Research of the structure and degree of development the Russian hydropower potential

Гидроэлектростанции (ГЭС) России играют важную роль в обеспечении технологического функционирования Единой энергетической системы России (ЕЭС России), традиционно имеют долю 20% в структуре суммарной установленной мощности всех электростанций России и обеспечивают около 20% потребностей страны в электроэнергии. Кроме текущей выработки электроэнергии, гидроэлектростанции России имеют важное системное значение, т.к. обеспечивают регулирование частоты переменного тока в ЕЭС России и в изолированных энергосистемах. Дополнительно, гидроэлектростанции обеспечивают потребителей дешевой электроэнергией [2], и концентрация гидроэнергетических ресурсов в регионах

ГРНТИ 44.35.01

EDN IFGYZU

Статья поступила в редакцию 19.12.2022.

является важным экономическим фактором, обеспечивающим благоприятные условия для развития экономики в целом и – в частности – энергоемких видов промышленности.

В силу географических и технологических особенностей объединенных энергосистем (ОЭС), функционирующих в составе ЕЭС России, и технологически изолированных энергосистем Сибири и Дальнего Востока, концентрация ГЭС по численности и установленной мощности в регионах разная, гидроэнергетический потенциал освоен также по-разному. Строительство новых ГЭС в России во многом связано с наличием и систематизацией актуальных сведений о численности и установленной мощности ГЭС, а также данными об освоении гидроэнергетического потенциала. Поэтому рассмотрение этих вопросов является актуальной научно-технической задачей, которая исследуется далее.

Численность, установленная мощность и выработка электроэнергии на ГЭС России

По данным АО «Системный оператор Единой энергетической системы» (АО «СО ЕЭС»), по состоянию на 01.01.2022 в ЕЭС России численность электростанций всех типов составляет 911 единиц, их суммарная установленная мощность составляет 246 590,9 МВт. При этом ГЭС имеют установленную мощность 49 954,82 МВт (20,26%), а выработка электроэнергии по итогам 2021 г. составила 209,520 млрд кВт∙ч электроэнергии (18,8%) [4]. Также, по данным [4] всего за период 2009-2021 гг. установленная мощность ГЭС ЕЭС России выросла с 44 432,20 МВт до 49 954,82 (+5 522,62 МВт, +12,4%), а выработка электроэнергии увеличилась с 155,666 до 209,520 млрд кВт∙ч в год (+53,854 млрд кВт∙ч, +34,5%). При этом доля ГЭС в структуре балансов установленной мощности электростанций и выработки электроэнергии на электростанциях стабильно составляет до 20%.

Ранее, в [5; 6; 15] с учетом [10] была установлена численность ГЭС, которые эксплуатируются в ЕЭС России и в технологически изолированных энергосистемах Сибири и Дальнего Востока. Установлено, что на 01.04.2022 в России, с учетом порогового значения мощности в 5 МВт по [3], всего функционируют 114 ГЭС суммарной установленной мощностью 52 331,5 МВт и выработкой электроэнергии 217 млрд кВт·ч в год, в т.ч.: в ЕЭС России функционируют 108 ГЭС суммарной установленной мощностью 49 966,8 МВт и выработкой 209,520 млрд кВт·ч электроэнергии в год; в технологически изолированных энергосистемах функционируют 6 ГЭС мощностью 2364,7 МВт и выработкой 7,039 млрд кВт·ч электроэнергии в год.

Общая структура численности, установленной мощности и выработки электроэнергии на ГЭС России по состоянию на 01.04.2022 представлена в таблице 1.

Таблица 1

Численность, установленная мощность и выработка электроэнергии на ГЭС России на 01.04.2022

	Энергосистема	N, ед.	P уст , МВт	P уст , %	W , млн кВт∙ч
	Всего в России	114	52 331,5	100,0%	216 558,7
1.	ЕЭС России	108	49 966,8	95,5%	209 519,8
1.1.	ОЭС Северо-Запада	35	2 985,6	5,6%	13 643,9
1.2.	ОЭС Центра	6	1 839,2	3,5%	4 232,1
1.3.	ОЭС Средней Волги	5	7 020,5	13,4%	26 815,4
1.4.	ОЭС Юга	38	6 289,6	12,0%	21 633,2
1.5.	ОЭС Урала	8	1 913,0	3,7%	6 461,4
1.6.	ОЭС Сибири	10	25 301,6	48,5%	117 739,6
1.7.	ОЭС Востока	6	4 617,5	8,8%	16 959,2
2	Изолированные ЭС	6	2 364,7	4,5%	7 038,9

В силу географических, технологических и иных особенностей ГЭС функционируют на территории 34 регионов из 85 (без учета 4 новых регионов России, вошедших в состав России после 30.09.2022). В состав парка действующих ГЭС России входят 25 малых ГЭС с установленной мощностью в диапазоне 5÷25 МВт, 54 средних ГЭС (25÷250 МВт), 14 крупных ГЭС (250÷999 МВт) и 15 крупнейших ГЭС с единичной установленной мощностью свыше 1000 МВт. Дополнительно в технологически изолированных энергосистемах функционируют 2 малых и 4 крупных ГЭС. По [5], основными в производстве электроэнергии на ГЭС России являются 15 крупнейших ГЭС, на которые приходится 39 523 МВт

(76%) и 166 882 млрд кВт·ч (78%) выработки электроэнергии в 2021 году. Далее, на малые ГЭС приходится ~3%, на средние ~9% и на крупные ~10% установленной мощности и выработки электроэнергии всех ГЭС России.

Гидроэнергетический потенциал России

По данным ПАО «РусГидро», гидроэнергетический потенциал России составляет ~2900 млрд кВт·ч выработки электроэнергии в год [1]. При этом размещение гидроресурсов по территории России резко неравномерно: 80% приходится на Сибирь и Дальний Восток и 20% – на европейскую часть страны. Из потенциала европейской части России: 30% – районы Поволжья, 40% – районы Севера и Северного Кавказа.

Если гидроэнергетический потенциал России оценивается на уровне до 2900 млрд кВт·ч выработки электроэнергии в год, то по [13; 14] неосвоенный потенциал может составлять ~300 млрд кВт·ч в год. Т.е. ГЭС России при условии освоения большей части гидроэнергетического потенциала могут обеспечивать выработку электроэнергии более чем ~500 млрд кВт·ч в год и обеспечивать более 50% потребностей страны в дешевой электрической энергии. Также, согласно [1], гидроэнергетический потенциал крупных и средних рек России составляет 2400 млрд кВт·ч, а малых рек – до 500 млрд кВт·ч электроэнергии в год. Технически возможный для освоения потенциал составляет около 30%, т.е. до 900 млрд кВт·ч. Именно структура этого технически осваиваемого потенциала исследуется далее.

Структура гидроэнергетического потенциала по ОЭС ЕЭС России

Исследование структуры гидроэнергетического потенциала России по ОЭС и по регионам инициировано и проведено на основе изучения серии документов с типовым наименованием: «Схема и программа развития энергосистемы региона» [12], – для каждого из регионов, опубликованных на официальных сайтах правительств регионов. Всего по каждому из регионов исследовано от 5 и более последних версий программ. По итогам установлены значащие объемы гидроэнергетического потенциала по каждому из регионов, которые приведены в виде оценок с размерностью в [МВт] и/или [млрд кВт·ч].

Для приведения гидроэнергетического потенциала к общему виду использован взаимный пересчет параметров через коэффициент использования установленной мощности (КИУМ). Так, по [2] для ГЭС ЕЭС России КИУМ в 2021 году находился в диапазоне 38,67÷52,98%, общий КИУМ для ГЭС ЕЭС России составляет 47,33% или 4146 часов в течение года. На основе потенциала региона с учетом состава ОЭС [4; 11; 12], получен потенциал в ОЭС ЕЭС России. Результаты исследования и дорасчета структуры гидроэнергетического потенциала в ОЭС ЕЭС России по установленной мощности ГЭС приведены в таблице 2.

Таблица 2

Гидроэнергетический потенциал России по ОЭС

	Энергосистема	P уст факт , MВт	P потенц , MВт	Освоение, %
	Всего в России	52 331,5	219 244,9	23,8%
1.	ЕЭС России	49 966,8	215 723,4	23,1%
1.1.	ОЭС Северо-Запада	2 985,6	2 972,6	98,6%
1.2.	ОЭС Центра	1 839,2	2 051,2	89,6%
1.3.	ОЭС Средней Волги	7 020,5	7 164,8	97,9%
1.4.	ОЭС Юга	6 289,6	13 920,0	45,1%
1.5.	ОЭС Урала	1 913,0	3 983,3	47,9%
1.6.	ОЭС Сибири	25 301,6	140 024,0	18,1%
1.7.	ОЭС Востока	4 617,5	45 607,5	10,1%
2.	Изолированные ЭС	2 364,7	3 521,5	66,3%

На основе результатов, изложенных в таблице 2, подтверждается изначальный тезис о том, что 20% экономического гидроэнергетического потенциала сосредоточено на территории Сибири и Дальнего Востока. Всего потенциальная установленная мощность ГЭС России оценивается на уровне до 220 ГВт, потенциал освоен на 23,8%. Условно освоенным можно считать гидроэнергетический потенциал в ОЭС

Северо-Запада, ОЭС Центра и Средней Волги – 90% и более. В ОЭС Юга и Урала потенциал освоен наполовину. В ОЭС Сибири, Дальнего Востока потенциал освоен на 20% или менее; очевидно имеются значительные перспективы по его освоению.

Общий вид структуры гидроэнергетического потенциала России по ОЭС по установленной мощности и по выработке электроэнергии приведен на рис. 1. Наибольшими объемами неосвоенного потенциала по мощности обладают ОЭС Юга (освоено 21,6 из 48,6 млрд кВт·ч), ОЭС Сибири (освоено 117,7 из 496,6 млрд кВт·ч) и ОЭС Востока (освоено 45,6 из 279,4 млрд кВт·ч). В технологически изолированных энергосистемах освоено только 7,0 из 11,9 млрд кВт·ч.

Рис. 1. Структура гидроэнергетического технического потенциала по объединенным энергосистемам ЕЭС. Установленная мощность, МВт и выработка электроэнергии, млн кВт·ч (без учета потенциала гидроаккумулирующих электростанций) (определено на основе [12])

Структура гидроэнергетического потенциала по региональным энергосистемам России

По итогам проведения изысканий по [11, 12], изначально были установлены объемы гидроэнергетического потенциала в регионах России. Структура потенциала ГЭС России по регионам приведена на рис. 2. Установлено, что если ГЭС функционируют на территории 34 регионов из 85 (89 после 30.09.2022), то гидроэнергетический потенциал сосредоточен на территории 42 регионов России. При этом в 9 субъектах потенциал рек не освоен, а в 24 субъектах – исчерпан, т.е. полностью освоен.

Наибольший уровень неосвоенного гидропотенциала по мощности сконцентрирован на территории следующих регионов России (P>1000 МВт): Кабардино-Балкарская Республика (5 142,3 МВт), Краснодарский край (1 633,1 МВт), Республика Башкортостан (1 777,3 МВт), Иркутская область (28 011,6 МВт), Красноярский край (84 997,8 МВт), Амурская область (18 040,0 МВт), Хабаровский край (22 850,0 МВт), Камчатский край (1 156,8 МВт).

Также полностью неосвоенным (P осв = 0%) остается потенциал ГЭС на территории 9 субъектов России: Калининградская область (36,8 МВт), Воронежская область (212 МВт), Республика Ингушетия (370 МВт), Алтайский край (404 МВт), Забайкальский край (850 МВт), Кемеровская область (399 МВт), Республика Алтай (60 МВт), Еврейская автономная область (100 МВт), Хабаровский край (22 850 МВт)

По итогам исследования и анализа установлено, что колоссальными объемами гидроэнергетического потенциала располагают Иркутская область и Красноярский край (Ангаро-Енисейский каскад ГЭС), Амурская область и Хабаровский край (Зейский и Бурейский каскады) [10]. На указанные 4 региона приходится ~735 млрд кВт·ч (78% от всего потенциала). Согласно [13], ПАО «РусГидро» совместно с Министерством энергетики России предложили в 2021 г. построить на притоках Амура до 4 ГЭС суммарной мощностью до 1,562 ГВт и объемом выработки до 7 млрд кВт·ч электроэнергии в год. Перспективы освоения гидроэнергетического потенциала России

Основополагающим документом в России по развитию энергетики является Энергетическая стратегия на период до 2035 года [13]. Так, согласно Стратегии, к 2035 г. выработка электроэнергии на ГЭС должна вырасти в 1,2÷1,3 раза, в т.ч. за счет реализации комплексного развития территорий на основе программ строительства ГЭС и крупных энергоемких потребителей и добывающей промышленности на территории Сибирского и Дальневосточного федеральных округов. При этом суммарная доля ГЭС в балансах мощности и электроэнергии России останется прежней – до 20%.

Согласно Схеме и программе развития Единой энергетической системы России на 2022-2028 годы (СИПР ЕЭС) [11], на период до 2028 г. запланировано строительство новых 294,6 МВт мощностей ГЭС, из них 74,4 МВт - в ОЭС Северо-Запада и еще 220,2 МВт в ОЭС Юга. В целом по ЕЭС России с учетом новых вводов и мероприятий по выводу из эксплуатации, модернизации, реконструкции и перемаркировке с высокой вероятностью реализации установленная мощность ГЭС в ЕЭС России должна увеличиться с 48 615 МВт до 49 321 МВт (+706 МВт, +1,5%), а выработка электроэнергии с высокой вероятностью может снизиться с 209,5 до 190,2 млрд кВт^ч (-19,3%).

Калининградская область । ^ Ленинградская область | 799'®^ Мурманская область ■ Isis'^* Республика Карелия | 799"^ Вологодская область | gj’*^ Воронежская область |^2!2 г. Москва | I®100

Московская область | i228|S0 Ярославская область | 49^'^

Нижегородская область | Цо'® Республика Татарстан 1~1.49^

Самарская область х^w Саратовская область | |42?'^

Чувашская Республика J шо^ Волгоградская область Ц ? 693^°

Кабардино-Балкарская Республика ₅₃₃ Карачаево-Черкесская Республика | ^jv⁸⁰ Краснодарский край ^i^iq

Республика Адыгея (Адыгея) | | j^ Республика Дагестан Ц12 3б^°

Республика Ингушетия |0^ Республика Северная Осетия - Алания | 443*^

Ростовская область | 2П^ Ставропольский кран | 341'^ Оренбургская область | зу50

Пермский край ■ leeo’80 Республика Башкортостан У Vooo

Свердловская область ^^ Алтайский край g®^

Забайкальский край g*g5o Иркутская область

Кемеровская область - Кузбасс |0j§9 Красноярский край

Новосибирская область | цро" Республика Алтай [ ^j0 Республика Хакасия

Еврейская автономная область । ^ Республика Саха (Якутия) | р57:?0

Хабаровский край

Камчатский край У^|~?оо

Красноярский край | пп'00

Магаданская область | i^io"0

Руст фзкт, МВт

Рустпогснц, МВт

Рис. 2. Структура гидроэнергетического технического потенциала по региональным энергосистемам России. Установленная мощность, МВт и выработка электроэнергии, млн кВт-ч (без учета потенциала гидроаккумулирующих электростанций) (составлено по [12])

В России действует также программа ДПМ ВИЭ [9], согласно которой в период с 2014 по 2024 годы включительно должны быть построены малые ГЭС (МГЭС) с единичной установленной мощностью до 25 МВт. С учетом [7], в России числится 95 МГЭС мощностью до 5 МВт, их установленная мощность составляет 109,31 МВт [6], и 25 МГЭС мощностью в диапазоне 5÷25 МВт, их суммарная установленная мощность - 355,9 МВт [5]. При условии полной реализации [9], суммарная установленная мощность МГЭС может увеличиться с 465 МВт на 01.01.2022 до 751 МВт на 01.01.2025 (+286 МВт, +62%), а выработка электроэнергии на МГЭС может вырасти с 1,82 до 3,50 млрд кВт^ч.

Также, согласно [13], к 2035 году объем инвестиций в возобновляемую энергетику, к которым также относятся МГЭС, увеличится в 5-7 раз, и доля выработки электроэнергии на МГЭС может увеличиться в ~10 раз. При реализации планов [8; 13], количество эксплуатируемых мощностей МГЭС в России может превысить 1000 МВт, а их ежегодный объем выработки электроэнергии может превысить 4,0 млрд кВт·ч. В этом случае уровень освоения гидроэнергетического потенциала малых рек России составит до 10%.

В связи с вышеизложенным, по [7-9; 11-13] на период до 2028 г. в России предусмотрены в приоритетном порядке комплексная модернизация генерирующего оборудования действующих ГЭС, а также строительство и ввод в работу новых МГЭС. Не ранее чем в 2025 г. в ОЭС Сибири и ОЭС Востока возможен запуск проектирования и строительства крупных ГЭС установленной мощностью свыше 250 МВт. Основным инструментом освоения гидроэнергетических ресурсов для Европейской части России (ОЭС Северо-Запада, Центра, Волги, Юга и Урала) является модернизация действующих ГЭС, а для ОЭС Сибири и Востока – строительство крупных ГЭС. При этом на территории всей России основным инструментом перспективного освоения энергетического потенциала малых рек является строительство новых МГЭС.

Выводы

• 1.    В России технически возможный для освоения гидроэнергетический потенциал составляет ~900 млрд кВт·ч выработки электроэнергии в год, потенциальная установленная мощность ГЭС оценивается до 220 ГВт.

• 2.    Гидроэнергетический потенциал в ОЭС Северо-Запада, Центра и Волги освоен на 90% и выше. Потенциал в ОЭС Юга и Урала освоен на 50%.

• 3.    Наибольшие объемы гидроэнергетического потенциала сконцентрированы в ОЭС Сибири, где освоено только 117,7 из 496,6 млрд кВт·ч (23,5%) и в ОЭС Востока, где освоено 45,6 из 279,4 млрд кВт·ч (16,3%) потенциала по выработке электроэнергии в год.

• 4.    Наибольшие объемы гидроэнергетического потенциала располагаются в следующих регионах: Иркутская область, Красноярский край, Амурская область и Хабаровский край. На указанные 4 региона приходится 175 ГВт, ~735 млрд кВт·ч или до 80% всего потенциала.

• 5.    Для Европейской части России основным инструментом освоения гидроэнергетических ресурсов является модернизация действующих ГЭС, а для ОЭС Сибири и Востока – строительство новых крупных ГЭС. При этом основным инструментом освоения потенциала малых рек является строительство новых малых ГЭС.