Перспективы использования малой гидроэнергетики в Ростовской области

Автор: Алиферов Алексей Вячеславович, Триполева Алла Радифовна

Журнал: Вестник аграрной науки Дона @don-agrarian-science

Рубрика: Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование

Статья в выпуске: 1 (41), 2018 года.

Бесплатный доступ

Цель работы - проведение исследований по оценке гидроэнергетических ресурсов и перспектив развития малой гидроэнергетики на действующих гидротехнических сооружениях (ГТС) водохозяйственных систем (ВХС) Ростовской области. На современном этапе развития промышленного и сельскохозяйственного производства в Южном и Северо-Кавказском регионах большое значение имеет использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в частности гидроэнергетического потенциала малых водотоков и ГТС водохозяйственных систем. С помощью системного анализа ВХС Ростовской области были обоснованы места размещения малых ГЭС на действующих ГТС Ростовской области. На базе проведенных полевых обследований и выполненных водноэнергетических расчетов по результатам изучения топографических карт (масштаб 1:10000 или 1:25000) осуществлена оценка гидроэнергетических ресурсов сетевых ГТС в Ростовской области. Перспективными створами для малых ГЭС водохозяйственного комплекса Ростовской области являются 16 функционирующих ГТС. Показатели суммарной мощности и производства электроэнергии на малых ГЭС предварительно оцениваются в 66,6 МВт (или 570 млн кВт·ч) в год. В настоящее время произведены водно-энергетические расчеты, осуществлен выбор основного гидротурбинного оборудования и расчет стоимости ГЭС. В соответствии с этим при реализации возможного плана развития по использованию ВИЭ на малых ГЭС в Ростовской области до 2020 г. замещение органического топлива ежегодно составит до 1,0 млн т условного топлива, а объемозамещение природного газа - около 1 млрд м³ в год. Следует подчеркнуть, что использование малых ГЭС на базе действующих ГТС позволит снизить себестоимость электроэнергии, потребляемой в целях орошения земель и работы систем сельскохозяйственного водоснабжения.

Еще

Возобновляемые источники энергии (виэ), малая гэс, гидротехнические сооружения (гтс), водохозяйственная система, малые водотоки, бассейновая геосистема, электрическая энергия

Короткий адрес: https://sciup.org/140223653

IDR: 140223653

Текст научной статьи Перспективы использования малой гидроэнергетики в Ростовской области

Введение. Современное общественное развитие, как на глобальном уровне системы «Природа - Общество - Человек» в пространственных пределах биосферы Земли (WBr.3=1 -Ю¹⁰км³), так на иерархических уровнях локальных бассейновых геосистем, где формируются водные ресурсы (поверхностный и подземный сток) и ведутся практически все виды многогранной хозяйственной и иной деятельности, характеризуется устойчивым ростом актуальности всех аспектов взаимосвязи, взаимодействия и взаимоотношения (ВВВ) между проводимой хозяйственной и иной деятельностью с природными средами (атмосферой, гидросферой, литосферой и почвенным покровом), способствующими формированию устойчивой тенденции на увеличение потребления природных ресурсов (не возобновляемых до 85%, возобновляемых до 15%), из которых наиболее жизненно важными являются водные, потребление которых по массе превышает все остальные ресурсы вместе взятые [3]. Такая парадигма общественного развития, как свидетельствуют реалии, определила ряд современных взаимосвязанных между собой глобальных проблем, из которых первыми и главными по значимости являются проблемы энергии, воды и пищи, без решения которых невозможно решение других 7 важных проблем, в том числе экологии.

Проблема воды, как возобновляемого природного ресурса, в значительной степени определяется современными технологиями ее использования в различных отраслях хозяйствен ной деятельности и не менее важными условиями характера, и видами воздействия строящихся и функционирующих водохозяйственных объектов на природные среды в пространственных пределах бассейновых геосистем, где формируются количественные и качественные показатели водных ресурсов в зависимости от экологического состояния рассматриваемого пространства [1].

Целью исследований являлось обоснование перспектив использования объектов малой гидроэнергетики в Ростовской области. При обустройстве территорий бассейновых геосистем для использования ВИЭ предусматривается возведение следующих энергетических объектов:

- малых ГЭС мощностью до 30 МВт;
- тепловых электростанций на биотопливе (БиоГЭС);
- электростанций на биологическом топливе (БиоЭС);
- ветровых электростанций (ВЭС);
- ветровых энергетических установок (ВЭУ);
- геотермальных электростанций (ГеоЭС);
- солнечных фотоэлектрических станций (ФЭС);
- солнечных фотоэлектрических установок (ФЭУ);
- электростанций морских волн (ЭСМВ);
- электростанций морских приливов (ЭСМП) [7-9].

В таблице 1 представлены перспективные показатели мощности и производства электроэнергии ВИЭ в Российской Федерации.

Таблица 1 - Перспективные показатели мощности и производства электроэнергии ВИЭ в РФ

Тип электростанции (ЭС)	Единица измерения	2005 г.	2010 г.	2015 г.	2020 г.
ГЭС мощностью < 25 МВт	млрд кВт ч мВт	2,8000 680,0000	3,50000 850,00000	10,000 2430,000	20,000 4800,000
Ветровые ЭС	млрд кВт ч мВт	0,0097 12,0000	0,21000 120,00000	2,600 1500,000	17,500 7000,000
Геотермальные ЭС	млрд кВт ч мВт	0,4000 71,0000	0,60000 90,00000	2,000 300,000	5,000 750,000
ТЭС (на биомассе)	млрд кВт ч мВт	5,20000 1413,0000	13,50000 2800,00000	22,000 5000,000	34,900 7850,000
Приливные ЭС	млрд кВт ч мВт	0,0000 1,5000	0,00000 1,50000	0,024 12,000	2,300 4500,000
Солнечные ЭС	млрд кВт ч мВт	0,0002 0,0200	0,00003 0,03000	0,002 1,500	0,018 12,100
Прочие ЭС	млрд кВт ч мВт	0,0000 0,0000	0,00000 0,00000	0,080 20,000	0,500 250,000
Доля ВИЭ (без больших ГЭС)	%	0,9	1,5	2,5	4,5

В настоящее время в мировом масштабе ВИЭ дают около 3,5% электрической энергии [4], что обусловливает создание значительных резервов для развития малой энергетики и формирует тенденцию к снижению выбросов в атмосферу парниковых газов, произведенных мощными тепловыми электростанциями (Новочеркасская ГРЭС, Невинномысская ГРЭС, Ставропольская ГРЭС и др.). Таким образом, развитие малой энергетики в направлении использования ВИЭ способствует решению проблемы глобального потепления [5].

Объем потребляемой электроэнергии в РФ ежегодно растет и составит к 2020 г. более 1800 млрд кВт-ч, а в регионах Юга России (ЮФО и СКФО) более 126 млрд кВт-ч [6].

В настоящее время рынок электроэнергии на Юге России является остродефицитным и будет оставаться таким в обозримой перспективе вследствие высоких требований природоохранного и экологического характера, предъявляемых к ТЭС и АЭС [7]. Недостаточность на Юге России генерирующих мощностей, позволяющих выравнивать график потребляемой энергии, приводит к существенному повышению тарифов на электроэнергию. Причиной этому являются потери в электрических сетях и оплата за заявленную мощность утреннего и вечернего максимума нагрузок.

Решением проблемы нехватки электроэнергии в ЮФО могут быть малые ГЭС, которые являются эффективной технологией энергопроизводства на базе ВИЭ.

Преимущества объектов малой гидроэнергетики перед другими ВИЭ заключаются в стабильной, не зависящей от погодных условий, выработке электроэнергии, а также в экономичности. Стоимость 1 кВт-ч, произведенного на малых ГЭС в России (по данным Минэнерго) в централизованной энергосистеме, составляет 0,4-0,6 руб., а за рубежом - 3,040 цента [8].

Преимущество объектов малой гидроэнергетики с направлением экологии состоит в их принадлежности к сектору экологически чистой возобновляемой энергетики, что обеспечивает устойчивое локальное электроснабжение и, в отличие от крупных объектов гидроэнергетики, не представляет угрозы для местных экосистем. Немаловажным является то, что для постройки объектов малой гидроэнергетики требуется намного меньше финансовых ресурсов, чем для сооружения крупных ГЭС.

Строящиеся объекты малой гидроэнергетики должны обеспечить:

- качественное и надежное электроснабжение объектов хозяйственной деятельности, ЖКХ сельских поселений, а также местных промышленных предприятий;
- снижение выбросов парникового газа (СО₂);
- замещение топлива, используемого на ТЭС;
- снижение инфраструктурных ограничений для экономического развития сельских территорий.

Прогресс в развитии объектов малой гидроэнергетики является одним из наиболее пер- спективных направлений в рамках реализации мероприятий Киотского протокола [9]. В Российской Федерации на данный момент разработана концепция развития малой гидроэнергетики, включающая схемы размещения ее объектов (общей мощностью 420 мВт) и их количество (в Ставропольском крае - 14 малых ГЭС, Республике Тыва - 18, Алтайском крае - 35, Бурятии - 12, Северной Осетии - Алании - 17). Существуют и региональные программы локальной энергетики на базе малых ГЭС для Краснодарского края, Нижегородской, Астраханской, Ленинградской областей, Республик Карачаево-Черкессия, Кабардино-Балкария, Дагестан и других регионов [10,11].

Материалы и методы. Исследования рассматриваемых водохозяйственных систем проводились с использованием системного подхода. Основным материалом для обоснования мест размещения малых ГЭС явились конструк тивные характеристики действующих ГТС водохозяйственных систем.

Хозяйственная деятельность по использованию водных ресурсов в различных отраслях аграрного производства в энерго-энтропийном понимании обусловливает системное преобразование природных форм энергии, то есть увеличение свободной части энергии Е._р , способной выполнять работу, в балансовом соотношении со связанной частью энергии е_сьз, не способной выполнять работу.

Естественные процессы в природных системах и, соответственно, в бассейновых геосистемах характеризуются взаимодействием биотических и абиотических компонентов между собой при непрерывном поступлении потоков свободной энергии (ЕСВб), приходящей из космоса в виде солнечной радиации.

Это требует определенных системных изменений, направленных на повышение уровня КПД. который вычисляют по формуле

КПД^ЛЕ^, где Е1Ю, - полный поток энергии, поступающий в систему.

Использование малых ГЭС на действующих водохозяйственных системах способствует увеличению свободной части энергии £св в том количестве, которое может быть выработано на установленных гидроагрегатах [1].

В Ростовской области, которая имеет высокий уровень развития водохозяйственных комплексов, перспективным (с точки зрения современных технологий и оборудования) направлением в области ВИЭ является использо вание существующих ГТС с перепадом уровней воды в верхнем и нижнем бьефах от 3 м и более и значительными расходами воды.

Результаты и обсуждение. По результатам расчетов наиболее перспективными створами для строительства объектов малой гидроэнергетики на водохозяйственных комплексах Ростовской области являются 16 функционирующих ГТС. Показатели суммарной мощности и производства электроэнергии на малых ГЭС предварительно оцениваются в 66,6 МВт, или 570 млн кВт ч в год соответственно.

На рисунке 2 представлена схема размещения объектов малой гидроэнергетики на ГТС Ростовской области.

Рисунок 2 - Схема размещения объектов малой гидроэнергетики на ГТС Ростовской области Таблица 2 - Экономическая эффективность малых ГЭС

Показатели	Количественное значение показателей
Плановая прибыль, % в год	0,0	3,0	6,0	9,0	12,0
Суммарная номинальная мощность, МВт	66,6	66,6	66,6	66,6	66,6
Годовая выработка ВИЭ, млн кВт-ч	570	570	570	570	570
Капитальные затраты на возведение ВИЭ, млн€	73,3	73,3	73,3	73,3	73,3
Замещение органического топлива (природного газа), тыс, т/год	114	114	114	114	114
Стоимость замещенного органического топлива в РФ, тыс. €/год	9204	9204	9204	9204	9204
Сокращение выбросов парниковых газов, тыс. т/год	313,4	313,4	313,4	313,4	313,4
Стоимость предотвращенных выбросов, тыс. €/год	6360,5	6360,5	6360,5	6360,5	6360,5
Себестоимость энергии ВИЭ, €/кВт ч	0,02	0,02	0,02	0,02	0,02
Срок окупаемости ВИЭ по оптовой цене рынка, лет	4,5	5,0	6,1	8,0	12,0
Срок окупаемости ВИЭ по оптовой цене + надбавки, лет	2,0	2,2	2,4	2,6	2,8
Срок окупаемости ВИЭ по оптовой цене + топливный бонус, лет	2,5	2,8	3.1	3,4	3,8
Трудоемкость реализации проекта ВИЭ, чел ч/млн кВт ч	0,114	0,114	0,114	0,114	0,114

В Ростовской области имеются хорошие условия для всех рассмотренных видов ГЭС. Места для их строительства располагаются в близлежащих населенных пунктах с подъездными путями, соединяющими здания ГЭС с основными автодорогами.

По результатам предварительных водноэнергетических расчетов осуществлен выбор основного гидротурбинного оборудования и выполнен расчет стоимости ГЭС (таблица 3).

Расчетные показатели экономической эффективности малых ГЭС, способных обеспечить заданную выработку при разных значениях планируемой дисконтированной нормы прибыли, определялись на аналогичных объектах и представлены в таблице 2.

Полученные данные свидетельствуют о высокой экономической эффективности и инвестиционной привлекательности проектов малых ГЭС на территории Ростовской области. В соответствии с проведенными расчетами, при реализации такого сценария развития по использованию ВИЭ на малых ГЭС в Ростовской области до 2020 г. замещение органического топлива может составить ежегодно около 0,91 млн т условного топлива [12].

При этом объемозамещение природного газа за счет использования ВИЭ составит до 1,003 млрд м3 в год. а сокращение выбросов в атмосферу парниковых газов на малых ГЭС -свыше 1,5 млн т в год.

Основными этапами комплексного реше- - разработка концепции развития малой ния по вводу малых ГЭС являются: гидроэнергетики региона и обоснование инве-

- проведение обследования водных объ- стиций; ектов с целью выявления мест размещения ма- - составление бизнес-плана для перво-лых ГЭС; очередных малых ГЭС;

Таблица 3 - Характеристика перспективных ГЭС в Ростовской области

Наименование малых ГЭС	Местоположение (район;	Напор м	Расход, м-/га	Установленная мощность, тыс кВт	Годовая выработка электроэнергии, млн кВт ч	Примечание
ГУ Ns 2 на р Северский Донец	Усть-Донецкий	3,60	25,00	882,90	7,73	Существующие, круглогодичные
ГУ Ns 3 на р Северский Донец	Усть-Донецкий	3,50	25,00	858,38	7.52
ГУ № 4 на р Северский Донец	Белокалитвинский	3,20	25,00	784,80	6,87
ГУ № 5 на р Северский Донец	Белокалитвинский	3,15	25,00	772,54	6,77
ГУ №6 нар Северский Донец	Каменский	3,15	25,00	772.51	6,77
ГУ № 7 на р. Северский Донец	Каменский	3,15	25,00	772,54	6,77	Круглогодичный
Водохранилище на балке Гашун	Ремонтненский	6,00	3,50	206,01	0,45	С апреля по июнь
Воронцово-Никодаеаскре водохранилище	Сальский	5,00	25,50	1250 78	10,96	Круглогодичное
Сальское водохранилище	Сальский	10,0	20,00	1962 00	17,19	Круглогодичное
Садковский сброс ДМК	Мартыновский	6,00	30,00	1765 80	10,34	С апреля по ноябрь
Концевой сброс ПК	Пролетарский	6,00	40,00	2354 40	13,79	С апреля по ноябрь
Веселовская ГЭС	Веселовский	6,70	46,00	3500.00	22,00	Круглогодичные
Пролетарская ГЭС	Пролетарский	5,00	15,00	735,75	6,45	требуется восстановление
Николаевский гидроузел	Волгодонский	3,50	500,00	17167 50	150,39	Круглогодичные
Константиновский гидроузел	Семнкаракорский	3,50	500,00	17167 50	150,39
Кочетовский гидроузел	Константиновский	3,50	500,00	17167 50	150,39
Всего				85288 44	569,95

Вестник аграрной науки Дона 1 (41) 2018

- подготовка проектно-сметной документации;
- прохождение экспертизы;
- авторский надзор за строительством;
- изготовление и поставка оборудования;
- проведение шеф-монтажных и пусконаладочных работ;
- сдача ГЭС в эксплуатацию.

Рост энергопотребления в Южном и Северо-Кавказском федеральных округах представлен в таблице 4.

Прогнозные показатели роста производства электроэнергии на Юге России в соответствии с растущим спросом представлены на рисунке 3.

Таблица 4 - Рост энергопотребления в регионах Южного и Северо-Кавказского федеральных округов

Регион	Электропотребление, млрд кВт-ч (базовый вариант)				Среднегодовой темп роста, %
Регион	2006 г.	2010 г.	2015 г.	2020 г.	2001-2005 гт.	2006-2010 г.	2011-2015ГТ.	2016-2020 гг.
Всего в ЮФО и СКФО	76,5	94,0	111,3	126,0	1,5	5.1	3,4	2,6
Астраханская область	4,0	4,7	5,6	6,4	1,2	4.0	3,5	3,0
Волгоградская область	19,1	20,5	23,1	26,3	0,9	2,1	2,4	2,6
Чеченская Республика	1,6	2,4	3,6	4,9	25,7	10,8	7,8	6,6
Республика Дагестан	4,4	5,3	6.2	7,0	4,5	4,4	2,9	2,6
Кабардино-Балкарская Республика	1,4	1,5	1,6	1,7	-2,0	0,5	1,1	1,6
Республика Калмыкия	0,5	0,5	0,5	0,6	-3,6	-0,2	1.1	1,6
Краснодарский край	17,9	24,8	32,4	36,5	2,3	8,0	5,5	2,5
Ростовская область	15,3	21,0	23,2	26,2	1,1	7,5	2.0	2,4
Республика Северная Осетия - Алания	2,2	2,3	2,5	2,8	0.8	1,3	1,5	2,1
Карачаево-Черкесская Республика	1,2	1,2	1,6	1,7	-0,4	1,0	4,8	1,7
Ставропольский край	8,4	9,2	10,3	11,2	о.з	2,4	2,2	1,8
Республика Ингушетия	0,5	0,6	0,7	0,7	3,0	5,7	3,2	1,9

Рисунок 3 - Прогнозные показатели роста производства электроэнергии в соответствии с растущим спросом в ЮФО и СКФО

Выводы

1. Выполненная оценка водноэнергетического потенциала для создания малых ГЭС с учетом их возможного размещения на действующих ГТС в Ростовской области позволила установить, что суммарная установленная мощность ГЭС составит 66,67 МВт со среднегодовой выработкой до 570 млн кВт ч электриче
2. По результатам расчетов наиболее перспективными створами для устройства объектов малой гидроэнергетики на водохозяйственных комплексах Ростовской области являются 16 функционирующих сооружений, имеющих перепады между верхним и нижним бьефами от 2 до 10 м и более.
3. Производство электроэнергии на объектах малой гидроэнергетики в огромной степени снижает антропогенную нагрузку на природные среды в зонах влияния. При этом из-за использования ВИЭ замещение природного газа может составить до 1,003 млрд м^э в год, а выброс парниковых газов в атмосферу сократится более чем на 1,5 млн т в год.

ской энергии.

Список литературы Перспективы использования малой гидроэнергетики в Ростовской области

Природно-технические системы в использовании водных ресурсов: территории бассейновых геосистем: монография/В.Л. Бондаренко, Е.А. Семенова, А.В. Алиферов, О.В. Клименко. -Новочеркасск: ЮРГПУ(НПИ), 2016. -204 с.
Дуб, А.В. Технологии на вырост/А.В. Дуб//В мире науки. -2015. -№ 4. -С. 32-38.
Ковальчук, М.В. Конвергенция наук и технологий -прорыв в будущее/М.В. Ковальчук//Российские нано-технологии. -2011. -№ 1-2. -Т. 6 -С. 13-23.
Уэббер, М. Задача для всей планеты/М. Уэббер//В мире науки. -2015. -№ 4. -С. 65-71.
Решение экологических проблем при проектировании гидротехнических сооружений (на примере бассейновой геосистемы Верхней Кубани): монография/В.Л. Бондаренко, В.В. Приваленко, А.В. Кувалкин, С.Г. Прыганов, Е.С. Поляков. -Ростов-на-Дону-Черкесск: РАН, Южный научный центр, 2009. -360 c.
Экологическая безопасность в природообустройстве, водопользовании и строительстве: экологическая инфраструктура бассейновых геосистем: монография/В.Л. Бондаренко, В.В. Приваленко, Г.М. Скибин, В.Н. Азаров. -Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2012. -308 с.
Бондаренко, В.Л. Экологически устойчивое управление природно-техническими системами бассейнов малых рек/В.Л. Бондаренко, А.В. Кувалкин//Науч. журнал Рос. НИИ проблем мелиорации: электронный журнал. -2012. -№ 3 (7). -С. 166-174. URL: http://www.rosniipm-sm.ru/archive?n=113&id=126 (дата обращения: 13.12.2016).
Государственный доклад о состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2009 году. -Москва: НИА-Природа, 2010.
Peter Saling, Andreas Kicherer, Brigitte Dittrich-Kramer, Rolf Wittlinger, Winfried Zombik, Isabell Schmidt, Wolfgang Schrott and Silke Schmidt. Life Cycle Management. Eco-efficiency Analysis by BASF: The Method. BASF. -Ger-many, 2002. -Р. 42-57.
Гед Р. Дейвис. Энергия для планеты Земля//В мире науки. -1990. -№ 11. -С. 7-16.
Saling P., Hofer R. (ed.) (2009); «Metrics for Sustainability» as part of RSC Green Chemistry No 4; Sustainable Solutions for Modern Economies/ed. by Rainer Hоfer; The Royal Society of Chemistry; «Green Chemistry Series» edited by the Royal Society of Chemistry Series/ed.: J. Clark, University of York; G. Kraus, Iowa State University, 2009. -P. 25-37.
ITU-T Recommendation X.902 (1995)/ISO/IEC 10746-2:1996, Information Technology -Open Distributed Processing -Reference Model: Foundations.

Еще

Статья научная