Источник: Журнал «International Water Power & Dam Construction»
Авторы: Р. О. Харольдсен, Ф. Б. Симпсон, «EG & G Idaho, Inc.»
Хотя малые ГЭС никогда не будут представлять крупную долю в энергетике США, они вносят вклад в решение проблем энергетической независимости, децентрализации и национальной безопасности. Задавая среднее потребление электричества одного домохозяйства на уровне 1000 кВтч/мес. (без учета электрического обогрева), получаем, что электростанция мощностью 100 кВт теоретически могла бы обеспечивать энергетические потребности примерно 70 домохозяйств. На практике типовой дом имеет пиковую мощность потребления, которая равна 5 кВт. Большая группа домов осредняет запрашиваемую пиковую мощность до величины 2,5 кВт на дом, при средней мощности 1,4 кВт. Это означает, что электростанция мощностью 100 кВт могла бы обеспечить потребности в электричестве для 40 домов с КПД 50 %. Если станция эксплуатируется параллельно с энергосистемой, то число домов, снабжаемых этой станцией, возрастает. Сравнение с малыми дизельными установками, которые распространены на Аляске, показывает, что малая ГЭС мощностью 100 кВт может заменить расход дизельного топлива величиной 83 л/ч или 380 000 л/год при ориентировочном КПД ГЭС 50 %.
При спонсировании Департамента энергетики была выполнена стадия оценки инвестиционной привлекательности и проблем, связанных с реализацией проектов микроГЭС. Первым этапом в данной Оценке был расчет относительной выгоды микроГЭС для каждого штата. По информации, полученной от различных штатов и агентств была получена структура выгоды развития малой гидроэнергетики.
Оценка встречающихся проблем была осуществлена посредством прямых контактов с лицами, фактически работающими в микрогидроэнергетике. Всего в опросе участвовало 62 человека из 10 штатов. Они были разделены на 4 группы по следующим критериям:
– действующие или потенциальные инвесторы,
– архитектурные или инженерные фирмы-консультанты,
– производители или продавцы оборудования,
– федеральные агентства или агентства штатов.
Результаты были получены для каждой группы отдельно. Но в целом они оказались согласованными, и результирующий список проблем, ранжированный по приоритету, выглядит следующим образом:
– получение инвестиций в проект,
– бюрократизм на федеральном уровне и уровне штатов (разрешения, лизинг, водное законодательство, регламенты и т.д.),
– проектирование, монтаж и строительство,
– доступность оборудования, его стоимость и надежность,
– дефицит низкостоимостного технического сопровождения и поддержки,
– экономика системы в сравнении с другими источниками энергии,
– соответствие постановлениям по окружающей среде,
– определение энергетического потенциала проекта,
– данные о производителях оборудования,
– данные о налоговых послаблениях.
Малая ГЭС мощностью 50 кВт была установлена в Блиссе (шт. Айдахо) (см. фото) с использованием весеннего стока расходом 12,1 м3 и напора 43 м. Изначально станция была размещена для энергоснабжения гравийного карьера, без подсоединения к местной энергосистеме. Суммарные капиталовложения в строительство составили 40 000 долларов. ГЭС способна производить электричество в объеме, по стоимости соответствующем не менее 1000 долл./мес. В качестве турбин использованы насосы, работающие в противоположном направлении вращения. Правосторонняя передаточная коробка, обычно используемая в глубинных насосах, также работает в обратном направлении. Генератор был взят от использовавшегося на тракторе двигатель-генераторного агрегата. ГЭС имеет значительный напор, что допускает некоторое несоответствие в компонентах оборудования бес серьезного влияния на работу станции. Комбинация отличных природных условий места расположения ГЭС и грамотных инновационных решений позволило создать эффективный гидроэнергетический объект.
Рисунок 1 — Малая ГЭС мощностью 50 кВт в Блиссе (шт. Айдахо)
На фото показана низконапорная установка, смонтированная в Аумсвилле (шт. Орегон). Проект был выполнен на основе грамотного инженерного подхода, но экономические показатели проекта неудовлетворительны. Высота плотины составляет 4 м, но расчетный напор — только 2 м. Малая величина напора привела к громоздкости оборудования, необходимого для такого типа малых ГЭС. Проектная мощность станции должна была ровняться 40 кВт, но ее фактическая максимальная мощность — 23 кВт. Ожидавшаяся выработка электроэнергии должна была составит 16 500 кВт∙ч/мес., но на практике было получено менее половины этой величины. Боковой водослив слишком мал для пропуска паводка. Размеры просветов для доступа к подшипникам поперечнопоточной турбины недостаточны. Низкоскоростной ремень имеет стоимость около 500 долларов, и несколько раз выходил из строя. Низконапорные характеристики площадки расположения ГЭС не позволяют сбрасывать плавающий мусор, поэтому по крайней мере раз в день необходимо производить ручную очистку сороудерживающих решеток. Станция соединена с энергосистемой посредством весьма чувствительных выключателей, что приводит к отключению станции несколько раз в день. Для возвращения ГЭС обратно в систему требуется около 15 минут ручных работ. Общие затраты на данную ГЭС составили около 60 000 долларов, а месячный доход — между 100 и 200 долларами.
Рисунок 2 — Низконапорная установка мощностью 23 кВт в Аумсвилле (шт. Орегон)
ГЭС эксплуатируется и производит электричество, и ее работа, возможно, будет улучшена, но инвестиции в проект все равно были неудачными.
Наиболее выгодной гидроэнергетика, естественно, оказывается в районах страны, где сконцентрированы наиболее подходящие природные площадки. Площадки с большими напорами и малыми расходами с технической точки зрения гораздо более благоприятны. Затраты на оборудование и строительные работы у таких проектов будут снижаться с наибольшей вероятностью. Однако высоконапорные площадки обычно не являются частной собственностью, располагаясь в живописных природных местах, сохранение естественного состояния которых критически важно.
При уменьшении напора происходит ухудшение экономических показателей. Сложно определить ту величину напора, которая разделяла благоприятные и неблагоприятные гидроэнергетические площадки. Задаваясь типичными расходами и мощностями, площадки с напором менее 3 м однозначно экономически невыгодны для инвестирования. Это не препятствует реализации таких проектов в качестве хобби, или там, где стоимость электроэнергии чрезвычайно высока. В будущем развитие низконапорного оборудования может изменить данную ситуацию.
В удаленных районах, таких как некоторые области Аляски, для энергоснабжения каждого отдельного дома часто используются автономные дизель-генераторы. Такие агрегаты обычно имеют мощность 5–8 кВт, и вырабатывают от 4 до 5 кВт∙ч на галлон топлива. При цене дизельного топлива 1,5 долл./галлон стоимость электроэнергии превышает 30 центов/кВт∙ч. На территории Аляски есть большое число потенциальных площадок для размещения ГЭС, но реализация крупномасштабных проектов ограничена объемом местного спроса на электричество, а также чрезвычайной протяженностью ЛЭП, которые необходимо поддерживать в рабочем состоянии. Микрогидроэгергетика – логичный выбор для некоторых малых населенных пунктов. На равнинных территориях Аляски есть множество мест для строительства микроГЭС, которые смогут работать круглый год. Микрогидроэнергетика в таких районах, как представляется, имеет большие практические возможности.
Среди инвесторов в микрогидроэнергетику довольно значительно число тех, кто не имеет значительных ресурсов, а также знаний для реализации своих проектов на качественном уровне. Такие проекты обычно воплощаются в жизнь по мере того, как инвестор оказывается способным приобрести оборудование из своего текущего дохода. Финансирование со стороны банков, по существу, недоступно. Проектные работы по таким ГЭС могут осуществляться в ходе строительных работ, находясь в зависимости от того, какое оборудование сумел приобрести инвестор. Начав с прибыльной гидроэлектростанции, такие проекты имеют скромное начало, и совершенствуются по мере накопления у владельца знаний. Экстремальным примером служит объект, наблюдаемый на севере шт. Вашингтон, с потенциальной мощностью около 100 кВт. В настоящий момент мощность генератора составляет 1,5 кВт, который подсоединен к трубопроводу диаметром от 4 до 15 см.
Рисунок 3 — Распределение гидроэнергетического потенциала в США
От инвестора в микрогидроэнергетику, который подключаются к общей сети или использует общественные земли, требуется выполнение всех институциональных требований на федеральном уровне и уровне штатов. Количество требований часто становится сюрпризом для инвестора. Некоторые штаты пытаются упростить процедуры. У проектов, которые не подключены к сети и не находятся на общественных землях, инвесторы часто не обеспокоены вопросами следования законодательству.
Хотя PURPA (Акт об общественном регулировании электроэнергии) требует от сетевых компаний предоставления подключений для частных ГЭС, нет заданных стандартов, определяющих интерфейс и защитное оборудование в точках подсоединения. Энергетические сети должны иметь право защищать свои системы и настаивать, что малые ГЭС не должны подвергать опасности энергосистемы, подключаясь к ним. Однако энергосети могут выставить настолько жесткие требования, что инвесторы микроГЭС не смогут их выполнить. Существует очевидная необходимость разработки разумного стандарта, чтобы положения PURPA могли реализовываться.
Возможно, самым важным для развития микроГЭС является предоставление информации инвесторам. Такая информация поможет им лучше оценить выбранную площадку для ГЭС, снизит число недоработок, определит тип и характеристики доступного оборудования, предоставит базовую техническую информацию и определит источники технической поддержки.
Маловероятно, что детальное проектирование, предоставляемое лицензированными инжиниринговыми фирмами, может оказаться оправданным для микроГЭС. Скорее всего, такие проекты будут продолжать полагаться в основном на изобретательность инвестора, с некоторой помощью поставщиков оборудования и государственных агентств.
Департамент энергетики рассматривает вопрос спонсорства в разработке руководства по проектированию микроГЭС. Компетентно написанная и распространенная книга подобного типа могла бы сделать многое для микрогидроэнергетики США. По мере роста числа проектов будут постепенно проясняться основные аспекты их успешной реализации, а это откроет дорогу для крупных финансовых инвестиций.