На днях в Красноярске была запущена в работы экспериментальная свободнопоточная ГЭС, разработанная учеными Сибирского федерального университета. Это событие вызвало всплеск интереса к такого рода установкам, многие комментаторы пророчат этому направлению энергетики самое светлое будущее. Попробуем разобраться, что это за станции, каковы их преимущества, недостатки и перспективы.
Фото отсюда
Принципиальным отличием свободнопоточной ГЭС от классической является использование ими не потенциальной (создаваемой плотиной или деривацией), а кинетической энергии текущего водного потока. Ближайший аналог — ветровая электростанция, которая аналогичным образом использует кинетическую энергию движущегося воздуха. Часто свободнопоточные ГЭС называют бесплотинными, что не вполне верно, поскольку бесплотинными являются и некоторые классические ГЭС, в том числе и весьма крупные — например, расположенные на Ниагарском водопаде.
Бесплотинная ГЭС Robert Moses. Мощность — 2525 МВт. Фото отсюда
Идея использования кинетической энергии речной воды отнюдь не нова, более того, самые первые в истории гидравлические машины — подливные водные колеса (нории), используемые уже несколько тысяч лет, работают именно таким образом. Казалось бы, чего проще — помещаешь рабочее колесо в воду, оно крутит генератор и вырабатывает ток. Не нужны дорогостоящие плотины или деривационные тоннели, земли не затапливаются, рыбе не мешают, поставить такую ГЭС можно вроде бы практически везде — масса преимуществ. За сотни лет (особенно за последние десятилетия) и энтузиастами, и специалистами создано огромное количество конструкций свободнопоточных ГЭС. И все реки мира должны были бы давно заставлены такими сооружениями — но этого не наблюдается, и распространение свободнопоточных ГЭС очень ограничено и представлено главным образом экспериментальными установками. Почему это происходит?
Нория. Фото отсюда
Начнем с физики. Скорость течения равнинной реки (а свободнопоточные ГЭС предлагается размещать преимущественно на таких реках) составляет обычно 2-5 км/ч (в паводки на 1-3 км/ч больше). Знакомый со средней школы расчет показывает, что один кубометр воды, движущейся с такой скоростью, будет иметь энергию 155-965 Дж.
А теперь посмотрим, какую энергию имеет тот же кубометр воды, падающий с высоты всего в 1 метр. Это 9800 Дж, т.е. в 10-60 раз больше. При этом, столь малые напоры в гидроэнергетике считаются малоэффективными и практически не используются. При этом, КПД классической ГЭС заведомо выше (сейчас он составляет более 95%), а КПД свободнопоточной ГЭС даже чисто теоретически составляет менее 60%, ведь невозможно остановить воду — она должна куда-то деваться после выхода из турбины; на практике же КПД оказывается еще ниже.
Вариант конструкции свободнопоточной ГЭС. Диаметр ротора — 6 м. Взято отсюда
Таким образом, свободнопоточная ГЭС вынуждена использовать низкопотенциальную энергию. Это всегда менее эффективно, чем использование высокопотенциальной энергии (существенно растут удельные затраты на единицу мощности и вырабатываемой электроэнергии). На первый взгляд, это не является непреодолимым препятствием — в конце концов, потенциал энергии ветра еще меньше, но ветроэлектростанций масса. Однако, ветроэлектростанции решают эту проблему за счет огромного размаха лопастей рабочего колеса. Для свободнопоточной ГЭС такой путь невозможен — глубина даже крупных рек относительно невелика, да к тому же резко изменяется в зависимости от текущих показателей водности, а также русловых процессов. Но в море, такие станции возможны и существую — они используют энергию приливных течений (хотя тоже являются пока экзотикой).
Приливная свободнопоточная электростанция SeaFlow мощностью 300 кВт, пущенная в 2003 году. Фото отсюда
Исходя из описанного, свободнопоточная ГЭС в принципе не может иметь заметной мощности, ее предел — несколько киловатт (возможно, пара десятков киловатт на больших и глубоких реках). Такая станция должна быть полностью погружена под воду, причем под минимальный меженный уровень и с хорошим запасом на толщину льда — в противном случае, она будет разрушена ледоходом (либо на период ледостава и ледохода ее придется демонтировать, что накладно). Если река судоходна — станция должна быть вне фарватера (где, заметим, самая большая глубина и самое быстрое течение). В то же время, ее нельзя и просто опустить на дно — установка может быть замыта донными отложениями. Но при любом размещении, гарантии от повреждения льдом такой установки на замерзающих реках невозможно дать в принципе — ведь никто не отменял ледяные заторы и зажоры, когда льдом и шугой забивается практически все сечение русла реки.
Еще одна из предложенных конструкций свободнопоточных ГЭС. Зимой в России такая станция по очевидным причинам работать вряд-ли будет. Взято отсюда
Получается, что удобных для установки свободнопоточных ГЭС мест не так много, и эта установка явно потребует сложных водолазных работ. А ведь еще надо как-то выдать электроэнергию с такой станции в сеть — нужна прокладка подводного кабеля, отдельная подстанция на берегу. А как обслуживать и ремонтировать эту установку? Использовать водолазов? Сколько это будет стоить?
Еще одна свободнопоточная ГЭС, разработанная еще в 1945 году. Взято отсюда
Итого на выходе получается такая гидроэлектростанция: совсем маломощная, с низким КПД, очень металлоемкая, очень чувствительная к качеству изготовления (требуется полная герметичность конструкции на протяжении многих лет), сложная в монтаже, ремонте и подключении к сетям, очень требовательная к месту размещения, находящаяся под постоянной угрозой разрушения льдом…
Все это технически решаемо, но неизбежно ведет к увеличению стоимости как самой установки, так и ее монтажа, подключения и эксплуатации — и соответственно, к ее экономической неконкурентоспособности в сравнении с другими видами энергетики (как традиционной, так и возобновляемой). Именно поэтому свободнопоточные ГЭС даже в в тепличных по отношению к возобновляемой энергетике условиях европейских стран не получили заметного развития. Кинетическая энергия рек — перспективный ресурс возобновляемой энергетики, но эффективно взять ее пока что не получается.
Мда, интересная штука. Русгидро располагает возможностями строить солнечные ЭС, но почему то не строит, интересно почему?
Потому что они в условиях России не окупаются.