Очень необычная гидроэлектростанция находится неподалеку от городка Лестервилль, штат Миссури. До ближайшего источника воды – порядка 80 километров. Как же тогда она работает и нужно ли это вообще?

Данная электростанция состоит из двух отстоящих на расстоянии друг от друга частей и работает только в пиковые моменты нагрузок в электросети. Резервуар с водой открывается, и вода течет вниз к турбинам. Как только нагрузка в сети падает, вода, при помощи остаточной электроэнергии, возвращается обратно в резервуар. Таким образом, получается, что ГЭС можно считать самодостаточным аккумулятором (ГАЭС). Стоимость проекта на момент запуска в 2010-м году составила около полумиллиарда долларов. Резервуар вмещает порядка 5 миллиардов кубометров воды.

ГАЭС использует в своей работе либо комплекс генераторов и насосов, либо обратимые гидроэлектроагрегаты, которые способны работать как в режиме генераторов, так и в режиме насосов. Во время ночного провала энергопотребления ГАЭС получает из энергосети дешёвую электроэнергию и расходует её на перекачку воды в верхний бьеф (насосный режим). Во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления ГАЭС сбрасывает воду из верхнего бьефа в нижний, вырабатывает при этом дорогую пиковую электроэнергию, которую отдаёт в энергосеть (генераторный режим).

Она разработана, чтобы помочь удовлетворить пиковое потребление электроэнергии в течение дня. Во время периодов высокого потребления вода, сохраненная в резервуаре оригинальной формы на горе Проффит, выпускается через турбины в более низкий резервуар, на расстоянии в два километра, на Восточном берегу Черной Реки. Ночью, когда электрическое потребление низко, лишнее электричество, доступное в энергосистеме, используется, чтобы накачать воду назад к горной вершине. В основном, электростанция функционирует, как огромная батарея, храня лишнюю энергию, пока это не необходимо.

В крупных энергосистемах большую долю могут составлять мощности тепловых и атомных электростанций, которые не могут быстро снижать выработку электроэнергии при ночном снижении энергопотребления или же делают это с большими потерями. Этот факт приводит к установлению существенно большей коммерческой стоимости пиковой электроэнергии в энергосистеме, по сравнению со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой в ночной период. В таких условиях использование ГАЭС экономически эффективно и повышает как эффективность использования других мощностей (в том числе и транспортных), так и надёжность энергоснабжения.

Опыт использования ГАЭС в целях регулирования электрических режимов показал, что они являются не только генерирующим источником, но и источником оказания системных услуг, способствующих как оптимизации суточного графика нагрузок, так и повышению надёжности и качества электроснабжения.

Строительство станции Таум Саук началось в 1960, а работать она начала в 1963. Два турбинных насоса способны к производству 175 мегаватт энергии. Они были модернизированы в 1999 году до 225 мегаватт каждый.

Первые ГАЭС появились в Западной Европе в конце XIX века. Так, в 1882 году в Швейцарии, в окрестностях Цюриха, была построена установка Леттем с двумя насосами общей мощностью в 103 кВт. Спустя 12 лет, подобная установка заработала на одной из итальянских прядильных фабрик. Если к началу XX века общее число ГАЭС в мире не превышало четырёх, то уже к началу 1960-х оно достигло 72, а к 2010 году - 460.

Taum Sauk Hydroelectric Power Station находится в горной области Миссури Озаркс примерно в 140 км к югу от Санкт- Луи вблизи Лестервилл, штат Миссури.

Гидроаккумулирующая электростанция по внешнему виду может быть неотличима от обычной ГЭС, стоящей на реке, а может представлять собой такой вот необычный резервуар, как станция Taum Sauk в Миссури. В любом случае – это большая территория и большие объёмы строительства.

4 декабря 2005 года в верхнем водном резервуаре Taum Sauk гидроэлектростанции близ городка Лестервиль произошло разрушение дамбы, в результате чего хлынувшие потоки воды смыли несколько домов и автомашин. Вода из верхнего резервуара площадью 50 акров вытекла всего за 12 минут.

По результатам расследования аварии было установлено, что причинами разрушения дамбы ограждения верхового бассейна ГАЭС Taum Sauk были его переполнение и перелив воды через гребень дамбы вследствие сбоя в компьютерной программе системы автоматического регулирования уровня воды в бассейне.

Типы гидроэнергетических установок

Гидроэнергетическая установка (ГЭУ) предназначена для преобразования механической энергии водного потока в электрическую энергию или, наоборот, электрическая энергия преобразуется в механическую энергию воды.

Гидроэнергетическая установка состоит из гидротехнических сооружений, энергетического и механического оборудования. Различают следующие основные типы гидроэнергетических установок:

· гидроэлектростанции (ГЭС);

· насосные станции (НС);

· гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС);

· комбинированные электростанции ГЭС-ГАЭС;

· приливные электростанции (ПЭС).

Гидроэлектростанция - это предприятие, на котором гидравлическая энергия преобразуется в электрическую.

Основными сооружениями ГЭС на равнинной реке являются плотина , создающая водохранилище и сосредоточенный перепад уровней, т.е. напор, и здание ГЭС , в котором размещаются гидравлические турбины, генераторы, электрическое и механическое оборудование (рис. 17.3). В случае потребности строятся водосбросные и судоходные сооружения, водозаборы для систем орошения и водоснабжения, рыбопропускные сооружения и т.п.

Вода под действием тяжести по водоводам движется из верхнего бьефа в нижний, вращая рабочее колесо турбины. Гидравлическая турбина соединена валом с ротором генератора. Турбина и генератор вместе образуют гидроагрегат . В турбине гидравлическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения на валу агрегата, а генератор преобразует эту энергию в электрическую. Возможно создание на реке каскадов ГЭС. В России построены и успешно эксплуатируются Волжский, Камский, Ангарский, Енисейский и другие каскады ГЭС.

Среди типов гидроэнергетических установок ГЭС являются наиболее крупными. В России построена на Енисее Саяно-Шушенская ГЭС им. П.С. Непорожнего мощностью 6,4 млн кВт (рис. 17.4).

Ведется проектирование Туруханской ГЭС мощностью до 20 млн кВт.

Все построенные ГЭС, особенно обладающие крупными водохранилищами , играют решающую роль в обеспечении надежности , устойчивости и живучести Единой энергетической системы России.

Большой интерес в мире и в России в настоящее время вызывает возможность создания малых ГЭС.

Малые ГЭС (мощностью до 30 МВт) могут создаваться в короткие сроки с использованием унифицированных гидроагрегатов и строительных конструкций с высоким уровнем автоматизации систем управления. Экономическая эффективность их использования существенно возрастает при комплексном использовании малых водохранилищ (рекреация, рыбоводство, водозаборы для систем орошения и водоснабжения и т.п.).

Насосная станция предназначена для перекачки воды с низких отметок на высокие и транспортировки воды в удаленные пункты.

На насосной станции устанавливаются насосные агрегаты, состоящие из насоса и двигателя . Насосная станция является потребителем электрической энергии.

Они используются для водоснабжения тепловых и атомных электростанций, коммунально-бытового и промышленного водоснабжения, в ирригационных системах, судоходных каналах, пересекающих водоразделы, и т.п.

Гидроаккумулирующая электростанция предназначена для перераспределения во времени энергии и мощности в энергосистеме. В часы пониженных нагрузок ГАЭС работает как насосная станция. Она за счет потребляемой энергии перекачивает воду из нижнего бьефа в верхний и создает запасы гидроэнергии. В часы максимальной нагрузки ГАЭС работает как гидроэлектростанция. Вода из верхнего бьефа пропускается через турбины в нижний бьеф, и ГАЭС вырабатывает и выдает электроэнергию в энергосистему. ГАЭС потребляет дешевую электроэнергию, а выдает более дорогую энергию в период пика нагрузки, заполняет провалы нагрузки и снижает пики нагрузки в энергосистеме, позволяет работать агрегатам атомных и тепловых электростанций в наиболее экономичном и безопасном равномерном режиме, резко снижая при этом удельный расход топлива на производство 1 кВт · ч электроэнергии в энергосистеме.

В России работает Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт.

ГЭС-ГАЭС вырабатывает электроэнергию в период пика нагрузки за счет притока воды в верхний бьеф и за счет перекаченной из нижнего бьефа в верхний в период провалов нагрузки в энергосистеме.

Реконструкция ГЭС в ГЭС-ГАЭС, как показывает зарубежный опыт, весьма эффективна в энергосистемах, где мала доля ГЭС и ГАЭС.

Приливные электростанции преобразуют механическую энергию приливно-отливных колебаний уровня воды в море в электрическую энергию. В некоторых морских заливах приливы достигают 10-12 м, а наибольшие приливы наблюдаются в заливе Фанди (Канада) и достигают 19,6 м.

Технические ресурсы приливной энергии России оцениваются в 200-250 млрд кВт · ч в год и в основном сосредоточены у побережий Охотского, Берингова и Белого морей.

В России наиболее перспективным наплавным способом возведена опытная Кислогубская ПЭС вблизи г. Мурманска. Во Франции построена ПЭС Ранс мощностью 240 МВт.

ГАЭС (гидроаккумулирующие электростанции) служат для накопления электроэнергии во время низкого потребления сетями электричества (в ночной период) и отдачи её во время пиковых нагрузок, уменьшая тем самым необходимость изменения мощности в течение суток основных электростанций (атомных, тепловых). Тепловые и атомные станции не способны быстро снижать свою мощность во время значительного спада потребления, поэтому ночью себестоимость электроэнергии существенно возрастает и электростанции работают в значительной степени вхолостую.

История использования гидроаккумулирующих электростанций

Чтобы улучшить и увеличить эффективность всей системы, были разработаны ГАЭС. Первые подобные станции были построены в конце 19 века в Западной Европе, в частности в 1882 г. в Швейцарии была запущена установка Леттем мощностью 103 кВт. Аналогичное сооружение через 12 лет было запущено на одной из прядильных фабрик Италии. До 20 столетия функционировало всего 4 ГАЭС, к 60-м гг. 20 века насчитывалось уже 72 работающие установки, к 2010 г. их число достигло 460.

Принцип действия

У гидроаккумулирующих электростанций есть два периода работы — насосный и турбинный. Во время первого режима ГАЭС является потребителем электроэнергии, которая подаётся от во время минимальной нагрузки на последние (обычно примерно 7-12 часов в сутки). При этом на ГАЭС происходит перекачка воды в верхний аккумулирующий бассейн из нижнего питающего водохранилища (станция запасает энергию). В турбинном режиме ГАЭС отдаёт накопленную энергию обратно в сеть во время максимальной нагрузки на неё (2-6 часов в сутки). Вода в этот период из верхнего бассейна направляется обратно в питающее водохранилище, вращая при этом турбину генератора.

Верхний бассейн может не иметь естественной приточности, работая исключительно на запасённой в наносный период воде. Такие ГАЭС принято называть «чистыми». Также функционируют «смешанные» гидроаккумулирующие станции, верхний бассейн которых имеет дополнительную естественную приточность. При этом в турбинном режиме используется и аккумулированная, и поступающая естественным образом вода.

Принцип действия насосно-аккумулирующих электростанций заключается в преобразовании энергии воды. В таких инженерных сооружениях есть два периода работы: насосный и турбинный. В первый период электростанция является потребителем энергии от других видов, например, тепловых электростанций. В это время с помощью насосов вода перекачивается в верхний бассейн (происходит зарядка). Во время турбинного режима работы вода вращает турбины, попадая в нижнее хранилище, с помощью чего запасённая энергия отдаётся потребителю (разрядка).

Делается это для того, чтобы обеспечить города, промышленность необходимой мощностью во время пикового энергопотребления.

Устройство

Кроме верхнего бассейна и питающего водохранилища в состав ГАЭС входит здание электростанции, железобетонный или металлический напорный водопровод, водоприёмник, который служит для подачи воды в верхний бассейн во время работы станции в насосный период и для забора воды из него в турбинный период. В самом здании электростанции устанавливается турбина, генератор-электродвигатель и насос либо только генератор-электродвигатель и обратимая турбина (турбина-насос).

Чаще всего ГАЭС устанавливаются рядом с мощными потребителями энергии недалеко от мощных тепловых или атомных электростанций там, где этому способствуют топографические, гидрологические и геологические условия. Необходимо, чтобы на местности имелась возможность устроить верхний бассейн и нижнее водохранилища рядом друг с другом. КПД гидроаккумулирующих станций колеблется в диапазоне 0,6 — 0,7. Обычно для работы используются уже существующие водохранилища и озёра или те места, где верхний бассейн имеет естественную приточность.

Разделяют «чистые» гидроаккумулирующие станции и «смешанные». В первом случае верхний бассейн не обладает естественной приточностью, таким образом энергия вырабатывается только за счёт запасённой заранее воды. В смешанных электростанция используется кроме аккумулированного объёма ещё и приточный сток. КПД подобных сооружений составляет 60-70%. Обычно устанавливаются вблизи мощных электростанций, там где возможно организовать нижнее водохранилище и верхнее хранилище близко друг к другу.

Другой вид аккумулирующих электростанций — ветряные. В них используется простой принцип, когда ветер вращает ветряное колесо, а энергия запасается в аккумуляторной батарее. Они намного меньше гидроаккумулирующих электростанций по размеру. Сейчас активно развиваются конструкции малой мощности, направленные на обеспечение энергией отдельных домов и фермерских хозяйств. Мощность их составляет 300 Вт — 20 кВт. средней мощности могут снабжать электричеством небольшие удалённые населённые пункты с общим потреблением 20 — 600 кВт. Мощные аккумулирующие станции выдают более мегаватта.

В связи с постоянным повышением подобные сооружения получили большое распространение в Европе. Сейчас они устанавливаются повсеместно, в том числе и в черте города. К недостаткам можно отнести создаваемый шум на уровне 45 дБ и выше. Также во многих странах запрещается их использование в сезон миграции птиц.

Случаются такие режимы в работе потребителей электроэнергии, когда в системе электроснабжения возникают избыточные электрические мощности. В такие моменты агрегаты ГАЭС работают как насосы, и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и, соответственно, приводит в действие дополнительные турбины. То есть, ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок.

Гидроаккумулирующие электростанции перераспределяют электроэнергию, вырабатываемую другими электростанциями, во времени в соответствии с требованиями потребителей. Принцип действия гидроаккумулирующей станции основан на ее работе в двух режимах: насосном и турбинном. В насосном режиме вода из нижнего водохранилища (бассейна) ГАЭС перекачивается в вышерасположенный верхний бассейн. Во время работы в насосном режиме (обычно в ночные часы, когда нагрузка в энергосистеме снижается) ГАЭС потребляет электрическую энергию, вырабатываемую другими электростанциями энергосистемы. В турбинном режиме ГАЭС использует запасенную в верхнем бассейне воду, агрегаты станции при этом вырабатывают электроэнергию, которая подается потребителю в часы пиков нагрузки. Поэтому на ГАЭС удобно использовать так называемые обратимые гидроагрегаты, могущие работать и как турбины, и как насосы.

Гидроаккумулирующая электростанция

1 – верхний аккумулирующий бассейн; 2 – здание электростанции; 3 – река;

4 – водовод; 5 – плотина

Водоводы Загорской ГАЭС

На территории России работает Загорская ГАЭС, входящая в десятку крупнейших электростанций страны. Она расположена на реке Кунья в Московской области. На настоящий момент это самая крупная ГАЭС России. Строительство ЗаГАЭС началось в 1974 году, акт о вводе в эксплуатацию подписан в 2003 году.

Мощность Загорской ГАЭС – 1200/1320 МВт (в турбинном/насосном режимах).

В здании ГАЭС установлено 6 обратимых гидроагрегатов радиально-осевого типа мощностью по 200/220 МВт, работающих при расчётном напоре 100 м.

Эксплуатация Загорской ГАЭС показала ее высокую эффективность. Поэтому был разработан проект расширения станции – строительство Загорской ГАЭС-2. Проектная мощность этой ГАЭС – 840 МВт (4 обратимых гидроагрегата по 210 МВт).

Работы по строительству ГАЭС-2 были развернуты в 2007 году, окончание строительства запланировано на 2013 год.

Кроме того, в России имеется гидроаккумулирующий комплекс на канале имени Москвы и Кубанская ГАЭС на Большом Старопольском канале.

Эффективность эксплуатации гидроаккумулирующих электростанций определила их востребованность. Помимо уже строящейся Загорской ГАЭС-2 существуют несколько проектов разной стадии реализации по строительству гидроаккумулирующих станций в России.

В 2011 году должно начаться строительство Ленинградской ГАЭС мощностью 1560 МВт станции на реке Шапша в Лодейнопольском районе под Петербургом. По проекту сроки окончания строительства – 2016 год.

Кроме того, проектируются следующие ГАЭС:

· Зеленчукская ГЭС-ГАЭС,

· Владимирская ГАЭС на реке Клязьма,

· Курская ГАЭС,

· Волоколамская ГАЭС на реке Сестра,

· Центральная ГАЭС на реке Тудовка,

· Лабинская ГАЭС на реке Лаба.

Самую мощную в мире ГАЭС строят на реке Днестр на Украине. Ее проектная мощность составляет 2268 МВт в генерирующем режиме и 2947 МВт в насосном режиме. Строительство идет с 1985 года, в 2009 году введен в действие первый гидроагрегат.

23 декабря в Карачаево-Черкесии торжественно ввели в эксплуатацию уникальную и первую в России электростанцию подобного типа — Зеленчукскую ГЭС-ГАЭС. Это по сути две станции в одной. На базе действующей Зеленчукской ГЭС была сооружена ещё одна гидроаккумулирующая электростанция с напорами воды 220-230 метров. Чтобы реализовать этот проект в машинном зале ГЭС были установлены два обратимых гидроагрегата, которые в ночное время работают в режиме насосов, перекачивая воду на высшую отметку в бассейн суточного регулирования, а утром и днём в период пиковых нагрузок эта вода используется для выработки электроэнергии, т. е. электростанция сможет работать в круглосуточном режиме и при этом не обращать внимание на уровень воды в реке. В результате этого запуска Республика существенно увеличит выработку и качество энергоснабжения, а также доведёт обеспеченность в собственной электроэнергией до 45%.

2. Зеленчукская ГЭС-ГАЭС расположена на реке Кубань и её притоках в Карачаево-Черкесии, между городами Карачаевск и Усть-Джегута.

3. Электростанция на этапе строительства в 2014 году http://zavodfoto.livejournal.com/2737686.html . Тогда она только-только вставала на ноги и вот её запустили. Для контраста фото из серии было-стало.

Что такое традиционная ГЭС мы уже представляем, а вот про ГАЭС (Гидроаккумулирующая электростанция) стоить немного добавить. Их уникальность в том, что в те часы, когда в энергосистеме наблюдается избыток электрической энергии (т.е. ночью), гидроагрегаты станции работают в качестве насосов и перекачивают воду из нижнего бассейна станции в верхний, аккумулирующий. Далее, когда в энергосистеме образуется дефицит генерирующей мощности (в утренние и вечерние часы), гидроагрегаты ГАЭС работают в качестве генераторов и превращают энергию падающей воды в электрическую. Первые ГАЭС появились в конце XIX века. Так, в 1882 году в Швейцарии, в окрестностях Цюриха, была построена установка Леттен (Letten) с двумя насосами общей мощностью в 103 кВт. Сегодня подобные электростанции широко распространены в Японии, США, Германии, Италии, Франции и Швейцарии. В России пока работают (с учётом нашей) три такие ГАЭС: Загорская ГАЭС в Сергиево-Посадском районе Московской области и Кубанская ГАЭС расположенная на Большом Ставропольском канале, в Карачаево-Черкесии. Но именно Зеленчукская стала первая в России ГЭС-ГАЭС.

17 ноября 1975 Совет Министров СССР Постановлением № 90 принял решение о строительстве каскада Зеленчукских ГЭС. Зеленчукскую ГЭС начали строить в сентябре 1976 года, однако спустя десятилетие из-за недостатка финансирования, стройку заморозили и лишь только в 1998 году, после того, как проект был включен в инвестпрограмму ОАО «РАО ЕЭС России» работы по её строительству возобновились. Пуск первого гидроагрегата, заточенного на водозабор на реке Аксаут, был произведён 2 августа 1999 года. Гидроагрегат № 2, водозабор которого расположен на реке Маруха, был подключен к сети 2-го октября 2002-го года. Так мощность ГЭС достигла 160 МВт, а среднегодовая выработка электрической энергии составила 187.5 млн. кВт∙ч. 16 декабря 2006 года был введен в эксплуатацию третий пусковой комплекс Каскада Зеленчукских ГЭС, в состав которого вошли: гидроузел на реке Большой Зеленчук; перебросной канал протяженностью 3,5 км; тоннель Хуса-Маруха протяженностью 5,2 км.

5. Нижний бассейн

6. А два года назад он ещё выглядел так.

2013 год стал началом строительства Зеленчукской ГЭС-ГАЭС. С ноября 2013 года Зеленчукская ГЭС была остановлена до окончания строительства ГЭС-ГАЭС. В октябре 2014 года энергетики закончили один из ключевых этапов строительства ГАЭС — монтаж водоводов нижнего бьефа, их проложили под руслом реки из соображений надежности и долговечности конструкции. Завершение этого этапа позволило соединить в единый технологический комплекс здание ГЭС-ГАЭС и нижний аккумулирующий бассейн. И вот, наконец, 23 декабря 2016 года состоялся торжественный пуск электростанции.

7. Водоприемник Нижнего бассейна

9. Здание Зеленчукской ГЭС-ГАЭС

В состав Зеленчукской ГЭС-ГАЭС входят: Бассейн суточного регулирования (БСР имеет длину — 1250 м, ширину — 400 м, полезную ёмкость — 1,85 млн м³), водоводы верхнего бьефа, уравнительный резервуар, здание ГЭС, водоводы и водоприемник нижнего бассейна. Нижний бассейн площадью 15 га и полезным объёмом 0,9 млн м³, расположен на террасе правого берега реки Кубань.

Праздник начался с показа демонстрационного ролика, где с подачи РусГидро через …дцать лет здесь вырастет целый технополис-сад. Всё это сопровождалось игрой со светом и другими эффектами.

Потом по команде оператора VIPы с помощью планшетов запустили гидроагрегаты

14. Цель выполнена — возбуждение есть:) Даёшь 600 оборотов в минуту!

Итак, что осталось от Зеленчукской ГЭС. В машинном зале установлены 2 гидроагрегата с радиально-осевыми турбинами (электрическая мощность 80 МВт), которые работают при расчетном напоре в 234 метра. 23 декабря 2016 года запустили ещё два обратимых гидроагрегата Зеленчукской ГАЭС (их мощность — 160 МВт в насосном режиме и 140 МВт — в турбинном). Среднегодовая выработка электроэнергии составит 162 млн кВт*ч.

Инвестиции ПАО «РусГидро» в этот проект составили 11,8 миллиардов рублей.

Кроме, собственно, количественных показателей, запуск этой станции принесёт ещё и почти 140 миллионов рублей дополнительных налоговых поступлений в бюджет республики.

Чтобы оценить масштаб и получить нужные эмоции забираемся высоко-высоко, где красуются две красные башенки, представляющие собой Уравнительный резервуар.