Электроэнергия имеет множество приятных и полезных свойств. Ее относительно несложно вырабатывать, практически мгновенно передавать на любые расстояния и преобразовывать в тепло, свет или механическую работу, по нашему выбору. Но у электричества есть и существенный недостаток — его сложно запасти впрок

Баланс мощностей: Один день из жизни ЕС России Генерируемая мощность должна круглые сутки соответствовать потреблению, с небольшим запасом. Для этого в «провальные» часы часть генераторов работает с неполной загрузкой. Тем не менее соблазн иметь резерв маневренной мощности все равно велик.
Загорская ГАЭС. Вид с дамбы. Диаметр каждого из шести водоводов составляет 7,5 метров. Можно ездить по нему на поезде

Похожие на батарейки аккумуляторы бытовых электроприборов, весящие считаные граммы, позволяют хранить микроскопические мощности. MP3-плееру этого достаточно. Автомобилю нужно побольше — и размеры автомобильного аккумулятора дают наглядное представление о том, как усложняется задача по мере роста запасов. А теперь представим, что нам надо как-то приберечь заметный процент от электричества, выработанного энергосистемой немаленькой страны…

Большинство людей работают днем, а отдыхают ночью. Работающему человеку обычно нужен компьютер, станок или еще что-нибудь, питаемое от розетки. Спящему человеку нужен разве что будильник и, иногда, кондиционер. Немудрено, что потребление электроэнергии в течение суток неравномерно. Российские потребители берут из Единой энергосистемы около 90 000 МВт в 6:00 по Москве и около 110 000 МВт ближе к полудню.

В энергосистеме не должно быть ни избытка энергии, ни дефицита. Иначе дисбаланс начинает сказываться на качестве производимого «товара»: на переизбыток мощности, система реагирует повышением частоты тока, если недостаток — наоборот. Не надо объяснять, что ни одно, ни другое совсем не полезно для включенной в розетку техники, рассчитанной на стандартные 50 Гц, да и для самих электростанций тоже. Поэтому одна из главных задач управления энергосистемой — подстройка мощности под потребление таким образом, чтобы частота тока в находилась в допустимых пределах. Для России это 50 ±0,2 Гц.

Проблема в том, что генерирующие мощности нельзя выключить на ночь так же просто, как лампочку на потолке. Большая часть электроэнергии в европейской части России (и во многих других странах) вырабатывается тепловыми либо атомными электростанциями. Атомный реактор выводится на мощность три-шесть часов. Тепловой агрегат — два-три часа из горячего состояния и порядка суток — из холодного. Кроме того, тепловые агрегаты рассчитаны на постоянную работу при определенной температуре, и «вкл/выкл» с неизбежным остыванием конструкции приводит к значительному снижению ее ресурса. С гидроагрегатами проще, для них время старта — это минуты, но значительная часть российских ГЭС находится восточнее Урала, и на энергетическую «погоду» в Центре они влияют слабо.

В СССР ситуация отчасти смягчалась административно: многие предприятия работали в две-три смены, что сглаживало «ночной провал». Днем же частота тока была почти всегда чуть ниже номинальных 50 Гц. Впрочем, советская техника была менее требовательна к питанию, чем современная, а если что-то и сгорало, то привлечь электросеть к ответственности было малореально. В современной России все совсем не так — потребители по судам затаскают.

Не забудем и о безопасности. Аварии на Саяно-Шушенской ГЭС способствовали многократные переключения гидроагрегата, в ходе которых турбина проходила через опасный для нее режим. Взрыву на ЧАЭС «помогла» долгая работа на малой мощности — впоследствии она была запрещена регламентом. Конечно, в обоих случаях главным было качество техники, но понятно и то, что нестабильная работа для энергетики — плохое решение.

В последние годы ситуация во многих странах (пока не в России) усугубляется ростом доли «зеленой» энергетики, в первую очередь ветряной. Ветер — капризная стихия, поэтому на каждую тысячу «ветряных» мегаватт нужно иметь в запасе в среднем 400 МВт резервной мощности, способной быстро включиться в штиль и так же быстро исчезнуть с попутным ветром. Для «обычной» энергетики нормативный резерв маневренной мощности вчетверо меньше.

Мы подошли к существу проблемы: в энергосистеме должны быть некие элементы, способные аккумулировать избыток мощности ночью и выдать его обратно днем. Желательно, чтобы то и другое могло происходить быстро.

В разные годы и в разных странах прорабатывались десятки вариантов, включая явную экзотику вроде инерционных систем на базе огромных маховиков или пневматических — с закачкой сжатого воздуха в заброшенные шахты или скважины. В принципе возможен вариант сверхпроводящего кольца — индуцировав в нем ток, можно хранить его затем практически вечно, тратя лишь на охлаждение. Проблема в размерах, но еще важнее, что с такого аккумулятора сложно снять энергию по частям.

Перспективный путь создания маневренных мощностей — использование газотурбинных или газопоршневых (ДВС на газе) энергоустановок: они запускаются за 5−15 минут и отключаются в любой момент. Минус в том, что эти установки не работают как аккумуляторы — их можно только отключить. Да и газ жалко, невозобновимый ресурс все-таки.

Из пустого в порожнее

Коль скоро люди умеют извлекать энергию из течения воды, логично попробовать ее в воде и аккумулировать — закачать повыше и спускать вниз, на лопасти турбины, по мере надобности. Первая ГАЭС — гидроаккумулирующая электростанция — была построена в Швейцарии под конец XIX века, сейчас их по всему миру около трехсот.

Принцип действия ГАЭС очень прост: станция располагает двумя резервуарами (бьефами), верхним и нижним. Бьеф не обязательно должен быть чем-то похожим на озеро, в США работают несколько ГАЭС, на которых в роли нижнего бьефа выступают заброшенные шахты. Впрочем, хотя бы один из резервуаров должен пополняться природными водами, чтобы компенсировать испарение воды, ее фильтрацию в грунт и т. д.

Машины станции закачивают воду наверх ночью, забирая из сети избыток энергии, и спускают ее обратно в часы пиковых нагрузок. КПД обоих процессов меньше единицы, следовательно, в сеть возвращается меньше, чем из нее берется. Однако, поскольку «ночное» электричество дешевле «дневного», процесс приносит прибыль. Правда, для этого КПД станции должен быть достаточно высок. КПД определяется отношением того, что возвращено в энергосистему, к тому, что из нее перед этим было взято. В первую очередь он зависит от напора воды, то есть от разности высот между верхним и нижним бьефами. При перепаде высот порядка километра КПД может доходить до 90%, при уменьшении напора он снижается.

К сожалению, Россия — страна равнинная и найти площадку с перепадом хотя бы в сотню метров здесь проблема. Единственная российская ГАЭС — Загорская — имеет напор немногим более 100 м и КПД 72−74%.

Строительство Загорской станции на реке Кунья в Подмосковье началось в 1974 году в рамках программы развития ГАЭС. Станция рассматривалась как пилотная, предназначенная для освоения новой для СССР системы с последующим ее тиражированием на двух десятках площадок. Предполагалось придать гидроаккумулирующий «спутник» каждой АЭС. Реальные достижения оказались скромнее. Помимо Загорской были построены еще две ГАЭС — в Литве и на Украине. На Загорской же первый гидроагрегат был пущен в 1987 году, а шестой — только в 2000-м. Мощность станции в режиме генерации дошла до 1200 МВт, однако еще в ходе строительства стало ясно, что этого мало. В 1989 году вышло правительственное постановление о строительстве ГАЭС-2 по соседству. Фактически стройка началась в 2007 году. Таким образом, Загорская ГАЭС сегодня остается единственной в России. Чтобы поглядеть на станцию поближе, мы не поленились туда съездить.

Как оно есть

Сердце станции — машинный зал. В момент нашего прибытия первый из шести гидроагрегатов был разобран на плановый ремонт, пять остальных работали, выдавая в сеть положенные мегаватты. В секунду через каждый из них проходит 225 м³ воды, стекающей из верхнего бьефа по водоводам. Агрегаты станции обратимые, то есть одна и та же турбина в зависимости от направления движения работает или как генератор, или как насос, закачивающий воду вверх. Как показывает мировой опыт, такое решение оптимально для станций с низким напором. Если же разность высот между бьефами превышает полкилометра, то рациональнее использовать разные машины, однако для равнин России эта ситуация не очень актуальна.

Водовод издали похож на обычную трубу, только вблизи удается понять, что его диаметр сопоставим с тоннелем метро. Рабочий объем в верхнем бьефе — около 22 млн кубометров (общий — чуть более 30), при включении всех шести агрегатов этого хватает на 4 часа 15 минут, потом станции пора «на подзарядку». Число пусков агрегатов в сутки может доходить до двух-трех десятков.

Управление осуществляется непосредственно системным оператором, то есть с общероссийского уровня, минуя региональный. Почти резерв главного командования. «В прежние времена бывало такое, что нас могли включать минут на десять — затыкать дырки», — делится воспоминаниями директор станции Владимир Магрук. — Пришлось в конце концов устроить для диспетчеров экскурсию к нам, поставить их возле гидроагрегата и показать, как выглядит его включение на закачку. После этого стали осторожнее". На вопрос о том, как диспетчеры выходят из положения теперь, Владимир Иванович, улыбаясь, отвечает, что им пришлось лучше планировать свою работу.

Интересуюсь у сопровождающего нас инженера, водится ли рыба в бьефе. Да, но в агрегаты она, как правило, не попадает. Рыбьего ума хватает, чтобы держаться подальше от шумов и вибрации.

Нижний бьеф станции выкопан в русле реки Куньи. Речка-невеличка ниже по течению перегорожена плотиной, что позволило собрать из нее приличных размеров озерцо. Естественного притока хватает, чтобы компенсировать испарение воды. Даже прошлым летом серьезных проблем с водой у ГАЭС не было.

В полукилометре от «старой» ГАЭС вырыт котлован, в котором идет строительство сооружений ГАЭС-2. На станции будет четыре агрегата суммарной мощностью около 850 МВт. Водоводы к ним монтируются практически на наших глазах: секции трубы семиметрового диаметра, забетонированной снаружи, собираются на уровне верхнего бьефа и на салазках спускаются вниз «с горки». При сооружении «старой» станции опыта у строителей было меньше, что в какой-то момент привело к аварии. Очередная секция на время обеденного перерыва осталась лежать на склоне, закрепленная тросами. Что-то оборвалось, и многотонный тоннель со скоростью поезда съехал по горке вниз, врезавшись в уже собранную часть водовода. Пришлось все переделывать заново. Железобетонные «колечки» от того водовода, по 150 т каждое, так и лежат с тех пор неподалеку к вящему удивлению гостей станции.

У неспециалистов иногда возникает вопрос о том, почему бы не построить рядом со второй очередью ГАЭС еще третью, четвертую и т. д., раз уж именно в этом месте рельеф позволяет. Но подобное решение создало бы слишком большую нагрузку на передающие линии и подстанции в окрестностях. «Гидроаккумуляторы» выгодно размещать в непосредственной близости от крупных и инерционных генерирующих мощностей или на стыке региональных энергосистем для регулирования перетоков между ними. Старая идея о совмещении АЭС и ГАЭС в ближайшие годы может обрести новую жизнь. В частности, сейчас рассматривается проект строительства ГАЭС, «приуроченной» к Курской АЭС- прямо на площадке.

Подводя итоги, можно сказать, что переливание из пустого в порожнее может быть, как ни странно, энергетически и экономически выгодным занятием.

Автор благодарит пресс-службу ОАО «РусГидро» за помощь в подготовке материала

Статья «» опубликована в журнале «Популярная механика» (№7, Июль 2011).