18.11.2022

Куда плывет гидроэнергетика?

В текущем десятилетии основным двигателем энергетической трансформации будут не солнце и ветер, и даже не водород, а гидроэнергетика, считают в Международном энергетическом агентстве (МЭА) и в Международной гидроэнергетической Ассоциации (МГА). Это достаточно надежный, практически неисчерпаемый и относительно экономичный источник энергии без непосредственных выбросов углерода.


Черчилл-Фолс ГЭС, Канада

Крупнейшая из чистых, чистейшая из крупных
Вода дает миру больше электроэнергии, чем солнце и ветер вместе взятые. В 2021 году гидроэнергетика производила 16% необходимой миру энергии. BP в ежегодном статистическом отчете World Energy Outlook (Прогноз Мировой Энергетики) отмечает, что потребление энергии, выработанной на ГЭС, в прошлом году составило в мире 40,26 экзаджоулей (1 джоуль с 18 нулями). Примерно столько же – 39,91 – пришлось на солнце и ветер вместе взятые. Впрочем, даже если к этим трем источникам прибавить выработку на АЭС в 25,31 экзаджоулей, то и тогда все эти источники чистой энергии вместе взятые уступают нефти (184,21 экзаджоулей), газу (145,35) и углю (160,1). Таким образом, ископаемые виды топлива по-прежнему намного превосходят по выработке энергию возобновляемых источников. Мир остается углеродным, как бы нам ни хотелось это побыстрее изменить, и в ближайшее десятилетие ситуация вряд ли кардинально изменится, несмотря на программные заявления большинства стран.
В этом углеродном мире успешно развивается зрелая и довольно чистая технология – гидроэнергетика. МЭА утверждает, что она сохранит за собой статус крупнейшего безуглеродного источника энергии. Ее доля будет по-прежнему большей, чем всех других возобновляемых вместе взятых в течение еще как минимум десятилетий. ГЭС успешно регулируют и резервируют мощности энергосистем, они более устойчивы к погодным факторам, чем солнечные и ветряные парки. Кроме того, гидроэнергетика очень гибкая, турбина ГЭС может выйти на мощность за секунды, тепловым станциям нужны часы, а атомным может потребоваться несколько суток. Минусы других возобновляемых очевидны – зашло солнце, стих ветер, и выработка стала нулевой.

Швеция

МЭА уверено, что гидроэнергетика будет играть критически важную роль в декарбонизации мировой экономики. Среди ее преимуществ агентство также выделяет низкие эксплуатационные затраты (хотя начальные затраты довольно высоки, они распределяются на срок службы станции, и в целом ее работа получается экономичной).
В 2021 году мощности гидрогенерации выросли на 35 ГВт, что на 50% больше, чем в среднем за последние пять лет. При этом фактическая выработка на ГЭС немного снизилась в годовом выражении – на 0,4% или на 15 ТВт/час, до 4327 ТВт/час, несмотря на ввод в эксплуатацию новых ГЭС. Причина – засухи, самое уязвимое звено гидрогенерации. Поскольку в этом году засухи продолжились, можно ожидать небольшого снижения выработки и по итогам 2022 года или, в лучшем случае, нулевого роста.
Выработку на ГЭС из-за погодных условий в этом году снизили такие богатые водными ресурсами страны, как Бразилия, США, Канада и даже лидер по мощности гидроэнергетики Китай, на который в 2021 году пришлось 66% от ввода новых мощностей ГЭС. МЭА пишет, что рост гидроэнергетики в Китае ограничивают не только засухи. В стране почти исчерпаны места, где можно строить новые плотины на крупных реках без последствий для сельского хозяйства и судоходства. Правда, помимо Китая, пока этот ограничивающий фактор существует лишь в нескольких странах Европы. Эти ограничения преодолимы за счет расширения мощностей действующих ГЭС, поэтому вода по-прежнему остается практически неисчерпаемым ресурсом. Однако ключевое слово – "практически", ведь неисчерпаемость воды – понятие относительное.

Мелькефосс ГЭС, Норвегия

Конечная бесконечность
Водные ресурсы нескончаемы лишь на первый взгляд. Несмотря на то, что планета Земля – это планета воды, которая покрывает две трети ее поверхности, в озерах и реках содержится лишь 0,02% водных ресурсов (даже в ледниках воды значительно больше, 1,8%). Их невозможно использовать полностью по самым разным причинам – техническим, экономическим, экологическим.
Главное же препятствие для гидроэнергетики – сама природа. Цикл круговорота воды может нарушаться в любом месте. В первую очередь, из-за глобального потепления ускоряется испарение из водоемов, а дожди могут пройти совсем не там, где они всегда питали реки. Снизится водосток – упадет и выработка на ГЭС. При этом плотины решают проблему лишь частично. Они строятся не столько для создания запасов воды впрок, на случай засух, сколько для обеспечения мощности водостока за счет перепада уровня до и после плотины.
Гидроэнергетика – далеко не единственный потребитель воды. Десятки отраслей привычно относятся к ней как к само собой разумеющемуся и почти бесплатному ресурсу. Среди самых "прожорливых" потребителей воды – сельское хозяйство, нефтегазовая и нефтехимическая отрасли, целлюлозно-бумажная и металлургия. Для выпуска одной тонны стали уходит 280 тонн воды по всему производственному циклу. На один батон хлеба в 500 грамм уходит около 200 литров, которые идут в основном на полив полей (естественный или искусственный).
Конечно, вода возвращается в природу, и циклы ее потребления повторяются бесконечное количество раз. Вот только при потреблении происходит перераспределение сложившихся круговоротов воды, ее может стать меньше там, где она больше всего нужна, и возникнуть избыток в местах, где в ней нет никакой необходимости.
Часть воды может быть потеряна навсегда. Пример – гидроразрыв пласта, при котором вода может никогда и не вернуться в круговорот или вернуться непригодной к потреблению из-за высокого содержания химических реагентов. Те запасы H2O, которые есть на планете, остаются неизменными, вода лишь переходит из одного агрегатного состояния в другое, а искусственным образованием ее, например, при работе водородного двигателя, можно пренебречь из-за ничтожного количества.


Плотина Дугласа, ГЭС, Теннеси, США

Нехватка воды для гидроэнергетики стала особенно заметной минувшим летом в США. Больше всего она проявилась в засушливых штатах или в штатах, где протекают реки с небольшими водостоками – в Монтане, Неваде, Техасе, Аризоне, Калифорнии, Арканзасе и Оклахоме. Страна, да и мир в целом, столкнулись с проблемой недостатка знаний о воде. Журнал The Water настаивает, чтобы ученый мир начал применять к знаниям о воде трансдисциплинарный подход. Хоть и есть наука гидрология, она уступает той же геологии по востребованности, спрос на которую формирует нефтегазовая и горная отрасли.
МЭА считает, что гидроэнергетика должна вернуться в глобальную климатическую повестку.
Риски для энергетики и индустрии в целом создают не только засухи, но и наводнения – 61% плотин и сложных гидротехнических сооружений находятся в районах с повышенным риском либо наводнений, либо засухи, либо обеих этих явлений, пишет The Water. Причем одна из пяти плотин находится в зоне повышенного риска подтопления.
Исследователь проблем воды в WWF Джефф Опперман поясняет: "Гидроэнергетика сталкивается с двумя проблемами – слишком мало воды или слишком много воды. Эти проблемы обостряются по мере глобального потепления. Из-за недостатка воды гидроэнергетика уже испытывает проблемы в Бразилии, на Юго-Западе США и Юге Африки".
Проблемы с водой не редкость и в странах, удаленных от засушливых поясов. Так, в августе Норвегия, которая удовлетворяет 90% потребностей в электроэнергии за счет ГЭС, ограничила ее экспорт из-за недостаточной выработки. Ирония ситуации в том, что страна сделала это спустя несколько дней после пуска в эксплуатацию силового кабеля для поставок энергии в Великобританию. Следом за ограничением экспорта энергии правительство Норвегии сообщило о намерении законодательно регулировать водные ресурсы. Министр нефти и энергетики Норвегии Нерье Аасланд так прокомментировал это: "Нам нужен механизм, гарантирующий, что мы не будем испытывать дефицита воды. Поэтому правительство внедряет систему, которая запретит экспорт энергии в случае, если запасы воды снизятся ниже критичного для этого времени года уровня".
Вероятно, вслед за Норвегией и другие страны Европы начнут строже регулировать водные ресурсы. Прошедшие по континенту минувшим летом тепловые волны (периоды экстремально жаркой погоды, сопровождающиеся высокой влажностью) уже вызвали озабоченность в среде экспертов по климату и экологов.

Белу-Монти ГЭС, Бразилия


Дефицит воды не только негативно воздействует на выработку энергии, но также оказывает пагубное воздействие на производство продуктов питания. В связи с тем, что в ряде регионов мира из года в год урожаи снижаются, а нехватка воды для полива становится далеко не вымышленной проблемой, многие страны обеспокоены уровнем производства продовольствия.
Взаимосвязь между энергетикой и продовольствием видна и на другом примере: растущие цены на газ вызывают нехватку удобрений, что усугубляет влияние нехватки воды на урожайность сельскохозяйственных культур. Возможно, что важность цикла из трех компонентов – "вода-энергия-продовольствие" – человечество только начинает осознавать. Продовольственный кризис уже не ассоциируется только с засухой. Современный агропром чрезвычайно зависит от удобрений, а главное сырье их производства – природный газ. Чем больше газа будет сожжено на ТЭЦ, тем больше потребуется энергии из других источников, как ископаемых, так и возобновляемых.

Вода против углерода
Гидроэнергетика, в отличие от солнечной и ветряной, не особо пользуется поддержкой правительств. Более 100 стран в той или иной степени ввели меры, стимулирующие солнечную и ветряную генерацию. При этом гидрогенерацию на законодательном уровне поддержали лишь 30 стран. МЭА считает это несправедливым и заявляет, что нужно больше внимания уделять развитию гидроэнергетики, она должна вернуться в глобальную климатическую повестку. Чтобы мир вышел на нулевые выбросы к 2050 году, в 2022-2030 годах гидрогенерация должна расти на 3% в год, говорится в "Сценарии нулевых выбросов к 2050 году".
В МЭА называют "критичным" участие государственных финансов в распространении гидроэнергетики. Солнечная и ветряная энергетики испытали стремительный взлет за последние два десятилетия именно благодаря вниманию правительств, прямым и косвенным субсидиям. Эти отрасли получали налоговые льготы, государства заключали с операторами ветряных и солнечных парков долгосрочные контракты на закупку выработанной на них энергии. В гидроэнергетике ничего подобного нет, и это надо изменить.
Тревогу МЭА вызывает то, что по расчетам агентства, в этом десятилетии гидрогенерация добавит только 230 ГВт, или 17% мощности, т.е. прирост их будет на 23% меньше, чем десятилетием ранее из-за замедления ввода новых проектов в Китае, Латинской Америке и в Европе. Это снижение частично компенсирует рост гидрогенерации в Азиатско-Тихоокеанском регионе, Африке и на Ближнем Востоке, и в среднем по миру рост все-таки есть.
Прирост выработки на гидростанциях будет сдержанным еще и потому, что до 2030 года около 30% новых мощностей придется не на генерирующие ГЭС, а на гидроаккумулирующие (ГАЭС). В конце сентября СМИ сообщили, что в Австралии построят крупнейшую в мире ГАЭС. Она будет расположена в штате Квинсленд к 2035 году.
ГЭС успешно регулируют и резервируют мощности энергосистем, они более устойчивы к погодным факторам, чем солнечные и ветряные парки
"Проект стоит в авангарде мировой возобновляемой энергетики. Мы знаем, что жители Квинсленда обеспокоены изменением климата, и сегодня правительство сделало решительный шаг навстречу решению этой проблемы", - заявила глава правительства Квинсленда Анастейша Палащук, не уточнив ни мощность станции, ни объем и источник финансирования ее строительства и, главное, - каким образом аккумулирование воды положительно скажется на климате, ведь ГЭАС не заменяет выработку на тепловых станциях, а лишь регулирует цикл спадов-пиков потребления.
Конструктивно ГАЭС состоят из двух резервуаров – верхнего и нижнего. Ночью, когда потребление энергии и ее цена падают, ГАЭС получает из сети дешевую энергию и тратит ее на перекачку воды из нижнего резервуара в верхний. В течение дня, когда спрос и цена энергии возрастают в разы, ГАЭС сбрасывает воду из верхнего резервуара в нижний не прямотоком, а через турбины. Такая схема на первый взгляд напоминает "перекладывание денег из одного кармана в другой", но в регионах, где разница между ночным провалом потребления и дневным пиком значительна, такие станции имеют экономический смысл. Более того, это технически самый простой способ хранения энергии, по затратам он несопоставим с аккумуляторными батареями. Хоть ГАЭС строятся для хранения, а не для генерации, и МЭА, и МГА, и "РусГидро" учитывают их в числе ГЭС, а не "иных гидротехнических сооружений" (вроде плотин для нужд судоходства, сельского или рыбного хозяйства).
МГА утверждает, что ни одна страна мира не способна выйти на 100% возобновляемую энергетику без включения в энергобаланс энергию ГЭС. По мнению ассоциации, гидроэнергетика идеально дополняет солнечную и ветряную, поскольку она значительно меньше зависит от природных факторов. По данным ассоциации, использование ГЭС вместо тепловых станций позволило миру за последние 50 лет избежать 100 млрд тонн выбросов углекислоты. Если ГЭС гипотетически заменить на угольные тепловые станции, то, по расчетам МГА, выбросы парниковых газов увеличились бы на 4 млрд тонн в год, или на 10%. Также в атмосферу бы ежегодно попадало на 150 млн тонн больше самых опасных для здоровья загрязнителей – твердых частиц угольного дыма. МГА считает главным плюсом гидроэнергетики их экологичность.


Красноярская ГЭС, Россия


Пятая часть энергии России – из воды
В России доля гидроэнергетики в энергобалансе больше среднемировой – 18% против 16% от общей по всем странам, а по установленной мощности на российские ГЭС приходится 20%. "РусГидро" на своем сайте сообщает, что ПАО объединяет более 60 объектов гидроэнергетики общей установленной мощностью свыше 30 ГВт. Среди них крупнейшая в России Саяно-Шушенская ГЭС (6,4 ГВт) в Хакасии, 9 станций Волжско-Камского каскада общей установленной мощностью более 10 000 МВт, мощные ГЭС на Дальнем Востоке: Бурейская ГЭС (2 010 МВт) и Зейская ГЭС (1 330 МВт) в Амурской области, Колымская ГЭС (900 МВт) в Магаданской области, единственная в Западной Сибири Новосибирская ГЭС (490 МВт), а также несколько десятков гидростанций разной мощности на Северном Кавказе, в том числе Чиркейская ГЭС (1000 МВт). Также в состав "РусГидро" входят высокоманевренные мощности Загорской гидроаккумулирующей электростанции в Московской области, используемые для выравнивания суточной неравномерности графика электрической нагрузки в ОЭС Центра.
Углеводородный век долог, но конечен, а вот гидроэнергетика, как и ее "зеленые собратья", могут во времени стремиться на века вперед.
По данным "РусГидро" в ряде регионов России, таких как Магаданская область и большинство республик Северного Кавказа, гидроэнергетика обеспечивает более 90% вырабатываемой электроэнергии. В северокавказском регионе они в основном малые.
Гидроэнергетический потенциал России огромен. По расчетам "РусГидро", общий валовой (теоретический) потенциал составляет 2900 млрд кВт/ч годовой выработки. Из них потенциал крупных и средних рек – 2400 млрд кВт/ч. Технически возможный их потенциал – 1670 млрд кВт/ч, экономически приемлемый – 850 млрд кВт/ч
По потенциалу гидроэнергетики РФ занимает второе место в мире после Бразилии, с ее крупнейшей рекой планеты Амазонкой. Вот только распределен российский потенциал крайне неравномерно: около 80% приходится на восточные регионы страны (Сибирь, Дальний Восток) и только 20% на ее европейскую часть. То есть получается, что в районах сосредоточения потребителей – большей части промышленности и населения, гидроресурсов не хватает. Зато их много там, где крупных индустриальных объектов и жителей сравнительно мало.

Бурейская ГЭС, Россия


Самые мощные ГЭС расположены далеко за Уралом, на Енисее и его притоке Ангаре. Концентрация мощных станций позволяет создавать там индустриальные узлы с энергоемкой промышленностью – алюминиевой, горнообогатительной, целлюлозно-бумажной. Такие предприятия были построены там еще в советские времена, но вырабатываемой на ГЭС энергии настолько много, что часть Сибири энергоизбыточная. Находящиеся в этом тарифном поясе регионы – Красноярский край, Республика Хакасия, Иркутская область – имеют сравнительно низкие цены на энергию. В зависимости от категорий потребителей и времени суток они могут быть в разы ниже, чем в европейской части России или в крайне удаленных регионах с изолированной энергосетью, вроде Камчатки. Для примера, на сайте Энергосетей России на второе полугодие 2022 года одноставочный тариф в Иркутской области для населения составляет 1,3 рубля за КВт для города и 0,91 рубля для села. В Москве – 5,43 рубля, и это еще не самый дорогой регион. В Петропавловске-Камчатском энергия в коммунальном секторе стоит 6,9 рубля.
Дешевой энергией пользуются майнеры криптовалют. Иркутск даже называют "столицей российского майнинга". Любопытно, что в прошлом году Россия стала третьей в мире по объемам майнинга биткоина – доля страны достигла 11%. Число добытчиков криптовалюты в Сибири резко возросло после запрета их деятельности в Китае. Основными центрами притяжения для майнеров стали Россия и Казахстан. В октябре прошлого года губернатор Иркутской области Игорь Кобзев заявил о "лавинообразном росте энергопотребления" из-за добычи криптовалют, к которому не были готовы электросети. Майнинг в регионе уже привел к серии отключений электроэнергии в пригородах региональной столицы.
Иркутская область стала центром притяжения для добытчиков криптовалют не только из-за самых низких цен на электроэнергию, но и из-за относительно прохладного климата, ведь майнинговые фермы нужно постоянно охлаждать. Кстати, поэтому одна из самых привлекательных для майнинга стран – Исландия. Там хоть и не самая дешевая энергия в мире, но практически нет затрат на охлаждения из-за холода круглый год.
Крупнейшая отечественная ГЭС, Саяно-Шушенская, разделяет Красноярский край и Хакасию, два не самых населенных и индустриализированных региона страны. До ближайшего города-миллионника Красноярска ЯндексКарты дают 370 километров от станции по прямой, до промышленного центра Южного Урала Новокузнецка – 300 километров. Потери энергии в ЛЭП зависят от множества параметров, в первую очередь от напряжения, но грубым счетом при переброске энергии от станции до этих потребителей можно потерять 1,5-3%. Для снижения потерь генераторы повышают напряжение в сети, а ближе к потребителю его снижают трансформаторы и подают в "слаботочку" 220 Вт.


Зейская ГЭС, Россия


Гидроэнергетика сталкивается с двумя проблемами – слишком мало воды или слишком много воды. Эти проблемы обостряются по мере глобального потепления.
Тепловые станции, в отличие от ГЭС, можно строить вблизи потребителей энергии, а большинство из тех, что расположены в городах, являются не ТЭС (тепловыми электростанциями), а ТЭЦ (теплоэлектроцентралями), они вырабатывают и электроэнергию, и тепло, потери которого сложно минимизировать на больших расстояниях, переброска становится технически сложной и экономически нецелесообразной.
Регулирование напряжения в ЛЭП – частичное решение проблемы потерь передачи энергии. Помимо Саяно-Шушенской, большинство других станций от потребителя также неблизко – речь идет обычно о сотнях километров. Для примера: крупнейшая в мире ГЭС, китайская "Три Ущелья" мощностью 22,5 ГВт окружена конгломерацией промышленных городов, однако они сравнительно небольшие по китайским меркам, а до мегаполиса Шанхая 1000 километров. Таким образом, удаленность ГЭС от потребителей – один из существенных недостатков ГЭС.
Справедливости ради оговорим еще ряд недостатков гидроэнергетики. При ее общей экологичности из-за отсутствия выбросов парниковых газов она способна негативно влиять на климат. Выше плотин, как правило, располагаются водохранилища с большой площадью поверхности, а значит и с испарением, соответственно, влага в регионе таких сооружений может быть выше, чем образовывалось при естественном природном цикле. Еще один большой минус в плане экологии – нарушение миграции рыб. Хотя и создаются условия для обхода плотин, работает это не на 100%. Реки заиливаются, а значит могут появиться ядовитые водоросли. Эти проблемы можно смягчить на этапе проектирования и строительства, но опять-таки не полностью.
Отдельно надо упомянуть про безопасность ГЭС. По данным компании ASUMB, занимающейся гидротехнологиями, ежегодно фиксируется порядка 3000 аварий на гидростанциях, большинство из которых – без серьезных последствий. Увы, так бывает не всегда. Если исключить крупные, но не техногенные аварии на ГЭС, связанные с тайфуном Нина в Китае в 1975 году, или намеренное разрушение гидротехнических сооружений, таких, как подрыв в 1943 году британскими войсками каскада немецких плотин Менезее, то аварий непосредственно связанных с техникой/технологией, в этом столетии можно пересчитать по пальцам. Это прорыв плотины у пакистанского города Пасни 11 февраля 2005 года (135 жертв), аналогичное ЧП во вьетнамском Чу 5 октября 2007 года (35 жертв).
В России серьезнейшая техногенная катастрофа в гидроэнергетике случилась 17 августа 2009 года на Саяно-Шушенской ГЭС (75 жертв). Инцидент стал самым резонансным событием того года. Оператор станции, Саяно-Шушенский филиал "РусГидро", на своем сайте уверяет, что "в результате реализации программы комплексного восстановления и реконструкции Саяно-Шушенской ГЭС в 2010-2017 годах станция была оснащена современным оборудованием, обладающим улучшенными рабочими характеристиками и соответствующим всем требованиям надежности и безопасности".


Саяно-Шушенская ГЭС, Россия

К счастью, с тех пор ни в российской, ни в зарубежной гидроэнергетике не было крупных происшествий, а по большому счету любая техника потенциально опасна, даже утюг. Безопасность плотин – задача и на этапе проектирования и, особенно, эксплуатации. Кроме указанной аварии, в России за более чем 100 лет существования гидроэнергетики других крупных ЧП не случалось. Таким образом, если посмотреть на проблему со статистической точки зрения, в целом гидростанции безопасны.
Сейчас в нашей стране на этапе строительства находятся более десятка ГЭС, и это не для замены старых. Как сообщает "РусГидро", срок службы основных гидротехнических сооружений ГЭС составляет 100 лет. На практике при проведении необходимых ремонтных работ такие сооружения, в первую очередь плотины, считаются практически вечными. В Испании до сих пор эксплуатируются каменные плотины, построенные еще древними римлянами. В России есть несколько плотин, эксплуатируемых более 100 лет – например, плотина Порожской ГЭС. Соответственно, проблемы утилизации ГЭС из-за истечения срока эксплуатации не существует, достаточно менять или ремонтировать в срок турбины и электрооборудование. Для сравнения: угольные ТЭС служат порядка 70 лет, АЭС - 30-40 лет. Долговечность плотин – это экономия, ведь стоимость их строительства амортизируется весь долгий срок их эксплуатации.
Возможно, ГЭС в России было бы и больше, с учетом ее гидропотенциала, чистоты и экономичности работы ГЭС на длинных промежутках времени, если бы не "углеводородный бум", начавшийся в 1970-х годах. Но понятно, что нефтяное Самотлорское или газовое Уренгойское – это не навсегда, впереди только дорогая добыча трудноизвлекаемых запасов или Арктика. Углеводородный век долог, но конечен, а вот гидроэнергетика, как и ее "зеленые собратья", могут во времени стремиться на века вперед.