Использование малой гидроэнергетики как экологичного и энерго-эффективного альтернативного источника энергии

УДК 620.92

Н. Н. Красногорская, Э. В. Нафикова, Е. А. Белозёрова, Ю. А. Тунакова, О. Н. Кузнецова

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ КАК ЭКОЛОГИЧНОГО

И ЭНЕРГО-ЭФФЕКТИВНОГО АЛЬТЕРНАТИВНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ

Ключевые слова: малые реки, гидроэнергетический потенциал, геоинформационные системы, микро - и мини ГЭС, альтернативные источники энергии.

В статье рассмотрены преимущества малой гидроэнергетики как альтернативного источника энергии, отвечающего концепции устойчивого развития. Приведен обзор состояния проблемы освоения энергетического потенциала малых рек. Установлено, что на сегодняшний день наиболее перспективным инструментом для рационального планирования объектов малой гидроэнергетики являются геоинформационные системы, позволяющие учитывать широкий спектр параметров от климатических до экономических. Представлены наиболее интересные способы приложения ГИС для решения проблемы локального энергосбережения.

Keywords: small rivers, hydropower potential, geographic information systems, micro - and mini hydropower plants, alternative energy sources.

The article discusses the benefits of small hydropower as an alternative energy source under the concept of sustainable development. The review of the problem of the small rivers hydroenergy potential is presented. It is assumed, that currently the most perspective tools for the rational planning of small hydropower objects are geographic information systems (GIS); they permit to consider a wide range of parameters from climatic to economic ones. The most interesting ways of GIS applications for solving the problems of local energy saving are described.

Одной из основных рекомендаций Международной комиссии по окружающей среде и развитию ^СЕБ) для реализации концепции устойчивого развития является интеграция экологических и экономических подходов. Повышение энергетической эффективности, рассматриваемое в тесной связи с экологизацией экономики, нашло свое отражение в «Концепции долгосрочного социально-

экономического развития Российской Федерации на период до 2020 г.». Реализация мероприятий в области применения энергосберегающих и экологически чистых технологий определена Указом Президента Российской Федерации от 04.06.2008 № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности экономики России».

Наиболее развитой областью поиска и освоения альтернативных и нетрадиционных источников энергии является гидроэнергетика. По данным Министерства энергетики РФ общая установленная мощность гидроагрегатов в России составляет примерно 46 млн. кВт (5 место в мире), а выработка в 2011 году составляла порядка 153,3 млрд. кВт-ч/год (также 5 место). В общем объеме производства электроэнергии в России доля ГЭС (гидроэлектростанции) близка к 15 % [1].

Наиболее интенсивное развитие малая гидроэнергетика приобрела в последние десятилетия, что связано с предотвращением экологического ущерба, от воздействия крупных ГЭС на водохранилища (изменение физико-химических характеристик воды, вследствие снижения скорости течения, нарушение функционирования экосистем, накопление вредных веществ на дне водоемов).

В настоящее время в России треть электроэнергии на основе альтернативной энергетике вырабатывается на малых гидроэлектростанциях (около 3 млрд. кВт-ч) [2].

В нашей стране свыше 2,5 млн малых рек, на которые приходится около 99 % общего числа рек и около 93 % их протяжённости. Технический ресурс (потенциал) малых рек оценивается 382 млрд кВт ч в год, а степень использования этого потенциала составляет примерно 2,2 млрд. кВт ч в год (объём производства малыми ГЭС России) [3].

В мире крупные ГЭС на больших реках, в основном, построены или уже хорошо спланированы и сейчас более актуальным становится вопрос строительства малых ГЭС, которые бы позволили повысить степень освоения энергетического ресурса.

На территории РФ объектами малой гидроэнергетики считаются ГЭС с установленной мощностью до 30 МВт (ГОСТ Р51238-98). Источниками энергии могут быть как малые и средние реки, а так и искусственные водные объекты энергетического и неэнергического назначения.

Малая гидроэнергетика важна для отдаленных, труднодоступных и изолированных энергодефицитных районов, которые не подключены к Единой энергетической системе, а также для локального энергоснабжения небольших городов и поселений [4]. Гидротехнические сооружения малых ГЭС не подтопляют леса и сельскохозяйственные угодья, не приводят к сносу и переносу населенных пунктов. Малые ГЭС позволяют сохранить ландшафт и окружающую среду в процессе строительства и на этапе эксплуатации. Вода, проходящая через малую гидротурбину, сохраняет свои первоначальные природные свойства [5].

В настоящее время одним из факторов, ограничивающих развитие малой гидроэнергетики является проблемы определение гидроэнергетического потенциала малых рек. Большинство методик разработаны для оценки энергопотенциала крупных и средних водотоков, в то время как для проектирова-

ния малых ГЭС необходим специализированный подход с учетом специфики малых рек.

Значительная работа по описанию гидроэнергетического потенциала рек нашей страны выполнена в 1940-80 гг. отечественными учеными Григорьевым С.В., Вознесенским А.Н., Фельдманом Б.Н. [6,7,8]. Однако рациональное использования энергетических ресурсов малых водотоков задача масштабная как по количеству объектов исследования, так и по объему данных необходимых для учета. Малые реки чувствительны к изменениям гидрологических и метеорологических параметров, что требует постоянного обновления данных и более детального рассмотрения. Главной проблемой остается отсутствие полной гидрологической, геоморфологической и метеорологической информации для большинства малых и средних рек, ввиду сокращения гидрометеорологических постов, что затрудняет объективную оценку энергетического потенциала.

Широко использующийся на сегодняшний день метод определения гидроэнергопотенциала водотоков состоит из 2 этапов: информационная проработка и изыскательские работы. На этапе информационной проработки осуществляется расчёт потенциала на основе усредненных гидрологических данных, карт модулей стока и топографических карт содержащие погрешности.

Недостатки первого этапа, как правило компенсируются завышенным количеством изыскательских работ. Для уточнения топографии необходимо исследовать большее количество створов, что влечет большие затраты финансовых средств и времени.

Применение современных технологий, таких как геоинформационные системы (ГИС), позволяют автоматизировать расчет гидроэнергетического потенциала, а также построить алгоритм для поиска и выбора перспективных створов для использования в качестве исходных данных слои электронных карт гидрографии, модулей стока и цифровых моделей рельефа, что ускоряет решение поставленной задачи.

Определению гидроэнергетического потенциала малых рек с использованием геоинформационных систем посвящены целый ряд работ [2, 9, 10]. Наиболее интересными способами приложения ГИС к исследованию гидропотенциала можно назвать: способ моделирования «синтетических рек» [11, 12], проектирование деривационных микро ГЭС, планирование ГАЭС (гидроаккумуляционной ГЭС) и использования водных объектов неэнергетического назначения [13,14].

Синтетические реки - математические модели рек. В основе их построения лежит условие, что водотоки всегда протекают по нижним отметкам высот рельефа, поэтому синтетические реки - линии, соединяющие низшие точки цифровой модели рельефа. К особенностям построения синтетических рек относятся то, что реки разбиты на участки в местах впадения притоков, соединены в сеть (имеется связь между начальной и конечными точками каждого участка), источники реальных рек не всегда совпадают со своими синтетическими аналогами. В работе [12] исследователи предлагают присваивать синтетическим рекам имена в соответствии со слоем

реальных рек на электронной карте, длину и площадь водосбора - по данным водного реестра. И производить расчет гидропотенциала по модели синтетических рек. На рисунке 1 представлен пример сопоставления слоев реальных и синтетических рек.

Рис. 1 - Пример сопоставления слоя гидрографии электронной карты и синтетических рек [12]

Следует отметить, что использование синтетических рек не только ускоряет расчет гидропотенциала, но дополнительно дает возможность построения продольных профилей рек, графиков нарастания среднемноголетнего расхода, изменения удельной мощности реки и др.

Еще один способ оценки энергетического ресурса малых рек-использование вычислительной программы Hydrospot на основе ГИС [13]. Программа позволяет определить больше потенциальных участков для речной сети, ориентирована на размещение ГЭС двух типов: деривационных и гидроакку-мулирующих. Hydrospot состоит из серии подпрограмм и работает с картами в форматах ASCII и ArcGIS. Методология основывается на 2 этапах исследования:

- обследование: выявление большого количества возможных альтернатив размещения ГЭС путем обработки цифровой модели рельефа, с учетом гидрологического режима водных потоков (исключая территории, не подходящих для размещения малых ГЭС).

- выбор: все варианты размещения гидроэлектростанций тестируются и проходят отбор по заданным критериям. Итогом второго этапа становится определение множества участков подходящих для размещения объектов малой гидроэнергетики и расчет соответствующего этим объектам суммарного потенциала.

В программе рассматриваются:

- широкая вариация по величинам гидропотенциала,

- напор и мощность,

- типы ГЭС с различной высотой плотины, продольной длиной и длиной верхнего бьефа.

В работе [14] авторы применяют геоинформационное моделирование для оценки дополнительного гидроэнергопотенциала, который может быть получен при строительстве ГАЭС на искусственных во-

доемах. В радиусе 5 км вокруг существующей плотины по ряду критериев выбираются участки для строительства водохранилищ выше по течению, куда будет закачиваться вода во время ночных «провалов» в энергопотреблении (рис. 2).

В работе [15] рассмотрен широкий спектр возможностей применения методов геоинформационного моделирования и инновационных информационных технологий в данной предметной области.

Рис. 2 - Схема работы ГАЭС [16]

Применение современных геоинформационных систем значительно расширяют перспективы развития малой гидроэнергетики. Позволяют автоматизировать расчеты, повысить количество обрабатываемых данных и качество анализа, а также находить и оценивать новые потенциальные источники гидроресурсов. ГИС становятся незаменимым инструментом для рационального размещения малых и микро ГЭС и решения проблемы локального энергосбережения.

3. А. С. Пономаренко, Классификация и перспективы ми-нигидроэлектростанций. Научный журнал КубГАУ, №89(05), С. 1-10 (2013).

4. Программа развития малой гидроэнергетики ПАО «РусГидро» [Электронный ресурс] Режим доступа http://www.rushydro.ru/industry/res/tidal/

5. Я. И. Бляшко Рынок малой гидроэнергетики в мире и России [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.mgimo.ru/files/211740/vie5_hydro_Blyashko_ 2011-11-10.pdf (дата обращения: 28.09.2015).

6. С. В. Григорьев, Потенциальные энергоресурсы малых рек СССР Гидрометиздат, Ленинград, 1946. 115 с.

7. А. Н. Вознесенский, Энергетические ресурсы СССР. Наука, Москва, 1967. 598 с.

8. Б.Н. Фельдман, Л.П. Михайлов, Т.К. Марканова, Малая гидроэнергетика. Энергоиздат, Москва, 1989. 194 с.

9. А.С. Рахимов Автореф. Дисс. канд. тех. наук, Национальный исследовательский университет "МЭИ", Москва, 2012. 20 с.

10. M. E. Geiger, S. W. Wade, D. W. Wade, Wyoming Small Hydropower Handbook University of Wyoming, 2015. 64 р.

11. D.G. Hall, S.J. Cherry, K.S. Reeves, R.D. Lee, G.R. Carroll, G.L. Sommers, K.L. Verdin, Water Energy Resources of the United States with Emphasis on Low Head. Low Power Resources Idaho National Engineering and Environmental Laboratory, 2004. 52 p.

12. Н. В. Баденко, Н.С. Бакановичус, О. К. Воротников, Т.С. Иванов, А. А. Ломоносов, В. А. Олешко, М. В. Пет-рошенко, Разработка методологического процесса автоматизированного вычисления гидроэнергетического потенциала рек с использованием геоинформационных систем. Инженерно-строительный журнал, №6, С.62-76 (2013).

13. D. G. Larentis, W. Collischonn, F. Olivera, C.E.M. Tucci, Gis-based procedures for hydropower potential spotting. Energy. Vol 35. P. 4237-4243 (2010).

14. N. Fitzgerald, R. Arantegui, E. McKeogh, P. Leahy, A GIS-model to calculate the potential for transforming conventional hydropower schemes and non-hydro reservoirs to pumped hydropower schemes. Energy. Vol. 41. P. 483-490 (2012).

15. Тунакова Ю.А., Шагидуллина Р.А., Шагидуллин А.Р., Новикова С. В. Вестник КНИТУ, 10, 16, 155-158 (2013).

16. Официальный сайт компании Consumer Ener-gy/Ludington pumped storage [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.consumersenergy.com/content.aspx?id=6985/ (дата обращения: 25.10.2015).

Литература

1. Основные виды производства электроэнергии на территории России [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.minenergo.gov.ru/activity/powerindustry/power sector/structure/manufacture_principal_views/

2. Т.С. Иванов, Н.В. Баденко, В.А. Олешко, Геоинформационные методы поиска перспективных створов для строительства ГЭС. Инженерно-строительный журнал, №4, С.70-82 (2013).

© Н. Н. Красногорская - д.т.н., проф., зав. каф. «Безопасность производства и промышленная экология» «Уфимский госуд. авиац. технич. ун-тет», nk.ufa@mail.ru; Э. В. Нафикова - к.г.н., ст. препод. той же кафедры; Е. А. Белозёрова - асп. той же кафедры, elena.belozerova.ufa@gmail.com; Ю. А. Тунакова - д.х.н., проф., зав. каф. общей химии и экологии КНИТУ им. А.Н. Туполева - КАИ, juliaprof@mail.ru; О. Н. Кузнецова - к.х.н., доцент кафедры технологии пластических масс КНИТУ.

N. N. Krasnogorskaya - the doctor of technical sciences, professor, head of the department of Production Safety and Industrial Ecology, Ufa State Aviation Technical University, nk.ufa@mail.ru; E. V. Nafikova - candidate of geographical science, senior lecturer of the department of Production Safety and Industrial Ecology, Ufa State Aviation Technical University; E. A. Belozerova - postgraduate student of the department of Production Safety and Industrial Ecology, Ufa State Aviation Technical University -elena.belozerova.ufa@gmail.com; Y. A. Tunakova - the doctor of chemistry, professor, head of the department of General chemistry and ecology KNRTU-KAI, juliaprof@mail.ru; О. N. Kuznetsova - candidate of chemical Sciences. assistant Professor of plastics technology, KNRTU.