Дмитрий Александрович Соловьев – старший научный сотрудник ФГБУН «Объединенный институт высоких температур РАН» (ОИВТ РАН), к. ф.‑ м. н.,
e-mail: dsolp@ya.ru
Dmitry Alexandrovich Soloviev – Senior Fellow of the Federal State-Financed Scientific Institution «Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences» (JIHT RAS), Candidate of Physical and Mathematical Sciences,
e-mail: dsolp@ya.ru
Аннотация. В статье рассматриваются актуальные задачи развития гидроэнергетического комплекса России. Выполнен обзор экспортных возможностей перспективных ГЭС. Проанализированы основные водохозяйственные эффекты, оказывающие влияние на отрасли экономики, использующие водные ресурсы, на условия и качество жизни населения и на экологические условия.
Ключевые слова: гидроэнергетика, электроэнергетика, ГЭС, экспорт электроэнергии, водное хозяйство.
Введение
Гидроэнергетика является одним из элементов гидросферы, определяющими эффективное техногенное и антропогенное использование водных ресурсов в рамках единого социоприродного водохозяйственного комплекса континента.
Наша страна располагает значительным потенциалом использования водных ресурсов, что определяет широкие возможности развития гидроэнергетики [1]. На ее территории сосредоточено около 9 % мировых запасов гидроэнергии. По обеспеченности гидроэнергетическими ресурсами Россия занимает второе, после Китая, место в мире, опережая США, Бразилию, Канаду.
Валовой (теоретический) гидроэнергопотенциал Российской Федерации определен в 2784,3 ТВт·ч годовой выработки электроэнергии или 170 МВт·ч на 1 км2 территории. Из этой величины потенциал крупных и средних рек составляет 2394,4 ТВт·ч или 83 %. Это основной фонд водных ресурсов, на котором базируется строительство гидроэлектростанций.
Валовой (теоретический) потенциал речного стока по федеральным округам России приведен в таблице 1.
речного стока по федеральным округам РФ
Источник: [1]
Технически достижимый уровень использования гидроэнергоресурсов составляет без малых рек около 1 670 ТВт·ч (около 70 % от валового гидроэнергопотенциала).
Экономический потенциал был определен в начале 60-х годов в размере 852 ТВт·ч в целом по России (без малых рек) на основе обобщения многочисленных проектных материалов предыдущих лет. Порядка 80 % этой величины приходится на восточные районы страны (Сибирь, Дальний Восток). Из потенциала европейской части России около 70 % приходится на районы Севера, Поволжья и Северного Кавказа.
Освоенность гидроэнергетических ресурсов России невелика. Суммарная выработка электроэнергии действующими ГЭС России в 2013 году по данным Минэнерго РФ [2] равна 186,7 млрд кВт∙ч, что составляет около 20 % от величины экономического потенциала. В настоящее время это один из самых низких уровней использования гидропотенциала не только среди развитых, но и среди развивающихся стран. В большинстве государств использование этого бестопливного ресурса превысило 50–60 % экономического потенциала, а европейские страны практически полностью освоили все свои ресурсы [3].
Экспортные возможности использования перспективных ГЭС России
Развитие электроэнергетики в регионах Сибири и Дальнего Востока темпами, опережающими собственные потребности, на базе гидроэнергетики будет способствовать развитию экспортного потенциала электроэнергии в сопредельные страны (Китай, Япония, Южная Корея) [4].
Одним из вариантов интеграции гидроэнергетических ресурсов России в глобальные электроэнергетические рынки может стать обсуждаемое несколько лет назад предложение о строительстве «Азиатского суперэнергокольца» – глобального проекта интеграции отдельных энергосистем в национальных рамках. Проект может быть реализован по частям. Так, уже идут поставки электроэнергии в Китай. Ранее поднимался вопрос о возможности строительства энергомоста с Сахалина на остров Хоккайдо. На текущий момент проект признается экономически нерентабельным в действующих макроусловиях, однако это не означает полный отказ от него.
Глобальная электроэнергетическая система. В ближайшие 20 лет основные работы по созданию глобальной электроэнергетической системы (ГЭЭС) развернутся на Евразийском континенте, где сейчас имеются центры генерации мощности более 30 ГВт. В проекте ГЭЭС Россия занимает ключевые позиции в силу своего географического положения, через ее территорию можно проложить электроэнергетические мосты между мощными центрами производства возобновляемой электроэнергии ГЭС в Сибири и на Дальнем Востоке, и центрами потребления в европейской части. На первом этапе создания евроазиатской части ГЭЭС предполагается объединить энергосистемы России, Казахстана, Белоруссии и стран Европы.
Для повышения эффективности энергетического сотрудничества со странами АТР и Европы также необходимо рассматривать возможность развития электрических связей. Созданию единого энергетического пространства на Евроазиатском континенте могут способствовать проекты Балтийского и Черноморского кольца, передачи постоянного тока мощностью 4000 МВт «Россия – Беларусь – Польша – Германия» и ряд других международных проектов.
Дальний Восток. Основные ресурсы Дальнего Востока, представляющие интерес для экспорта в сопредельные страны, сосредоточены в Республике Саха (Якутия), в южной ее части на притоках реки Алдан – реках Учур, Тимптон, Мая. В состав Южно-Якутского гидроэнергетического комплекса (ЮЯГЭК) входят две ГЭС на реке Учур – Cреднеучурская и Учурская (контррегулятор) и две ГЭС на реке Тимптон – Иджекская и Нижнетимптонская (контррегулятор). Общая мощность комплекса 5 ГВт, а годовая энергоотдача 23,5 ТВт·ч.
ЮЯГЭК может стать крупным экспортером электроэнергии в соседние страны: Японию, Корею, Китай (учитывая их заинтересованность в импорте электроэнергии). Для этого потребуется сооружение линий электропередачи постоянного тока от 800–850 км (при экспорте в Китай) до 1800 км с прокладкой участков подводного кабеля (при экспорте в Японию).
Кроме того, для экспорта электроэнергии в страны АТР предлагаются Усть-Юдомская ГЭС и Нижнемайская (контррегулятор) ГЭС, расположенные в Усть-Майском районе Республики Саха (Якутия) на реке Мая.
Хинганский гидроузел будет работать на зарегулированном стоке рек Зеи и Буреи, что позволит получить, при сравнительно небольших напоре (16 м) и затоплениях, 1200 МВт и около 6 ТВт·ч электроэнергии. Китайская сторона высказывала свою заинтересованность в сооружении Хинганского гидроузла, поэтому целесообразна организация совместных с КНР работ по проектированию пограничных гидроузлов на Амуре.
Восточная Сибирь. Основные неиспользованные гидроэнергетические ресурсы региона для экспорта электроэнергии сосредоточены на реке Енисей и его притоке Нижняя Тунгуска, реках Ангара, Витим, Мамакан, Шилка.
Объектами, ориентированными на экспорт электроэнергии в Китай и Монголию по линиям постоянного тока, рассматриваются Эвенкийская ГЭС с контррегулятором (вторая очередь), Тувинская, Шивелигская, Шуйская, Бурейская, Нижне-Бурейская ГЭС суммарной мощностью более 10,8 ГВт и выработкой электроэнергии около 45 ТВт·ч.
Нижне-Бурейская ГЭС введена в промышленную эксплуатацию в сентябре 2019 года. Станция вышла на проектную мощность в 320 МВт, в проектном рабочем состоянии находятся все четыре ее гидроагрегата. С учетом водных режимов реки Бурея, ожидается среднегодовая выработка данной ГЭС в объеме 1,67 миллиарда кВт·ч. Основные потребители электроэнергии – космодром «Восточный», Транссиб, газотранспортная инфраструктура, для магистрального газопровода «Сила Сибири».
Эвенкийская ГЭС с контррегулятором. На притоке Нижнего Енисея – реке Нижняя Тунгуска находится наиболее значительный перспективный гидроэнергетический объект не только региона, но и России – Эвенкийская ГЭС с мощностью 12000 МВт, выработкой 47,5 ТВт·ч и контррегулятором мощностью 815 МВт и выработкой 3,8 ТВт·ч.
Энергию и мощность Эвенкийской ГЭС (первая очередь 6000 МВт) предполагается использовать в ОЭС европейской части России (возможно для экспорта в Европу) для чего потребуется сооружение ЛЭП постоянного тока с напряжением +750 кВ протяженностью 2200 км до ОЭС Урала. Вторая очередь в объеме 6000 МВт предполагается для поставок электроэнергии в Китай и Монголию по двум ЛЭП напряжением +750 кВ протяженностью 1900 и 2700 км.
Для успешной интеграции гидроэнергетических ресурсов России в глобальные электроэнергетические рынки Евразии, помимо строительства новых гидростанций и создания транснациональных связей на базе высоковольтных линий постоянного тока, крайне важно также обеспечить формирование общих принципов функционирования рынка электроэнергии Евразии. Это потребует развития системы торгово-экономических отношений, обеспечение свободного перемещения энергоресурсов и доступа к системам их транспортировки, а также развития энерготранспортной инфраструктуры и создания условий для ее эффективного функционирования.
Водохозяйственные эффекты гидроэнергетики
Водохранилища для ГЭС, также как и водоемы, предназначенные в основном для неэнергетических целей, выполняют разные функции и оказывают влияние на отрасли экономики, использующие водные ресурсы, на условия и качество жизни населения и на экологическую систему региона [1].
Воднотранспортный эффект. На судоходных реках, к которым относится значительная часть водотоков, протекающих по равнинным территориям, водохранилища способны существенно улучшить навигационные условия, как глубины, так и продолжительность судоходства – за счет подпора в верхнем бьефе гидроузлов и повышения расходов воды в реке ниже гидроузла в маловодные осенние месяцы.
На приплотинных и срединных участках водохранилищ глубины в несколько раз превышают необходимые для судоходства. При этом, судовой ход может прокладываться не по руслу реки, а практически по любой трассе. За счет спрямлений длина судового хода по водохранилищам, в сравнении с длиной хода по реке, сокращается на 5–15 %.
С созданием водохранилищ в несколько раз увеличивается ширина судового хода и радиусы закругления, что дает возможность повысить скорость движения судов на 10–15 %.
Экологический эффект. Водохранилища являются аккумулятором загрязнений, поступающих со сточными водами населенных пунктов и промышленных предприятий. Значительная часть этих загрязнений вместе с наносами осаждается на дне водохранилищ, из которых в нижний бьеф гидроузла поступает осветленная и очищенная вода. В маловодные годы водохранилища могут обеспечить весной подачу в нижний бьеф дополнительных объемов воды, необходимой для нереста рыб.
Водохранилища также улучшают санитарно-гигиенические условия в нижних бьефах гидроузлов в связи с повышением расходов воды в реках в летне-осеннюю и зимнюю межень, а также предотвращают гибель рыб в зимовальных ямах в маловодном году.
Водоснабженческий эффект. Водохранилища обеспечивают бесперебойную работу водозаборов в верхних бьефах гидроузлов, где уровни всегда выше, чем в естественных условиях, а также в нижних бьефах плотин, где и в маловодную межень поддерживаются необходимые уровни (расходы) воды.
Накапливая половодный сток, водохранилища круглый год снабжают водой города и промышленные предприятия, как расположенные на их берегах, так и находящиеся на большом расстоянии от них. Благодаря водохранилищам условия забора воды водопроводами становятся лучше и дешевле. Вода становится менее мутной, с ослабленной цветностью, с меньшим запахом, окисляемостью и бактериальной загрязненностью. Это упрощает ее очистку на водопроводных станциях, снижает расход коагулянта и хлора для приведения воды к стандарту; выравнивает сезонные колебания качества и температуры речной воды, благодаря чему водопроводные станции работают более равномерно в течение года.
Рекреационный эффект. Водохранилища, создаваемые близ населенных пунктов, являются привлекательными рекреационными водоемами. Они дают возможность отдохнуть, заняться любительской рыбалкой и водными видами спорта, смягчают летнюю жару и, наконец, создают живописные ландшафты.
Водохранилища, расположенные в горных и северных районах, как правило, имеют лучшие транспортные подходы, чем озера, и могут успешно соперничать с ними в рекреационной привлекательности.
Климатический эффект. Влияние водохранилищ на климат в различных природных поясах и зонах неодинаково. В зоне недостаточного увлажнения это влияние менее значительно, чем в зоне избыточного увлажнения, где оно ощущается сильнее и распространяется на большие территории с менее резкими переходами. Масштабы изменений климата зависят также от рельефа (чем выше берега, тем быстрее затухают эти изменения), от морфометрических характеристик водохранилища, особенно от объема водной массы.
Весной водохранилища оказывают охлаждающее влияние на прибрежные территории, а во второй половине теплого периода (вплоть до ледостава) – делают микроклимат теплее. Под воздействием водохранилищ, как правило, уменьшается континентальность климата: нагрев воздуха становится более плавным, суточная амплитуда температур уменьшается, влажность увеличивается, весенние заморозки прекращаются, осенние наступают позже и т. п. За счет большего (чем с суши) испарения с увеличившейся водной поверхности возрастает относительная и абсолютная влажность воздуха, что особенно заметно сказывается в засушливых зонах.
Энергетический эффект. Преодоление неравномерности естественного стока является основной задачей создания водохранилищ. Регулирование ими стока позволяет развить установленную и увеличить гарантированную мощность ГЭС, обеспечить годовую выработку энергии и степень энергетического использования стока.
При отсутствии регулирующих водохранилищ гидроэлектростанции вырабатывали бы электроэнергию не в соответствии с требованиями энергетических систем, а в зависимости от водности реки в тот или иной период. Поскольку расходы воды в реках в разное время года меняются десятки и сотни раз, гидроэлектростанции без регулирующих водохранилищ также бессистемно меняли бы свою мощность.
Основное назначение гидроэнергостанций в современных энергосистемах – участвовать в покрытиях пиков суточной нагрузки энергосистем. Разница максимальной и минимальной нагрузки суточного графика во всех энергосистемах с каждым годом значительно возрастает, и в некоторых системах составляет миллионы кВт. Покрытие пиков нагрузки тепловыми электростанциями, не говоря об атомных, которым это абсолютно противопоказано, что подтверждает опыт Чернобыльской АЭС, не всегда возможно и целесообразно по техническим и экономическим причинам. Частое чередование глубокой разгрузки и полной нагрузки тепловых агрегатов сокращает срок службы оборудования, увеличивает частоту и объем ремонтных работ, повышает удельный расход топлива на производство электроэнергии.
Ирригационный эффект. Водохранилища ГЭС, создаваемых как на территории ОЭС Юга, так и в других регионах, где возможны засушливые сезоны, повышают водообеспеченность существующих оросительных систем и могут служить надежным источником для новых площадей орошения.
Противопаводковый эффект. Самым эффективным способом борьбы с наводнениями является регулирование стока водохранилищами с созданием в водохранилище противопаводковой емкости, которая заполняется в период паводка, или с повышением (форсированием) уровня водохранилища над нормальным подпорным уровнем во время пропуска паводка. Благодаря этому, в период паводка резко уменьшается расход, сбрасываемый из водохранилища, по сравнению с притекающим в него, и соответственно, снижается уровень воды в реке и сокращаются ущербы.
Защита от наводнений является одной из важнейших экономических, социальных и природоохранных задач, решаемых водохранилищами.
Комплексное использование водных ресурсов остается основополагающим принципом при строительстве гидроэнергетических объектов во всех странах мира в настоящее время. Комплексное использование водохранилищ позволяет эффективно решать глобальные проблемы, которые особенно остро встали перед человечеством в настоящее время: дефицит пресной воды, борьба с наводнениями и др.
Комплексное использование водохранилищ ГЭС с учетом интересов всех водопользователей, влияния на окружающую среду и прилегающие территории в зоне водохранилищ и в нижнем бьефе позволяет существенно повысить эффективность его создания для экономики региона. При этом, чем больше функций выполняет водохранилище, тем рациональнее использование водных и земельных ресурсов, тем более эффективным и оправданным с позиции государства становится его создание.
Во многих случаях ведущим участником водохозяйственного комплекса является энергетика, но режимы эксплуатации водохранилища должны определяться с учетом интересов всех участников водохозяйственного комплекса, а также с учетом решения экологических проблем. Очень часто решение этих задач ведет к снижению энергетического эффекта.
На данной стадии проектирования дать точные оценки комплексного воходозяйственного эффекта в денежном выражении по перспективным гидроэнергетическим объектам до 2030 года и, тем более, до 2050 года – не представляется возможным. В работе [1] проведен аналитический обзор водохозяйственных эффектов, которые могут возникнуть в различных смежных отраслях экономики в результате строительства и ввода в эксплуатацию перспективных ГЭС в различных регионах Российской Федерации. При последующем проектировании конкретных объектов будут определены и конкретные участники комплексов, помимо электроэнергетики.
Выводы
Электроэнергетика является основой функционирования экономики любой страны и региона. Электроэнергия – это базовый ресурс не только для эффективной организации хозяйственной деятельности и создания национального богатства страны, но и для повышения качества жизни ее населения. Поэтому усиление экономических стимулов развития отрасли становится необходимым для успешной реализации национальной политики [4].
Опыт гидростроительства показывает, что сооружение ГЭС в большинстве случаев, особенно в отдаленных малоосвоенных и трудных для проживания населения районов, дает начальный импульс хозяйственному развитию и благоустройству территории и остается постоянно действующим фактором для региональной экономики.
Новая энергетическая база не только способствует развитию местной промышленности, но и привлекает в регион крупных электроемких потребителей. В результате, в реальном секторе производства создаются привлекательные рабочие места, обеспечиваются более комфортные условия для населения (транспортные и прочие услуги, электрификация быта, наличие жилья и др.), возникает положительная динамика рабочей силы, растут налоговые поступления в региональные бюджеты.
Сооружение гидроузлов в республиках Северного Кавказа позволяет привлечь часть незанятого населения как непосредственно в строительство, так и в обслуживание ГЭС (коммунально-бытовые услуги, снабжение, транспорт, общепит и др.), способствует уменьшению безработицы.
Опыт сооружения гидроэлектростанций в Сибири и на Дальнем Востоке показал, что после окончания строительства часть приезжих рабочих остается на эксплуатации ГЭС, объектах инфраструктуры, в сфере обслуживания.
Важной социальной предпосылкой сооружения ГЭС являются ежегодные налоговые поступления в бюджет района.
В свою очередь создание водохранилищ позволяет снизить ущербы от катастрофических наводнений в сельскохозяйственном производстве и снять ущербы от затоплений населенных пунктов, дорог и линий связи. Наиболее значительно противопаводковый эффект гидроузлов проявится на Дальнем Востоке на территориях Приморского и Хабаровского краев и Амурской области.
Также следует отметить, что в отличие от тепловой энергетики (основная альтернатива строительству ГЭС) в процессе производства электроэнергии на ГЭС не происходит выбросов в атмосферу вредных веществ, что в результате позволяет снизить антропогенное воздействие на воздушный бассейн.
Исследование выполнено в рамках госзадания ОИВТ РАН АААА-А16–116051810068–1.
