05.05.2014
Некоторые проблемы развития энергетики КБР и пути их решения
«В этой невообразимо огромной Вселенной мы никогда
не будем страдать от нехватки энергии или материи.
Надо только не забывать о другой опасности —
что нам может не хватить ума»
Артур Кларк (1917-2008 гг.).
На январском совещании в Нальчике министр регионального развития РФ Игорь Слюняев критиковал КБР за отсутствие у неё стратегического плана развития. В статье излагается видение развития базовой отрасли реальной экономики – энергетики КБР А.Х. Шогеновым - единственным доктором технических наук в области электроэнергетики КБР и Ю.М. Губжоковым - инженером-электриком, директором энергоснабжающего предприятия - Кабардино-Балкарского филиала ОАО "МРСК Северного Кавказа".
В 80-ые годы минувшего века КБАССР потребляла в год порядка 2300 млн кВт/ч электроэнергии при суммарной мощности всех электростанций, функционировавших тогда на территории республики, порядка 50 МВт и выработке ими около 180 млн кВт/ч.
Таким образом, более 90% потребляемой электроэнергии республика получала не от «своих» электростанций, а извне.
В связи с реформами 90-х годов минувшего века значительно снизились производственные мощности реальной экономики, поэтому в настоящее время КБР потребляет в год порядка 1500 млн кВт/ч.
В связи с вводом Нижне-Черекского каскада ГЭС (Аушигерской - ГЭС-1и Кашхатау - ГЭС-2) и модернизацией Баксанской ГЭС после теракта, мощность электростанций в КБР увеличилась более чем в 3 раза и составляет порядка 160 МВт, которые вырабатывают в год около 600 млн кВт/ч, т.е. 40% от потребности. Таким образом, для покрытия дефицита нужны новые электростанции на территории КБР, вырабатывающие более 60% от потребляемой сегодня электроэнергии. Строительство их нам даст надёжное электроснабжение, новые рабочие места и дополнительные налоговые отчисления в бюджет республики.
В нашей республике практически нет собственного угля, нефти и газа.
Более того, семнадцатый мировой нефтяной конгресс (Рио-де-Жанейро, 1-5 сентября 2002 г.) констатировал, что мировых запасов нефти в Земле при существующих темпах добычи, переработки и сжигания хватит человечеству на 50-75 лет. Аналогичная ситуация и с газом. Лишь истощение угля прогнозируют через 400-500 лет.
Поэтому мировая наука интенсивно разрабатывает технологии широкого применения возобновляемых и нетрадиционных источников энергии: рек, Солнца, геотермальных вод, биомассы, ветра и др. Рассмотрим их на предмет перспективы использования в нашей республике.
Состояние и перспективы использования гидроэнергии
В КБР имеются колоссальные гидроресурсы. Они достаточны для построения ГЭС суммарной мощностью 1600 МВт и годовой выработкой электроэнергии до 6000 млн кВт/ч. Более поздними исследованиями эти цифры увеличены до 2800 МВт и 8400 млн кВт/ч. соответственно. Для полного же обеспечения КБР электроэнергией (с учётом перспектив развития её потребителей) нам нужны электростанции общей мощностью порядка 400 МВт, т.е. помимо наличного, ещё 240-250 МВт. Таким образом, потенциальных гидроресурсов у нас, если даже некоторые из приведённых цифр завышены, как говорится, выше крыши! Более того, в перспективе мы можем «экспортировать» электроэнергию.
В связи с этим возникает вопрос: какие ГЭС целесообразнее строить в КБР? Для ответа на него следует учесть, минимум, два фактора: специфические особенности наших горных рек, по сравнению с равнинными, и опыт эксплуатации уже действующих электростанций.
Основные данные по первому фактору следующие:
1. Сезонные колебания расходов и напоров воды наших рек значительные. Мощности ГЭС пропорциональны произведениям этих двух величин, поэтому обратимся к некоторым количественным данным. Паводковый, среднелетний и среднезимный расходы реки Терек, который течёт на относительно равнинной части территории КБР, соответственно равны: 1280-1460 м 3 /сек, 160-280 м 3 /сек, 45-80 м 3 /сек при максимально возможных напорах 10-50 м. Паводковые, среднелетние и среднезимные расходы воды Баксана, Малки, Черека пропорционально меньше , но при бóльших максимальных напорах - 25-95 м. Среднеднезимные расходы малых рек (Урвань, Урух, Чегем и др.) составляют порядка 0,5-5 м 3 /сек при возможных напорах 5-20 м.
2. Наши основные реки непомерно «загрязнены» взвешенными частицами (ил, песок, крошки горных пород). Например, в паводковый период в 1,0 м 3 воды реки Терек содержится 28-30 кг абразивных частиц. Примерно столько же и в других реках.
3. От типов и режимов работы ГЭС на реках КБР во многом зависят экология территорий и влияние на людей и животных окружающей среды.
Значит, на наших реках можно строить (уже функционируют): средние (мощностью до 100 МВТ), это - ГЭС-1 (60 МВт) и ГЭС-2 (65 МВт) Нижнечерекского каскада; малые (до 30 МВт) - Псыхурейская (3,5 МВт) и Баксанская (27 МВТ) и микро -ГЭС (до 1 МВт) - Акбашская (1,1 МВт) и Мухольская (0,8 МВт).
Оценим их, исходя из опыта эксплуатации и с учётом особенностей пунктов 2 и 3, чтобы примерить к перспективе развития аналогичных ГЭС в республике.
Основным достоинством средних ГЭС является возможность получения значительного количества электроэнергии от незначительного числа электростанций. Недостатков же их, в условиях КБР (небольшая территория с пёстрым разнообразием географо-рельефно-геологических и природно-климатических условий, сейсмоопасность, селеопасность, опасность сходов снежных лавин у истоков рек и др.), достаточно много:
- для их строительства требуются колоссальные капвложения, которые не под силу бюджету КБР, а также большие издержки по времени. К примеру, ГЭС-1 строилась около 10 лет, а реальные затраты на её проектирование и строительство, в котором участвовали институты «Еревангидропроект» и «Гидропроект» РФ, специалисты из Ставропольского края, Дагестана, КЧР и др., известны лишь одному Аллаху, но не нам смертным;
- поскольку колебания расходов наших рек высокие, средние ГЭС требуют аккумулирующие сооружения (для накопления воды в одни периоды времени и расходования - в другие), в том числе бассейны суточного регулирования (БСР), которые имеют, в свою очередь, следующие негативные стороны:
а) суммарная площадь зеркала воды в БСРах ГЭС-1 и ГЭС-2 составляет около 300000 м 2 . Испарения вод этих БСР, предплотинных водонакопителей и открытых участков деривационных каналов увеличили влажность воздуха в районе размещения указанных ГЭС и прилегающих к ним территорий. Если учесть, что естественная влажность воздуха в Черекском районе относительно высокая ввиду лесистости местности, то добавочная искусственная влажность, созданная этими ГЭС, по мнению биологов, может отрицательно влиять на флору и фауну района и здоровье людей. С тем, чтобы оценить степень указанного вреда, необходимы дополнительные медико-биологические комплексные исследования;
б) аккумулирующие сооружения ГЭС, несмотря на водосбросные устройства, заиливаются взвешенными частицами, мельчают со временем и теряют свое назначение, что требует немалых дополнительных издержек по их периодической очистке;
в) аккумулирующие устройства ГЭС затопляют земельные площади, которыми не так богата КБР и, в частности, Черекский район;
- для обеспечения высоких напоров воды приходится строить относительно длинные и дорогостоящие водоводы - деривационные каналы с тоннелями и акведуками. Например, длина деривационного канала (стенки канала покрыты бутом и бетоном) Баксанской ГЭС при напоре 92 м составляет 10 км, в том числе более 3 км тоннеля, а ГЭС-1 при напоре 93 м - более 6 км (канал из 200 железобетонных лотков, каждый длиной 25 м, шириной более 6 м и массой по 700 т.);
- эксплуатация и ремонт гидротехнических сооружений ГЭС - БСР, плотин, водозаборных узлов, отстойников, деривационных каналов, тоннелей, акведуков, водосбросных устройств, а также относительно скорая изнашиваемость рабочих колёс гидротурбин абразивными частицами, содержащимися в воде, требуют значительных трудовых и финансовых ресурсов;
- плановая или аварийная остановка агрегата или одной ГЭС в целом сопряжена с существенными ограничениями отпуска электроэнергии её потребителям, т.е. надёжность средних ГЭС в энергетической системе относительно низка и др.
Приведённое позволяет сформулировать основные требования к дальнейшему построению ГЭС на наших основных реках:
- желательно активно не вмешиваться в естественные водотоки рек , путём их «глухого» перекрытия плотинами, строительства БСР и длинных деривационных каналов, дабы не отчуждать и не расширять затапливаемые земельные участки и не накапливать взвешенные частицы на дне перед плотиной, водоводом и БСР. Строя плотины необходимо предусматривать в них пути пропуска паводковых вод и рыбоходы, что требует дополнительные затраты;
- открытые деривационные каналы и тем более тоннели не должны допускать больших фильтраций воды и накопления взвешенных частиц;
- должны быть минимизированы потери расхода и напора воды, а также отрицательные последствия износа рабочих колёс гидротурбин и напорных стальных трубопроводов, подводящих воду к зданиям ГЭС;
- отстойники, напорные камеры, водосбросные сооружения и отводящие каналы должны строиться с максимальным учётом геолого-рельефных условий местности;
- уровень механизации и автоматизации ГЭС должны соответствовать современным достижениям НТП.
Исходя из изложенного, дальнейшее строительство средних ГЭС в КБР считаем нецелесообразным по технико-экономическим соображениям, а главное - отрицательному воздействию на природу нашей маленькой и хрупкой в экологическом отношении республики.
На нашей территории следует строить малые и микро-ГЭС, которые по капзатратам, времени ввода в эксплуатации, эксплуатационно-ремонтным и другим затратам кратно ниже, чем средние ГЭС, а главное - они могут быть отнесены к «экологически чистым» предприятиям, что исключительно важно для КБР. Наши реки (Терек, Баксан, Малка, Чегем, Черек, Урух, Адыл Су, канал Баксан-Малка, Нальчик и др.), по расходам и напорам воды, как бы созданы природой для этого. Более того, в их строительстве, наряду с государством (ОАО «РусГидро), могут с большой выгодой для себя участвовать местные предприниматели, поскольку электроэнергия, в обозримом будущем, будет иметь устойчивый спрос.
Основным недостатком малых и микро-ГЭС считается то, что для получения значительного количества электроэнергии требуется большое же число генерирующих мощностей. Полемизируя с нашими оппонентами, заметим, что малые и микро-ГЭС не архаизм и не наши «изобретения», а, широко использующиеся в развитых странах, предприятия: в Австрии, например, их 950, Франции - 1100, Италии и Швеции - по 1200, Японии - 1300, США - более 2000. В СССР их было до 1954 г. более 6000, сегодня - сотни три.
Достоинств малых и микро-ГЭС, в условиях КБР, достаточно много:
- они могут быть «экологически чистыми» объектами, строиться сравнительно быстро и дёшево и эксплуатироваться с незначительными издержками;
- они не требуют громоздких и дорогостоящих гидротехнических сооружений, поэтому природные катаклизмы могут разрушить лишь относительно дешёвые объекты энергетики;
- современный НТП позволяет сооружать микро-ГЭС полностью автоматизированными и работающими «под замком», т.е. с минимальным количеством обслуживающего персонала;
- плановая или аварийная остановка агрегата или одной-двух ГЭС незначительно скажется на энергосистеме в целом и недоотпуске электроэнергии потребителям, поскольку их мощности малы, т.е. надёжность системы малых ГЭС относительно высокая;
- они решают проблему электроснабжения рассредоточенных объектов с использованием «коротких сетей» (в скобках заметим, что капвложения на сети составляют порядка 70-80% от всех затрат на электроэнергетику);
- они используют рационально местные гидроресурсы, подобно старым мельницам на селе и др.
В самом деле. Человек - дитя Природы и не может жить без её даров. Всё дело только в том, насколько разумно (экологически сбалансировано), это делается. Здесь-то не грех нам, современникам, вспомнить опыт наших предков и поучиться у них, хотя бы потому, что они «во сто крат» ближе стояли к Природе. Разумеется, это надо делать не «в лоб», а скорее методологически, с учётом сегодняшних реалий. Например, в традиции всех народов было строительство многочисленных мельниц на реках и речках. И что интересно, хотя, в принципе, можно было бы обойтись одной крупной мельницей нескольким сёлам или району, их строили практически в каждом селе, а то - несколько на село. И делалось это не столько из соображений удобств для людей, сколько из соображений «удобств» для рек и речек - чтобы рассредоточить нагрузку на них. Микро-ГЭС - аналоги таких мельниц.
Таким образом, малые и микро-ГЭС - обоюдно «выгодные» Природе и людям предприятия, поэтому стратегическое направление решения электроэнергетической проблемы КБР - их строительство!
Состояние и перспективы использования энергии Солнца
Существует несколько направлений использования солнечной энергии, в том числе прямое преобразование её в электрическую с помощью полупроводниковых фотопреобразователей и использование для получения тепловой энергии.
Динамика производства солнечных фотоэлектрических модулей (СФМ), в которых, с целью получения приемлемых напряжений, солнечные элементы с напряжениями 0,5-0,7 В, соединяют последовательно, в мире, в 1970-2010 гг. возросла с 0,1 МВт до 1700 МВт. Лидерами в производстве СФМ являются Япония, США, Германия, Индия.
КПД различных СФМ в 2010 г. составлял 12-30%, а удельная стоимость более 60000-120000 руб./кВт. Несмотря на относительную дороговизну фотоэнергетики, годовые темпы роста выпуска СФМ в мире достигают 25-30%.
Основными задачами научных работ в области фотоэлектричества являются повышение КПД и снижение удельной стоимости СФМ, над решением которых интенсивно работают во многих странах мира, в том числе в РФ, в частности во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ, директор и ведущий специалист которого академик Д.С. Стребков). Здесь разрабатываются различные установки на основе СФМ, в том числе солнечные электростанции мощностью 0,1…100 кВт. Такие станции, в которых СФМ (в форме набора пластин) расстилаются на кровле домов с солнечных сторон, а другое оборудование (инверторы, трансформаторы, коммутационная аппаратура и т.п.) - в отдельном помещении, представляют практический интерес в условиях КБР, где продолжительность солнечного сияния составляет порядка 2500 часов в год, а запасы солнечной энергии - до 55 ккал/см2.
Кроме этого перспективным для КБР является солнечная энергия, преобразованная в тепловую, и используемая для получения теплоносителей в жидком и воздушном видах для горячего водоснабжения, сушки сельскохозяйственной продукции, обогрева культивационных сооружений защищённого грунта и др.
Состояние и перспективы использования геотермальной энергетики
На практике тепло Земли используется по трём направлениям: для производства электрической и тепловой энергии, а также бальнеологических целей.
Заметив, что геотермальные электростанции строятся на горячих пароводяных источниках, наличие которых в КБР не изучено, перейдём к геотермальной теплоэнергетике.
Развитие геотермальной теплоэнергетики мира характеризуется тем, что установленная тепловая мощность в 1970-2010 гг. возросла более чем в 20 раз и составляет около 20 ГВт (20000 МВт). Лидерами в использовании геотермальной теплоэнергетики по производству тепла являются Япония, Исландия, Китай, США, Венгрия, Турция, Новая Зеландия, Франция, Италия и Германия.
Потенциал РФ по развитию геотермальной энергетики достаточно высок на Камчатке, Курильских островах, Северном Кавказе. Что касается КБР, то она богата геотермальными водами. По заслуживающим доверия прогнозам специалистов, мы располагаемся над множеством горячих озёр, о чём свидетельствуют следующие неполные данные. С 1955 г. по 1967 г., благодаря, в основном, ныне покойному управляющему курортами КБАССР профессору М.И. Балкарову, на ограниченной территории республики (в окрестностях г. Нальчика, селений Аушигер и Лечинкай) были пробурены 15 скважин, откуда самотёком вытекала вода с температурой 34...85 о С и общей минерализацией 0,54...80 мг/л. Дебет вод этих скважин находился в пределах 125...3800 м 3 /сутки. Они законсервированы и не используются за исключением двух (для бальнеологических целей). Причина тому - низкая минерализация воды для бальнеологии, что, как раз, стимулирует её использование для отопления жилых, общественных и производственных помещений и площадей.
Дело в том, что, чем выше температура воды, тем эффективнее её использование, но при этом в качестве нежелательного сопутствующего фактора выступает минерализация, которая способствует интенсивному отложению солей на внутренних поверхностях чугунных радиаторов, обычных стальных труб и их интенсивной коррозии. Эти факторы ограничивают эффективное использования термальных вод. Между тем, в настоящее время есть целый ряд способов устранения или уменьшения этих недостатков - применением специальных труб и теплообменников, а также химических, электромагнитных и др. способов "осветления" воды.
Использование термальных вод для отопления производственных (культивационные сооружения защищённого грунта, ангары, цеха), общественных и жилых помещений, с применением современных материалов и способов их "осветления", является перспективными в условиях КБР. Определённый опыт использования геотермальных вод для отопления ЖКХ имеется в г. Махачкале в Республике Дагестан.
Состояние и перспективы использования энергии биомассы и ветра
Прежде всего, заметим, что под биомассой понимается часть растительного и животного мира, которая в естественном или переработанном виде может быть использована для производства газа, электрической и тепловой энергии. Это - лес, отходы лесозаготовки и лесопереработки, отходы растениеводства, животноводства и птицеводства, отходы перерабатывающих отраслей, твёрдые и жидкие промышленные и бытовые отходы и др. Энергию биомассы используют в различных видах и формах.
Одним из видов физической «биоконверсии» является получение растительного масла при извлечении его из семян масличных культур, например, рапса. Рапсовое масло можно использовать непосредственно как горючее для двигателей внутреннего сгорания или, после химической обработки - в качестве биодизельного топлива. В свою очередь биодизтопливо можно применять для получения электро- и теплоэнергии. В настоящее время такое направление используется весьма ограничено, хотя оно имеет целый ряд преимуществ, как с сельскохозяйственной, так и энергетической точек зрения. В качестве примера можно привести факт использования в Германии десятков блочных установок теплоэлектростанций на рапсовом биодизтопливе мощностью 5 220 кВт. В РФ этот вопрос находится на стадии лабораторных исследований.
Биохимические методы переработки биомассы во вторичный энергоноситель происходит при помощи микроорганизмов. При анаэробном брожении биомассы (навоз, органические отходы) под воздействием различных групп бактерий происходит образование биогаза - метана, углекислого газа, азота и других газов, а также органических удобрений. Производство биогаза и удобрений осуществляется на: а) малых установках по переработке сельскохозяйственных и бытовых отходов в крестьянских и фермерских хозяйствах, общее количество которых превышает 6 млн. штук в Китае, Индии и других странах; б) больших установках по переработке городских и сточных вод - более 1000 установок в мире. Работы в указанных направлениях ведутся и в ВИЭСХе.
При быстром пиролизе (термохимические реакции, протекающие при нагреве без доступа воздуха) в качестве биомассы могут использоваться сотни её видов (сорго, ива, тополь, солома, шелуха, скорлупа орехов, целлюлоза и др.). В результате получается газ, биоуголь (твёрдый остаток) и бионефть (жидкое топливо). Целлюлоза при пиролизе даёт выход бионефти до 85-90%, мягкие породы древесины - 70-75%, солома - 50-55%, древесная кора - 30-35%.
В ВИЭСХе разработан принципиально новый метод пиролиза биомассы с целью получения бионефти, которая реализуется на установках модульно-блочной конструкции, позволяющей начать промышленное получение энергии при минимальных затратах. Использование малой биоэнергетики для получения газа, удобрений и тепловой энергии имеют перспективу в условиях густонаселённой КБР.
Ветроэнергетика давно используется людьми эффективно, особенно в последние 30 лет, причём для производства в основном электроэнергии. К примеру, в 1985-2010 гг. суммарная мощность ветроустановок в мире возросла с 1097 до 40000 МВт. В её использовании лидируют: Германия, США, Испания, Дания, Индия.
По расчётам специалистов ветроэлектроустановки мощностью 17 ГВт могут ежегодно производить около 40 ТВт.ч электроэнергии, что достаточно для электроснабжения 10 млн. средних европейских семей. Если бы эта электроэнергия была произведена на угольных электростанциях, то потребовалось бы сжечь 16 млн. т. угля, для перевозки которых потребовалось бы 16 тыс. вагонов или 640 тыс. большегрузных автомобилей. При этом выброс в атмосферу СО 2 составлял бы 24 млн. т. Этот пример показывает на сколько соблазнительно использование ветроэнергетики.
Заметив, что в Северо-Кавказском регионе (СКФО и ЮФО), по мнению авторов, перспективными для строительства ветроэлектростанций могут быть степные зоны Ростовской и Краснодарской областей, Ставропольского края, Дагестана и Калмыкии. Что касается перспектив строительства их в КБР, то авторам не известны места, где можно было бы их сооружать и эксплуатировать эффективно (между прочим, «ветряки» - не такие уж дешёвые энергоисточники, как кажутся), включая степную зону и «сквозняки» ущелий. Возможно, мы ошибаемся?
Асланбек Шогенов, Юрий Губжоков
BezFormata.Ru
2 мая 2014 г.
