Проектування малої гідростанції на Печенізькому водосховищі

Зміст

Перелік позначень та скорочень

Вступ

1. Переваги й недоліки малої енергетики

1.1 Актуальність розвитку розподіленої генерації

1.1.1 Недоліки й переваги децентралізації енергопостачання

1.1.2 Децентралізація електропостачання сучасної економіки

2. Водоймища малих ГЕС та їхній вплив на екологію

2.1 Вплив на гідрологічний режим

2.2 Зміна рівня ґрунтових вод

2.3 Зміна мікроклімату прибережної зони

2.4 Використання водоймищ малих ГЕС

3. Мала гідроенергетика

3.1 РТ-турбіна

3.2 FТ-турбіна

3.3 МВТ-турбіна

3.4 КТ-турбіна

3.5 DТ-турбіни

4. Перспективні конструкції й компонування гідроагрегатів малих ГЕС

4.1 Класифікація малих ГЕС і вимоги до їхнього устаткування

4.2 Типізація гідротурбінного устаткування для малих ГЕС, область застосування, конструктивні особливості

4.3 Гідрогенератори, система регулювання й автоматизація роботи

5. Вибір параметрів турбіни

6. Економічна частина

7. Охорона праці і навколишнього середовища

7.1 Загальні питання з охорони праці

7.2 Небезпечні та шкідливі виробничі фактори

7.2.1 Освітлення

7.2.2 Шум

7.3 Електробезпека

7.4 Пожежна безпека

7.5 Охорона навколишнього середовища

Висновки

Перелік джерел інформації

Перелік позначень та скорочень

БНіП - будівельні норми і правила

ГЕС - гідроелектростанція

ДСТУ - державні стандарти України

ЕЛТ - електронно-променеві трубки

ЕОМ - електронно-обчислювальна машина

з/п - заробітна платня

ККД - коефіцієнт корисної дії

КПО - коефіцієнт природної освітленості

млн. - мільйон

млрд. - мільярд

ПЕОМ - персональна електронно-обчислювальна машина

ПК - паливні комірки

РЕВ - рада економічної взаємодопомоги

у.п. - умовне паливо

Вступ

Нетрадиційній енергетиці останнім часом приділяється пильна увага в усьому світі . Зацікавленість у використанні відновлюваних джерел енергії - вітру, сонця, морського припливу й річкової води, - легко з'ясовна: немає потреби закуповувати дороге паливо, є можливість використовувати невеликі станції для забезпечення електроенергією важкодоступних районів.

Малі й мікро ГЕС - об'єкти малої гідроенергетики. Ця частина енерговиробництва займається використанням енергії водних ресурсів і гідравлічних систем за допомогою гідроенергетичних установок малої потужності (від 1 до 3000 кВт). Мала енергетика одержала розвиток у світі в останні десятиліття, в основному через прагнення уникнути екологічного збитку, який наноситься водоймищами великих ГЕС, через можливість забезпечити енергопостачання у важкодоступних і ізольованих районах, а також, через невеликі капітальні витрати при будівництві станцій і швидкого повернення вкладених коштів (у межах 5 років).

Однією з основних переваг об'єктів малої гідроенергетики є екологічна безпека. У процесі їх спорудження й наступної експлуатації шкідливих впливів на властивості і якість води немає. Водоймища можна використовувати й для рибогосподарської діяльності, і як джерела водопостачання населення. Однак, і крім цього в мікро й малих ГЕС чимало переваг. Сучасні станції прості в конструкції й повністю автоматизовані, тобто не вимагають присутності людини при експлуатації. Вироблюваний ними електричний струм відповідає вимогам ДСТУ по частоті й напрузі, причому станції можуть працювати як в автономному режимі, тобто поза електромережею енергосистеми краю або області , так і в складі цієї електромережі. А повний ресурс роботи станції - не менш 40 років (не менш 5 років до капітального ремонту). Ну а головне - об'єкти малої енергетики не вимагають організації великих водоймищ із відповідним затопленням території й колосальним матеріальним збитком.

Природа дає нам самий невибагливий спосіб видобутку енергії. На жаль, ми ним майже не користуємося. Залишається тільки сподіватися, що надалі, при розвитку малого виробництва, необхідність у використанні енергії незліченної кількості природних водойм все-таки виникне.

Електрична енергія багато в чому визначає технічний прогрес, сприяє розвитку високоточних технологій, допомагає забезпечити добробут і життєвий комфорт населення. У той же час подорожчання природних носіїв енергії - вугілля, нафти, газу веде до постійного підвищення тарифів на електроенергію, що негативно позначається на реалізації згаданих положень, на діяльності дрібних і середніх промислових виробництвах і на фермерських господарствах. Доводиться також констатувати, що існують цілі регіони, де зайнятість населення і його життєві блага прямо залежать від своєчасної доставки органічного палива до теплових і дизельних електричних станцій, у той час як у більшості з них є невичерпні запаси надійного поновлюваного джерела електричної енергії - води. Реальним виходом з положення , що створилося, може стати відновлення й зміцнення ролі малої гідроенергетики в розвитку продуктивних сил суспільства , як альтернативного джерела енергії.

Тим більше, що сучасний рівень техніки дозволяє створювати устаткування для мікро й малих ГЕС, що забезпечує якість електричної енергії при роботі на ізольованого споживача, що не уступає своїми параметрами якості електроенергії, виробленої великими тепловими й гідроелектростанціями. Малу гідроенергетику в першу чергу слід використовувати у віддалених і важкодоступних районах, де поблизу немає ліній електропередач, і куди доставка органічного палива сполучена з більшими тимчасовими, технічними й фінансовими труднощами.

1. Переваги й недоліки малої енергетики

У цей час все більша увага приділяється "малій енергетиці", що використовує генератори невеликої потужності, які екологічно більш чисті, енергоефективні й економічно більш прийнятні. Ця нова техніка викидає в атмосферу менше шкідливих речовин, включаючи двоокис вуглецю, що впливає на зміну клімату на 70...100% менше, ніж звичайні електростанції. Це відбувається тому, що вони використають природний газ або відновлювані джерела енергії, а також тому, що вони більш ефективні, тобто мають значно більш високі коефіцієнти корисної дії (ККД).

Перехід до малої енергетики призводить до децентралізації енергопостачання, що має інші переваги. Енергія, вироблена на місці, дозволяє знизити вимоги до системи її передачі й забезпечує додаткову надійність. Оскільки більшість виробництв і життєво важливі установи, такі як фінансові або медичні, у цей час є високоавтоматизованими, то перерва в енергопостачанні навіть на короткий час часто приводить до значних економічних і соціальних втрат. Локальні енергоустановки дають також споживачам додатковий ступінь незалежності від централізованих постачальників енергії.

Все це визначило швидкі темпи зростання і розвиток малої енергетики, що базується на розосередженні електричних генераторів невеликої потужності в сучасних системах енергозабезпечення споживачів енергії. З огляду на переваги малої енергетики в порівнянні із традиційними електричними станціями, варто очікувати її розвитку й в Україні, оскільки викладені важливі аргументи є визначальними в сучасній сфері енергозабезпечення. Ніяке енергетичне лобі прихильників використання потужних ТЕС або АЕС не зможе загальмувати розвиток екологічно більш чистих, енергоефективних і економічно більш прийнятних джерел енергії.

Установки потужністю менше 30 Мвт не підпадають під дію відповідних документів у питаннях регулювання енергосистем загального призначення й деяких державних законів з виробництва теплової й електричної енергії, режимів роботи й потужності устаткування.

У практиці більшості країн світу прийнято використати наступне визначення: "Мала установка для виробництва енергії" це установка, що використовує біомасу, вторинні або відновлювані ресурси, включаючи вітер, сонячні й водні ресурси, для виробництва електроенергії із установленою потужністю не більше 80 Мвт.

В останні роки джерела малої енергетики відносять до розподіленої генерації. Системи енергопостачання споживачів, засновані на використанні розподіленої генерації (джерел малої енергетики), називають децентралізованими системами.

1.1 Актуальність розвитку розподіленої генерації

У зв'язку з різким ростом попиту на електричну енергію у світі наприкінці минулого сторіччя й коливанням цін на первинну енергію енергетичний бізнес був перетворений у величезну "природну монополію".

На жаль, все це не могло надати негативного, часто необоротного впливу на екологію як окремих регіонів, так і світу в цілому. Так, у багатьох країнах світу (у більшості розвинених країн) в 1970-х роках здійснювалося постійне нарощування потужностей електростанцій, що виявилося не ефективним, оскільки екологічні застереження, енергетична криза й багатомільярдні витрати на грандіозні проекти атомної енергетики змусили багатьох сумніватися в раціональності парадигми централізованої електроенергетики. Будівництво великих ядерних і теплових станцій ставало все більш дорогим. Ситуація почала змінюватися починаючи з 1980-х років. У цей же час розвиток нових технологій в енергетичному секторі дозволив істотно знизити вартість невеликих (від 10 кВт до 30 Мвт) установок, що генерують, зокрема газових турбін комбінованого циклу, на ринку з'явилися малі газові турбіни, запущені в масове виробництво. Тому середня потужність нових електростанцій зменшилася з 600Мвт у середині 1980-х до 100 Мвт в 1992 році й 21 Мвт в 1998 році.

У світі помітно почалися зміни на користь впровадження малої енергетики (розподіленої генерації), темпи росту якої (тільки за рахунок поновлюваних джерел енергії) уже в 2000 році були вражаючими (табл. 1.1).

Таблиця 1.1 - Темпи росту джерел енергії

Вид або джерело енергії	Темпи росту (19902000р.), в %
Енергія вітру	25
Сонячні елементи	20
Геотермальна енергія	4
Гідроенергія	2
Природний газ	2
Нафта	1
Ядерна енергія	0,8
Вугілля	-1

Останні дані дозволяють стверджувати, що зменшення одиничної потужності генеруючих установок тільки почалося. Останні 5 років засвідчили появу нового покоління "портативного" енергогенеруючого устаткування незмірно меншого розміру, ніж великі генератори, які зараз становлять основу централізованої енергетики. Відображаючи досягнення в галузях металургії, синтетичних матеріалів, електроніки й інших, ці пристрої об'єднали великий спектр технологій від удосконалених двигунів внутрішнього згорання до генераторів, які базуються на електрохімічних і фотоелектричних процесах. Хоча джерела малої енергетики поки ще іноді більш дорогі в порівнянні із традиційними генераторами, але ціни на них стали постійно знижуватися з наступним удосконаленням технологій і зниженням питомих витрат при масовому виробництві.

На перших в новому столітті Олімпійських іграх у Сіднеї (Австралія) у вересні 2000 року одним з місць, що було в центрі уваги, стало олімпійське селище, на дахах будинків якого встановлені сонячні батареї для виробництва необхідної електроенергії. Коли ігри завершилися, селище стало "сонячним передмістям" на 1500 жителів, що, по підрахунках його творців, дозволило уникнути вуглецевого забруднення в 7000 тонн викидів щорічно. Це могло відбутися, якби еквівалентну кількість електроенергії одержали при спалюванні вугілля на електростанціях, які виробляють більшу кількість електроенергії в Сіднеї. Подібно олімпійському гаслу "швидше, вище, сильніше", гаслом енергосистеми олімпійського селища могло б бути "дешевше, чистіше, надійніше". Ці нові мініатюрні домашнього розміру генератори є втіленням вражаючої відмови генерації електроенергії, що очолювала енергетику протягом усього першого сторіччя її існування й досягла вершини у вугільних і атомних чудовиськах, які зараз забезпечують основну масу енергії в усьому світі й коштують багато мільярдів доларів. Сучасне сполучення технічних, політичних і екологічних зусиль вдихнуло нове життя в стару ідею децентралізованої малої енергетики.

У спеціальному випуску журналу "Bisiness Week" у серпні 1999 року під заголовком "21 ідея для 21 століття" локальні "персональні" електростанції були першими в списку. Дійсно, енергетика починає нове сторіччя в період бурхливих змін, не бачених із часу її початку 100 років тому.

Як ми вже відзначали раніше, малі електрогенератори є екологічно більше чистими, енергоефективними й у більшості випадків економічно більш привабливими.

Поява малої електроенергетики може мати найважливіші наслідки в "третьому світі", де централізовані енергетичні мережі відомі своєю незахищеністю від частих вимикань, де будівництво електростанцій і електромереж обтяжує уряд багатомільярдними боргами й де 1,6 млрд. людей і дотепер взагалі не мають електрики. Ця енергетика може істотно зменшити витрати на забезпечення основних послуг швидко зростаючому числу міських споживачів. А в сільській місцевості нова техніка може уможливити розвиток автономних сільських електричних систем і позбавить від потреби підключення до централізованих електричних мереж.

Незабаром лібералізація, реструктуризація й реформи електроенергетики, які відбуваються в багатьох країнах, визначать темп змін у централізованій і децентралізованій енергетиці. Нові правила гри визначать, наскільки енергоринки будуть відкритими для нових малих конкурентів. Усе ще діючі в цей час енергетичні монополії, інтереси яких вкоренилися в існуючу економічну й правову систему, будуть продовжувати опір змінам, але, як і у випадку перебудови телекомунікацій, їхній опір згодом, майже напевно, ослабшає.

1.1.1 Недоліки й переваги децентралізації енергопостачання

Аварії енергосистем 1999 року й в 2003 році виявили, що енергопостачальні компанії на протязі десятиліть недостатньо інвестували в підвищення надійності місцевих еклектичних мереж.

Недостатня пропускна здатність місцевих систем електропередачі викликає потребу більших витрат на модернізацію ліній передач й трансформаторів і вказує на потенційну цінність малих, розосереджених генераторів. Роблячи деяку кількість енергії в межах місцевої мережі, малі генератори можуть зменшити навантаження на устаткування систем електропередачі. А в центрі міста, де лінії передач підземні й де їхня заміна вимагає проведення реконструкції вулиць, витрати на встановлення додаткових малих генераторів часто становлять лише малу частину витрат від необхідної для реконструкції системи електропостачання.

Саме тоді, коли старіння устаткування й перевантаження лінії електропередач викликають сумнів у здатності діючих централізованих енергосистем упоратися зі зростаючим попитом на електрику й витримати більш тверді погодні умови, урахувати зростаючу залежність від автоматизації й комп'ютеризованих процесів, підвищується зацікавленість у високоякісному, безперебійному енергопостачанні. І тоді, коли сучасні інформаційні системи висувають додаткові вимоги до якості електроенергії, нові комунікаційні технології прискорюють рух до більш надійної децентралізованої системи.

У багатьох регіонах світу найбільшу загрозу надійності системи забезпечення електроенергією становлять перебої в місцевих системах електропостачання, викликані ушкодженням ліній електропередач через погодні умови або їхнім перевантаженням через надлишкове споживання. Аварії в системах електропостачання викликають до 95% перебоїв подачі енергії в США. Тоді як жара або холод може спричинити перевантаження системи електропередач через підвищений попит на енергію для забезпечення систем кондиціонування або пристроїв для підігріву повітря, деякі стихійні лиха (повені, бурі з градом, урагани) можуть перервати поставку енергії на більші райони, зруйнувавши лінії електропередач. Відповідно до доповіді Енергетичної ради США витрати на передачу й розподіл електроенергії з 1994 року перевищили витрати на її виробництво (від $800 млн. до $2,5 млрд. із цих засобів могли б бути з вигодою спрямовані на малі генератори й підвищення енергоефективності).

Бізнес, що постраждав від стихійних лих, звичайно лише тоді згадує про електропостачання як про найважливішу, життєво необхідну послугу. Перебої в поставці електроенергії можуть досягати так 40% застрахованих збитків, що підтверджується страховими відшкодуваннями після стихійних лих. Коли майже 3 млн. людей залишилися без енергії під час бурі з градом в 1988 році в Новій Англії, Нью-Йорку й Квебеку, то ті, хто мав вітрові електростанції, не залишалися й працювали, а постачальники електроенергії витратили 25 днів, щоб відновити поставку.

Зростаюча роль комп'ютерів і Інтернету в економіці й зростання комп'ютеризованого виробництва зробили споживачів більш чутливими до навіть миттєвих коливань напруги або перебоям. У минулому такі дрібні аварії не мали великого значення, викликаючи лише пригасання світла або зменшення швидкості електричних двигунів, але без якоїсь істотної шкоди. Зростаюча залежність від комп'ютерів означає підвищені вимоги до стабільності напруги: комп'ютерні мережі не витримують перебоїв більше однієї восьмитисячної частки секунди тривалість, яку постачальники енергії навіть не вважають аварією. У США бізнес щорічно губить біля $ 26 млрд. від комп'ютерних аварій.

Якщо комп'ютер у центрі фінансової системи вимкнеться хоч на мить, дані можуть бути загубленими, а операції на мільйони доларів, включаючи банківські трансакції, використання кредитних карток і касових автоматів, будуть перервані. В 1997 році національний банк у місті Омаха підрахував, що година перерви в роботі коштує йому $6 млн. і відреагував на аварію своєї комп'ютерної системи, що наступила після "миготіння" електрики, придбанням чотирьох водневих паливних елементів (комірок), підтриманих двигунами внутрішнього згоряння з маховиками. Паливні комірки (ПК) забезпечують більшу частину енергії для банківського центра даних, і комп'ютерні системи можуть відключитися від електромережі при найменшій ознаці нестабільності. Електропостачання на паливних елементах має додаткову перевагу зменшує викиди вуглекислого газу на 45%, інших забруднювачів повітря на 95%.

Крім того, супермаркети, ресторани, страхові компанії, лікарні й поштові відділення всі починають звертатися до малої енергетики, щоб запобігти збитковим перебоям. Найбільша у світі система енергопостачання на базі ПК буде забезпечувати дублювання електро- й теплопостачання для поштової служби США в Анкориджі (Аляска). Медичний факультет Гарвардського університету використовує водневі паливні комірки для забезпечення електроенергією своїх навчальних та лабораторних приміщень. Високотехнологічні виробництва фармацевтичні, хімічні, біотехнологічні й напівпровідників, які усе більше застосовують комп'ютеризовані виробничі процеси, це ті галузі, де паливні комірки будуть застосовуватися найближчим часом. Заводи, які роблять комп'ютерні чипи, можуть використати ПК як надійне джерело енергії й гарячої дистильованої води побічного продукту ПК.

Інша важлива перевага малої енергетики вона значно менше впливає на навколишнє середовище. Хоча за останні 15 років багато електростанцій обладнано дорогими пристроями очищення викидів, вони усе ще викидають велику кількість забруднювачів. У США електростанції відповідальні за викиди 28% окислів азоту, 67% двоокису сірки, 36% двоокису вуглецю, 33% ртуті в країні щорічно. В усьому світі виробництво електричної енергії є найбільшим джерелом викидів двоокису вуглецю (понад третину його загальної кількості).

Комбінація високої ефективності розподіленої генерації й використання більш чистих видів палива дозволяє набагато зменшити навантаження на навколишнє середовище, що створюють централізовані енергетичні системи.

Дослідження інституту Рокі Маунтин (США) показали, що розміщення малих генераторів ближче до споживачів, а також відповідність їхніх потужностей потребам споживачів, має значні переваги над гігантськими електростанціями, значно підвищує цінність цих генераторів для енергосистеми в цілому. Різниця в експлуатаційних витратах досить більша для того, щоб сонячні батареї, навіть при теперішніх цінах, стали рентабельними для багатьох застосувань. Це дослідження визначило ряд переваг, якими мала (розосереджена) енергетика забезпечує додаткові економічні й екологічні вигоди (табл. 1.2) [6].

Протягом десятиліть енергопостачальні компанії наполягали на тому, що надійність електромережі залежить від централізованого керування системою. Вони не могли дозволити споживачам брати участь у керуванні тисячами розподілених в енергосистемі генераторів, оскільки вони були переконані, що це дорога до хаосу. Однак усе більше аналітиків тепер завіряють у протилежному: більш децентралізоване, розосереджене керування може виявитися набагато гнучкіше, ніж централізована ієрархічна система керування. Така розосереджена система може поводитися подібно гнучким біологічним системам як екосистема або людське тіло, які децентралізують керування й розподіляють його між багатьма зворотними зв'язками, а не покладають на централізовану ієрархію. Як мозок не повинен стежити за кожним процесом в організмі, щоб система функціонувала, так і енергетичні мережі не мають потреби в центральному пункті, через який проходить вся інформація.

Таблиця 1.2 - Сім схованих переваг малої енергетики (за даними на 2000 рік)

Перевага	Опис
Модульність (блочність)	Потужність малої енергосистеми можна регулювати.
Короткий пусковий період	Малі станції можна проектувати й будувати швидше, зменшуючи ризики й період будівництва.
Розмаїтість палив, менший вплив коливання цін	Більш різноманітний склад зменшує залежність від коливання цін на викопне паливо.
Надійність і гнучкість	Менш імовірні одночасні аварії численних малих станцій, більш короткі простої, легко ремонтувати.
Запобігання спорудження станцій і ліній передач	Менша потреба будівництва нових центральних електростанцій, менші втрати.
Місцеве й комунальне керування	Забезпечує вибір варіантів і керування на місці, використання місцевих палив.
Запобігання викидів і шкідливих наслідків для навколишнього середовища	Мала енергетика виділяє меншу кількість твердих часток, окислів сірки й азоту, двоокису вуглецю, має менший сукупний вплив на навколишнє середовище, зокрема на землю і якість води.

Досягнення в енергетичній електроніці, інформаційних технологіях і пристроях, що акумулюють, спрощують приєднання малопотужних систем до електромережі (або дозволяють їм залишатися поза мережею), одночасно поліпшуючи здатність мережі пристосовуватися до пікових навантажень і коливань потужності. Наслідком може бути "багатобічна мережа", абсолютно відмінна від традиційної "вулиці з однобічним рухом", між центральною електростанцією й кінцевими споживачами. Подібно Інтернету, така енергетична система була б "під керуванням" тисяч або навіть мільйонів індивідуальних споживачів, які дотримуються загального набору технічних правил і вимог.

Новітня енергетична електроніка, включно з мініатюрними чипами (інтегральними схемами), проводами, датчиками, створює нові способи приєднання, інвертування й регулювання потоків енергії. Наприклад, мікропроцесорні пристрої можуть накопичувати дані про потреби в електриці автоматизованих виробничих процесів. Удосконалення в устаткуванні для інвертування й наступного поліпшення струму дозволяють перетворювати постійний струм у змінний (і навпаки) з незначними втратами, синхронізувати малі генератори з електромережею й ізолювати їх від неї, якщо в мережі відбувається збій, зберігаючи надійність локальної енергосистеми й дозволяючи працівникам енергопостачальної компанії безпечно відремонтувати лінію передачі й трансформатори.

В решті решт, у довгостроковій перспективі сполучення комунікаційних і енергетичних технологій можуть привести до "розумної розосередженої автоматизованої електромережі", що буде дозволяти всім частинам електричної системи реагувати на потреби системи в цілому від центральних станцій і малих генераторів до трансформаторів, лініям передачі й навіть окремим електроспоживачам. Керована комп'ютерами система може миттєво реагувати на будь-які проблеми й максимізувати свою загальну ефективність. Наприклад, власник холодильника із відповідним комунікаційним і керуючим устаткуванням для деякого зменшення своєї плати може дозволити енергопостачальнику виключати електродвигун холодильника на короткий момент, коли росте навантаження на всю енергосистему. Це заощаджує гроші споживача й підвищує надійність системи. Також сигнал з комп'ютера енергопостачальника до паливного елемента споживача міг би запускати його в дію для поставки електроенергії в сусідні місця, за що хазяїн ПК одержував би оплату через відповідну знижку у своєму рахунку за електроенергію. Такі програми одержали назву "Керування електричним навантаженням", і в останні роки розглядаються в рамках програм "Інтегрованого ресурсного планування".

Серед пристроїв, створених для енергозбереження, є маховики, акумулятори й суперконденсатори. Особливо, перспективним варіантом, є вироблення водню за допомогою сонячних батарей на дахах, коли світить сонце, з наступним його використанням у паливних елементах для виробництва електрики, коли є в ньому потреба. Так само як двигун внутрішнього згорання збільшив попит на бензин, появу автомобільних ПК прискорює створення мережі для збереження й транспортування водню.

Разом зі зростаючою вимогою до надійності ці інновації в електромережах стимулюють перехід енергетики до більш розосереджених систем відповідно ходу історії. Протягом XX століття яскравим аналогом електроенергетичної системи була радянська система ієрархічного централізованого планування. З початку XXI століття електропостачання рухається до моделі Інтернету: децентралізованої, неієрархічної, орієнтованої на ринок.

Більшість сучасних енергетичних ринків усе ще продовжує використовувати ознаки державної монополії, покладаючись на те, що централізація енергетики необхідна для надійного електропостачання споживачів. Дотепер залишається безліч норм та правил, які підтримують велику енергетику із центральними електростанціями. Як сказав Уолт Петерсон з Королівського інституту міжнародних справ, "занадто часто децентралізовані по своїй суті технології виявляються в ролі команди, що грає на "чужому полі" на домашньому полі централізованої системи й по її правилах".

Для повної реалізації потенціалу малої енергетики, необхідно реформувати регулятивну систему електроенергетики, усунувши перешкоди ринковим відносинам, які в цей час обмежують її впровадження (табл. 1.3).

Таблиця 1.3 - Вісім перешкод малої енергетики (за даними на 2000 рік)

Більш високі початкові капіталовкладення для окремих видів малої енергетики (за винятком малої гідроенергетики)
Існуюча система регулювання прав власності
Відсутність стимулів для зниження пікових навантажень в енергосистемі
Ігнорування впливу на місцеву (регіональну) стабільність
Несправедлива система тарифів та ціноутворення
Обтяжливі вимоги приєднання до мережі
Дискримінаційні правила - ліцензійні, пожежні, будівельні і т. д.
Несправедлива політика відносно шкідливих викидів в атмосферу

Першим кроком тих, хто визначає політику в цій галузі, повинне бути забезпечення того, що мала енергетика, одержуючи плату за ціною, що відображає повну вартість електроенергії. Дослідження Європейської комісії в 1998 році встановило, що повна вартість розосередженої "сонячної електрики" в Італії становить трохи більше, ніж 10 центів за , з них половина є вартістю генерації, а друга половина надбавка, що відображає додаткову надійність та підтримку централізованої системи електропостачання, що є унікальною властивістю для малопотужних локально розосереджених генераторів (можливе їхнє використання в підвищенні безперебійності в системах електропостачання загального призначення).

Данія, Німеччина, Іспанія та інші країни вже ввели закони про "приєднання", які вимагають від постачальників енергії купувати електроенергію, вироблену з відновлюваних джерел, по 7...10 центів за 1 . Ці закони привели до створення понад 5000 Мвт потужності вітроенергетики із середини 1990-х років. Так само Японія й 29 американських штатів мають закони про "вимір чистого балансу" для сонячної енергії, які дозволяють власникам сонячних енергосистем продавати свої надлишки електроенергії в мережі за роздрібними цінами. Ці закони були прийняті швидше за все з екологічних міркувань, ніж для виявлення певних переваг децентралізованої енергетики. Однак вони ясно показують потенційну дієвість простих, добре продуманих законів, які надають розосередженим виробникам електроенергії доступ до мережі по стабільно справедливій ціні на їхній товар.

На конкурентних енергетичних ринках необхідна обов'язкова оцінка вартості передачі електроенергії до споживача для всіх можливих варіантів щодо нового виробництва енергії. Відповідно до цього дослідження така стратегія разом з використанням менш забруднюючих технологій і кращою ефективністю поставки й попиту могла б задовольнити зростаючі потреби в електроенергії, одночасно зменшуючи місцеве забруднення повітря й знижуючи викиди окислів вуглецю на 42% у порівнянні з тенденціями в рамках звичайних підходів.

Необхідна інша реформа, спрямована на стандартизацію вимог до приєднання агрегатів малої енергетики до електромереж загального призначення. У багатьох випадках постачальники електроенергії висувають ряд складних і непотрібних вимог, які додають, як правило, ще тисячі доларів до вартості малої системи, що коштує лише $3.000...10.000. Ці вимоги виходять від застарілих технічних стандартів і зрозумілого бажання енергокомпаній не допустити втрати споживачів централізованої енергетики. Багато країн успішно переборюють ці перешкоди. В Україні також розпочата ця робота. Так, у середині 2004 року прийнятий закон про когенерацію, що спрямований на розв'язання цієї проблеми, зокрема, щоб не допустити нечесного блокування розвитку малої енергетики централізованими постачальниками й не відлякувати власників когенераційних установок непотрібними й безглуздими юридичними документами.

Необхідно переглянути правила, які перешкоджають доступу малої енергетики до мереж загального призначення. Інші перешкоди для малої енергетики виходять з правил, які регулюють розміщення енергоустановок, видачу дозволів на їхню роботу й викиди з них, розроблених ще перед виходом малої енергетики на ринок. Мала енергетика не врахована в більшість спеціальних нормативів (будівельних, електротехнічних, з питань безпеки). Користуючись цим, місцеві чиновники, які стежать за дотриманням правив і встановлюють тарифи, не виявляють знать в цих технологіях.

Монопольним енергопостачальникам необхідні певні стимули, щоб вони заохочували малу енергетику. Сучасні правила оплати послуг постачальників базуються на розмірі їхніх капіталовкладень в устаткування або на обсязі поставляємої ними електроенергії, створюючи фінансову зацікавленість постачальників у блокуванні автономної генерації.

У багатьох державах регулятивні органи створили нормативні правила, які засновані на показниках діяльності всієї енергосистеми, усувають стримуючі фактори й надають місцевим постачальникам стимули для здійснення розосередженої генерації.

Зусилля по перебудові енергетичного законодавства в цілому стримуються нинішніми офіційними монополістами енергопостачання, які прагнуть захистити свої минулі інвестиції в більш централізовані електростанції. Прогрес у реформуванні законодавства, щоб дати дорогу новому класу малих виробників електроенергії, які ще ледь помітні на сучасному ринку, як і слід було сподіватися, є досить повільним. Однак оскільки число компаній, що вкладають капітал у цю техніку, росте й поповнюється більшими фірмами й мільйонами споживачів, що бажають мати свої власні енергогенеруючі системи, зміни відбудуться.

1.1.2 Децентралізація електропостачання сучасної економіки

На Тайм Сквер у Нью-Йорку піднімається новий сорокавосьмиповерховий "зелений хмарочос", "одягнений" з південної й східної сторони в "шкіру" із сонячних батарей. У підвалі будинку встановлені дві 200-кіловатні ПК, які поставляють електрику й гарячу воду. Разом з додатковими конструктивними заходами, такими як ефективне (з високим ККД) висвітлення й ізолюючі вікна, "холодна енергетика" (так іноді називають енергетику, що не використовує процеси горіння для вироблення енергії), по оцінці, приведе до зменшення на 40% викидів парникових газів у порівнянні з будинком із традиційним енергопостачанням.

Смілива поява малої енергетики в одному із провідних світових фінансових центрів (усього кілька кварталів від Едисонової маленької електростанції 1882 року на Пірл стріт) є своєрідним символом повернення до децентралізації енергетики на новому, більш досконалому технологічному рівні. Однак багато хто з аналітиків залишаються скептиками щодо того, чи зможуть малі генератори масового виробництва стати серйозною альтернативою більшим центральним електростанціям. Подібні сумніви спостерігалися серед власників залізниць, які зустрілися з першими автомобілями, і серед виробників великих електронно-обчислювальних машин, коли вони зустрілися з персональними комп'ютерами.

Один з аргументів, спрямованих проти малої енергетики, полягає у тому, що такі маленькі генератори ніяк не зможуть зробити великий внесок в електропостачання сучасної економіки. Слабкість цього доводу показує простий розрахунок. Якщо середню потужність автомобільного двигуна прийняти рівною приблизно 100 кВт, а річна продукція американської автомобільної промисловості становить 13 млн. легкових і малих вантажних автомобілів, то сумарна потужність, що генерує, складе 1300 Гвт. Для порівняння: потужність всіх діючих електростанцій у США в 1998 році становила 778 Гвт. У всьому автомобільному парку США вже діють понад 200 млн. надійних самостійний енергогенераторів з основними витратами на в 10 разів меншими, ніж у великих центральних генераторів.

Останні ринкові оцінки передбачають, що бум малої енергетики вже незабаром. Оцінки обсягів американського продажу енергетичного устаткування потужністю від 1 кВт до 5 Мвт у 1998 році в $4,2 млрд. показали, що американський ринок протягом декількох наступних років буде рости щорічно на 32%. Ринок паливних елементів виріс із $305 млн. у 1998 році до $1,1 млрд. у 2003-м. Ринок мікротурбін, що був близьким до нуля в 1998 році, виріс до $8,5 млрд. і. досягає майже половини американського сектора розподіленої генерації.

Прогнози темпів росту малої енергетики в США до 2010 року коливаються в межах від 5% до 40%. Одне з досліджень прогнозує, що на той час світовий ринок паливних елементів на відновлюваному паливі досягне $10 млрд. Але дійсний потенціал може бути набагато більшим. Малі енергосистеми могли б витиснути значну частину існуючої центральної генерації в промисловому світі й надати країнам, що розвиваються, можливість уникнути шляху надмірної централізації.

Неможливо знати напевно, чи буде одержувати через 20 років світ 30, 50 або навіть 80% енергії від малої енергетики й чи буде вона провісником нової ери "енергетичної незалежності". Але в одному можна бути впевненими; майбутнє електроенергетики не буде схожим на її недавнє минуле.

У перспективі можливо, що більше половини всього енергопостачання суспільство буде одержувати від малих локальних енергосистем, а інше від великих електростанцій на поновлюваних джерелах, таких як вітрові й сонячні станції, а традиційні теплові електроцентралі стануть неефективними.

Експерти по енергетиці представили 10 "ринкових прискорювачів" для просування малої енергетики (табл. 1.4).

Вони прийшли до висновку, що якщо електропостачаючі компанії не виявлять ініціативи в сприянні розосередженої енергетики, то це зроблять покупці, підтримані агресивними новими компаніями. Найближчим часом ріст малої енергетики буде значною мірою залежати від напрямків реструктуризації електроенергетики, темпів закриття атомних і вугільних електростанцій і від нових екологічних нормативів. Деякі енергетичні правила в США і Європі вже переглядаються з урахуванням малої енергетики, але ще багато чого потрібно зробити.

Мала енергетика у віддалених місцевостях є найкращим рішенням в енергозабезпеченні сільських шкіл, лікарень, малих підприємств; у питаннях опріснення, очищення й викачування води, виробництва льоду. Хоча малі дизель-генератори в цей час широко використаються для вироблення енергії поза електромережею, вони не використаються в регіонах із проблемами у використанні пального, тому на їхню зміну можуть прийти інші технології малої енергетики.

Таблиця 1.4 - Десять "прискорювачів ринку" малої енергетики (за даними на 2000 рік)

Спрощення стандартів під'єднання
Ріст попиту на електроенергію обмежений або не може бути прогнозований
Агресивні ринкові нововведення на ринках природного газу і в питаннях надання різних енергетичних услуг
Більш ефективні схеми ціноутворення
Вичерпана пропускна здатність існуючих систем електропередачі та розподілення енергії
Труднощі у наданні ділянок для будівництва нових центральних електростанцій і систем електропередачі і розподілення енергії
Спрощені стандартизовані процедури ліцензіювання та отримання дозволів
"Невдоволені споживачі" електроенергії
Вдосконалення технологій
Попит на "зелену енергію"

Велике міжнародне співробітництво могло б допомогти стимулювати розподілену генерацію. Зобов'язання, узяті країнами, з питань зміни клімату могли б прискорити впровадження малої енергетики у великій кількості країн. Іншими цілями є технологічне лідерство, зменшення залежності від імпорту нафти, зменшення атмосферного забруднення, підвищення ядерної безпеки, нові експортні ринки також можуть спонукати до підтримки малої енергетики. Посилаючись на прогнозований у США $10 трлн. світовий ринок поставок енергії на найближчі 25 років, доповідь Білого Дому в 1999 році призиває урядові структури й промисловість збільшити інвестування в екологічно чисту енергію й створити міжнародні союзи в її підтримку.

В остаточному підсумку, перехід до малої енергетики може прискорити еволюцію до безвуглецевого водневого енергетичного господарства, тому що поширення паливних елементів створює попит на водень як носій енергії. Уряд, бізнесові структури й громадяни, стурбовані зміною клімату, розділяють зацікавленість у тому, щоб цей перехід дійсно здійснився.

Ключове питання щодо технологій прориву не в тому, чи пересилять вони існуючі технології за звичайними критеріями, а в тому, чи зможуть вони більш ефективно задовольнити потреби майбутнього ринку. Поточне ринкове дослідження може значно недооцінити їхній потенціал. Президентові компанії Polaroid маркетингова служба повідомила, що лише 100000 його моментальних фотоапаратів можна буде продати протягом усього строку їхнього життя, тому що лише деякі бачили користь у моментальній фотографії. Так само в цей час більшість менеджерів монопольних енергопостачальних компаній навряд чи може уявити собі великий ринок для малої енергетики. Але ситуація швидко змінюється, коли екологічні й економічні фактори виявляють властиві їм переваги, а більші фірми незграбно підключаються, щоб доганяти своїх спритних конкурентів.

Поза залежністю від того, як незабаром залишиться ця великомасштабна централізована модель електроенергетики, як безперечний релікт ХХ століття, людство вже вступило в період будівництва децентралізованих систем. Безумовно, найближче майбутнє світу за інтегрованими системами енергопостачання споживачів, оскільки протягом значного періоду часу будуть співіснувати як централізовані, так і децентралізовані системи, з поступовим розширенням останніх. У цьому зв'язку необхідно володіти загальними фундаментальними й прикладними знаннями, які властиві централізованим і децентралізованим системам, так і інтегрованим.

2. Водоймища малих ГЕС та їх вплив на екологію

Спорудження малої ГЕС, якщо вона не пристроюється до існуючого вузла або каналу, системи водопостачання або водовідведення, пов'язане зі створенням водоймища. Всебічна оцінка в проекті впливу таких водоймищ на навколишнє природне середовище здобуває в сучасних умовах все більше значення.

Малі ГЕС можуть бути створені не тільки на малих, але на середніх і великих річках теж. Створенню щодо великих водоймищ приділяється досить уваги в спеціальній літературі. Тут докладно розглянуті особливості малих водоймищ.

На відміну від великих водотоків малі ріки тісніше пов'язані з навколишнім природним середовищем. Кожна зміна в ландшафті водозбору малої річки (відомість лісу, оранка землі й інше господарське освоєння) швидко відбивається на поверхневому стоці й, як наслідок, на режимі її живлення. Через меншу глибину малих рік питоме значення їхнього підземного живлення значно менше, ніж у великих рік, внутрішньорічного розподілу стоку. Більшу нерівномірність стоку малих рік породжують й інші причини.

Нерівномірність стоку впливає на гідрохімічний режим малих рік. Оскільки паводковий стік перебуває в руслі малої ріки нетривалий час - усього протягом декількох діб або навіть годин, річка не встигає очиститися від забруднень під впливом природних біологічних і хімічних процесів. Особливо це позначається в межень (період ґрунтового живлення). Через це забруднення малих рік, навіть при відносно невеликих надходженнях забруднень, може перевищити припустиме.

З розвитком народного господарства істотно змінилися функції малих річок й антропогенне навантаження на них. Значно зменшилося їхнє енергетичне використання. Приблизно століття назад на території України налічувалася велика кількість водяних млинів, які створювали сприятливий режим річки (збільшення глибини, аерацію потоку). З ліквідацією їх погіршився стан малих річок, тому що для нормальної експлуатації млинів доводилося стежити за станом водозбору щоб уникнути замулення підпертої ділянки ріки.

У цей час найважливішими факторами, що негативно впливають на малі річки, є скорочення меженного стоку (головним чином за рахунок меліорації земель, лісозводки, сільськогосподарських робіт) і забруднення їх промисловими й господарсько-побутовими стоками. Власне кажучи, багато малих рік у промислово освоєних районах перетворюються в стічні колектори.

У зв'язку із цим зменшилося рибогосподарське значення малих річок, на багатьох з них у минулому перебували нерестовища не тільки туводних, але й прохідних риб.

Зберігається рекреаційне значення малих річок, що є місцем відпочинку. Однак багато малих річок використовуються як вододжерела для розвитку місцевого зрошення й колектори для скидання вод з осушуваних ділянок.

На заплавних землях малих рік розташовані кращі сільськогосподарські угіддя (луги, пасовища, рілля). Інтенсивна сільськогосподарська діяльність привела до того, що деякі малі ріки практично зневоднились, пересихали або замулювались.

Всі ці обставини необхідно брати до уваги при створенні водоймищ малих ГЕС. На жаль, на багатьох малих річках не ведуться гідрометричні спостереження за стоком, мінералізацією, забрудненням води, немає обліку господарського використання річкового стоку й скидань стічних вод, що ускладнює розробку багатьох інженерних рішень по малих водоймищах. При проектуванні малих водоймищ варто враховувати все різноманіття факторів, що впливають на умови їхнього формування й експлуатації. Цей вплив позначається на формуванні ложа й берегів водоймищ, на природні умови прилягаючої території, екологію низ лежачої ділянки ріки.

Як же впливають різні фактори на природу утворення водоймищ малих рік?

Геологоморфологічні умови району розміщення водоймища визначають геологію річкової долини, умови утворення твердого стоку, склад донних відкладень, біогенних елементів, процеси берегової абразії й інше. По цих умовах виділяють водоймища тундри й лісотундри, рівнинні водоймища лісової, лісостепової й степової зон, пустель і напівпустель, а також гірські водоймища. Важливим фактором, що впливає на формування водоймищ малих ГЕС, є морфологія річкової долини, що визначає його глибоководність, співвідношення мілководної й глибоководної зон. Досвід експлуатації малих водоймищ показує, що відносні розміри мілководної зони є часом одним з вирішальних елементів при виборі параметрів водоймища, тому що негативний вплив цієї зони на гідробіологічний режим водоймищ загальновідомий.

На формування природи малих водоймищ істотно позначаються гідрологічні умови, що визначають гідродинамічні умови, що визначають гідродинамічний розвиток внутрішньоводоймових процесів: водообмін водоймища, режим плинів, водний і тепловий баланс, термічний режим у нижньому б'єфі, вирівняний і хвильовий режими. Із цих факторів варто особливо виділити водообмін, значення якого в умовах сильного забруднення малих рік велике. На умови водообміну впливають і морфометричні особливості водоймища. Природно, що чим нижче ступінь зарегульованості стоку водоймищем, тим вище водообмін. Однак умови підвищення водообміну у водоймищі суперечать прагненню збільшити гарантовану енерговіддачу ГЕС, тому їхньому вв'язуванню також варто приділяти увагу. На якість води у водоймище впливають водообмін і процеси природного біологічного самоочищення. Для неблагополучних по якості води водотоків, особливо розташованих у зонах з низькими температурами, що знижують активність процесу самоочищення, вирішаючим для якості води водоймищ малих ГЕС є водообмін.

Важливим при утворенні водоймищ малих ГЕС є берегова абразія. Найбільш активно процеси обвалення й переформування берегів ідуть у приплотинній частини. Спостереженнями встановлені три стадії розвитку берегової абразії: становлення, стабілізація й відмирання. На першій стадії інтенсивно йде процес обвалення берегів, формування прибережних обмілин, вирівнювання берегової лінії (зрізка мисів і заповнення продуктами абразії й наносами заток). Дані експлуатації [5] показують, що становлення берегів малих водоймищ в основному завершується до 15-20 років, у цілому ж цей процес може тривати 100 і більше років.

Активність берегової абразії малих водоймищ може істотно впливати на інтенсивність їхнього замулення, а окремі ділянки берегової смуги, перспективні на утворення великих зсувів, можуть вимагати проведення спеціальних заходів щодо їхньої стабілізації й закріплення. Виявленню таких ділянок необхідно приділяти увагу на стадії проектування малих ГЕС.

При утворенні водоймищ малих ГЕС відбувається процес акумуляції наносів. Недоліки прогнозування цього процесу привели до замулення багатьох раніше побудованих водоймищ малих ГЕС, особливо в гірських і передгірних районах, на річках з високим змістом наносів. Такі ГЕС мають відносну ємність менш 0,01%.

Замулення малих водоймищ походить від зони виклинцьовування підпору до греблі. У верхів'ї водоймища замулення починається не в русловій, а в заплавній частині; руслова частина заливається від греблі. На інтенсивності замулення позначається так само берегова абразія, хвильова активність, вітрова ерозія, водна рослинність. Остання особливо впливає на формування ложа водоймищ у мілководній зоні, часом поступово перетворюючи їх у болото. Для водоймищ малих ГЕС, де відсоток мілководь (глибини до 2 м) вище, ніж у великих водоймищ, і вони займають 25-90% обсягу, небезпека заростання велика, і тому є безліч прикладів [5].

При проектуванні водоймищ малих ГЕС їхньому замуленню варто приділяти особливу увагу. Очевидно, не завжди економічно виправдане буде створення необхідного мертвого обсягу у водоймищі малої ГЕС із тривалим періодом його заповнення. У деяких випадках можна періодично в процесі експлуатації робити очищення від наносів, передбачаючи для цього в проекті площадку розміщення відвалів, а також і господарське використання наносів. Донні відкладення водоймищ можуть бути різними. Залежно від їхнього хімічного складу й фізико-механічних властивостей вони використовуються на добрива, будматеріали [5].

Різноманітний вплив водоймищ малих ГЕС на екологію.

2.1 Вплив на гідрологічний режим

Створення водоймищ малих ГЕС веде до трансформації річкового стоку залежно від характеру регулювання - добового, тижневого, сезонного, багаторічного. Для таких водоймищ характерні перші два види регулювання. У більшості випадків ці водоймища змінюють на незначну величину внутрішньорічний розподіл річкового стоку, хоча є приклади водоймищ досить глибокого регулювання [5].

У районах нестійкого зволоження вплив регулювання річкового стоку водоймищами малих ГЕС більше відчутно. Виконуючи добове регулювання, малі ГЕС збільшують добову амплітуду коливання рівнів на низлежачій ділянці річки в межень. У цілому на межені середньодобові рівні низлежачої ділянки річки малі ГЕС значного впливу не роблять. Позитивна ж роль створення підпірних рівнів на малих річках певних розмірів доведена всім минулим досвідом спорудження мірошницьких гребель.

Втрати на випарювання з водоймищ змінюють природний водний баланс водотоку.

2.2 Зміна рівня ґрунтових вод

На відміну від питань природного утворення штучні водоймища в короткий термін порушують хід природного розвитку природних комплексів. У зоні водоймища в результаті підтоплення відбувається підвищення рівня ґрунтових вод, зміна їхнього режиму, хімічного складу, характеру живлення й состава ґрунтів, мікроорганізмів, рослинності. Розвиток підпору ґрунтових вод відбувається у дві стадії: інтенсивного (5-10 років) і вповільненого (15-20 років) підйому. Розміри підтоплення залежать від морфометрії річкової долини й висоти підпору. Для господарського освоєння підтоплює території, що, особливо для рівнинних рік, необхідно в проекті ГЕС передбачати спеціальні меліоративні заходи - дренаж, підсипання території, підбор состава сівозмін й інше.

2.3 Зміна мікроклімату прибережної зони

Зі створенням водоймищ у прибережній зоні відбувається й зміна радіаційного балансу, температури й вологості повітря, вітрового режиму й опадів. Ці зміни залежать від розмірів (площі, протяжності, обсягу) водоймища, особливостей навколишньої природи. Водоймище впливає як охолоджуюче (більш довгостроково), так і отепляючи. Результати досліджень на водоймищах Рачунської, Саковщинської й інших малих ГЕС показали, що зона їхнього прямого впливу на мікроклімат їхньої прибережної території в холодний період займає всього 250-300 м, у період потепління 25-50 м. При площі водойми до 60-70 км² й обсязі до 250 млн. м³ зона прямого впливу зростає до 100-250 м у період потепління. На відкритих, не зайнятих лісом ділянках ця зона може збільшитися.

Зі створенням водоймищ можуть відбутися деякі зміни у вітровій діяльності. У районі акваторії можуть змінитися напрямок вітру і його швидкість, що варто враховувати при розрахунках хвильового режиму.

Регулювання стоку водоймищами малих ГЕС змінює режим річки в нижньому б'єфі, що має деякі наслідки. При добовому й тижневому регулюванні стоку постійні коливання рівнів води в нижньому б'єфі підсилюють деформацію берегів на ділянках річки, особливо в перші роки. Надалі ці процеси загасають.

Сезонне регулювання стоку приводить до скорочення розмірів заплави й тривалості її затоплення, що поряд з позитивним ефектом у боротьбі з паводками ускладнює сільськогосподарське використання заплави - скорочуються площі заливних лугів.