильная зависимость от осадков, поскольку в схемах малых ГЭС, как правило, не предусматриваются уравнительные водоемы.В результате они имеют низкий коэффициент использования стока (до 60%).И последнее, но не менее важное: производство энергии должно соответствовать графику орошения или водоснабжения при построении в таких системах.

В результате неверного проектирования малых ГЭС большие участки реки могут регулярно пересыхать. Почвы под прибрежными лесами также становятся засушливыми и леса исчезают. Популяции рыб, речных ракообразных и животных уничтожаются или подверглись стрессу. Кроме того, становится проблематичным орошение окружающих садов.

Небольшие, удачно расположенные гидроэнергетические проекты могут быть реализованы с минимальным воздействием на окружающую среду, но более крупные проекты требуют большего внимания к окружающей среде.

На малых ГЭС применяют преимущественно турбины Пелтона и двустворчатые, реже наклонно-струйные турбины и в очень ограниченной степени водяные колеса.

Основными преимуществами активных водяных турбин обычно являются их широкий рабочий диапазон при высоких значениях КПД, низкие эксплуатационные расходы и высокая маневренность. С другой стороны, активные турбины имеют низкие значения коэффициента скорости и характеризуются потерей части давления, которая из-за обычно более низких давлений на малых ГЭС в ряде случаев может быть значительной. В целом активные турбины считаются менее эффективными в малой гидроэнергетике по сравнению с реактивными.

К числу наиболее часто используемых активных турбин на малых ГЭС относятся турбины Пелтона и двойные турбины. Турбины Пелтона применяются в конструкциях с горизонтальным и вертикальным валом. Их преимуществом является отсутствие осевой нагрузки от рабочего колеса за счет полной симметричности его потока.

Из реактивных турбин на малых ГЭС применяются фрэнсисовские и осевые турбины. Несмотря на более сложную и дорогую конструкцию и более высокие эксплуатационные расходы, реактивные турбины обладают рядом существенных преимуществ — они используют все геодезическое давление, повышают эффективность рабочего процесса и имеют более высокую скорость вращения [1].

В последнее время наблюдается явный интерес к так называемым проточным (жидкостным) водяным турбинам. Интерес к ним связан со стремлением использовать энергию низкопотенциальных водных источников, таких как реки с небольшим уклоном русла, а также поглощать энергию морских течений.

Малые ГЭС могут быть построены на проточной воде, на трубах питьевой воды, на стенках плотин, а также на некоторых оросительных каналах гидромелиоративной системы. Они подходят для пользователей, удаленных от электросети, и хорошо вписываются в окружающую среду, не нарушая экологического баланса. Кроме того, их относительно легко подключить к электросети.

Существует несколько инновационных решений, которые снижают то или иное воздействие на окружающую среду.

1. Для снижения шумового загрязнения можно использовать водяную турбину с нулевым напором. Турбина PowerpalMill с высотой напора от 1,8 до 6 м и выходной мощностью от 2 до 96 кВт используется на новых или старых объектах с ограниченным напором. Шесть моделей охватывают максимально широкий диапазон скоростей потока от 0 до 80 и от 0 до 1400 литров в секунду, а для более высоких скоростей потока можно использовать несколько машин в тандеме [4].

Погружные турбины с прямыми или наклонными всасывающими патрубками используются при высоких скоростях потока и низком напоре в открытых каналах. При более высоком перепаде – обычно от 3 до 6 м – выгоднее использовать спиральную камеру и подающую трубу. Точная конфигурация также зависит от уровня затопления в месте установки.

Эти турбины могут быть напрямую соединены с генераторами с постоянными магнитами, исключая приводные ремни или коробки передач. Эта конфигурация рекомендуется для объектов с большими изменениями скорости потока. Когда расходы более постоянны, используются асинхронные генераторы с регулированием расхода.

Преимуществом PowerpalMill является практически полное отсутствие шума. Эти турбины имеют очень прочную конструкцию и встроены в железобетонный фундамент. Модели с постоянным крутящим моментом крыльчатки полностью исключают возникновение низкочастотного шума, который возникает при использовании других турбин импульсного типа, водяных колес или гребных винтов.

2. Система генерирования электроэнергии EnCurrent. Система EnCurrent также производит электроэнергию без необходимости строительства плотин, дамб или напорных трубопроводов [3].

Для установки требуются минимальные строительные работы, что сохраняет окружающую среду. Используются открытая конструкция и медленная скорость вращения. Генератор является постоянным магнитом и позволяет турбине работать с высокой производительностью в широком диапазоне расходов воды. Механический редуктор и генератор расположены над водой, что обеспечивает долговечность системы и простоту обслуживания. Система оснащена надежным тормозом в условиях большого расхода воды или низкой мощности, а ее смачиваемые части изготовлены из алюминия или стали с покрытием.

Перед каждой турбиной устанавливают защитные устройства, предотвращающие попадание рыбы в турбины.

Система EnCurrent предназначена для установки на контролируемых водных путях, таких как оросительные каналы и каналы промышленных сточных вод. Модели ENC-005-F4 и ENC-010-F4 оптимизированы для установки на проточной реке, а ENC-005-R5 и ENC-010-R5 оптимизированы для установки в ограниченных потоках с перепадом до 1,4 м. Установка плавучей платформы возможна в местах с сильно меняющимся уровнем воды, например, в реках. Всенаправленная работа позволяет устанавливать прибор в условиях приливных течений.

3. Микро-гидротурбина для очень низкого напора STREAM.

Система STREAM эффективно использует тягу водяного колеса, способна справляться с потоком со скоростью более 4 м/с при небольшом напоре, составляющем даже около 2 м. Система может работать параллельно с сетью и в автономном режиме - с помощью STREAM можно генерировать электроэнергию от 0,4 кВт до 40 кВт на систему или 200 кВт – 300 кВт от турбин, расположенных одна за другой вдоль реки [5].

STREAM меньше солнечной или крупной ветряной электростанции, но обеспечивает стабильную электроэнергию для десятков домов и питает небольшую сеть, сельскохозяйственное оборудование,

Заключение

Сегодня по всему миру действуют тысячи малых гидроэлектростанций. Воздействие малых гидроэлектростанций на окружающую среду обычно незначительно или контролируемо из-за их размера, а зачастую и вовсе отсутствует. Малые гидроэлектростанции децентрализованы и обычно могут обеспечивать электроэнергией малые предприятия, отдельные фермы, муниципалитеты и сельские районы. Они также могут быть подключены к распределительным сетям и субрегиональным микросетевым системам. Малые ГЭС имеют короткий период строительства с применением местных материалов и навыков в зависимости от потенциала. Это может оказать существенное влияние на качество жизни в сельской местности.

Список литературы

1. Bucur D.M. Hydropower sites developed within intelligent power microsystems // Intelligent energy system in protected areas. Bucharest, 2017. [Электронный ресурс]. Свободный доступ: — URL: https://www.researchgate.net/publication/336529664 (дата обращения 29.03.2024).
2. Collier U. Hydropower and the environment: Towards better decision-making. [Электронный ресурс]. Свободный доступ: — URL: https://www.ucsusa.org/resources/environmental-impacts-hydroelectric-power (дата обращения 29.03.2024).
3. EncurrentPowerGen. [Электронный ресурс]. Свободный доступ: — URL: https://www.scribd.com/document/339948024/ Encurrent-PowerGen (дата обращения 29.03.2024).
4. Powerpal Mill series. [Электронный ресурс]. Свободный доступ: — URL:https://kingstonrenewableenergy.wordpress.com/powerpal-mill-series-2/
5. STREAM: A Micro Hydropower System. [Электронный ресурс]. Свободный доступ: — URL: http://www.unido.or.jp/en/technology_db/1683/ (дата обращения 29.03.2024).