Гидроаккумулирующие электростанции. 
Электроэнергетические системы и сети

В настоящее время дефицит в маневренных мощностях («пики» нагрузки) в основном покрываются ГЭС, у которых набор полной мощности с нуля может быть произведен за 1−2 мин. В периоды времени, когда в системе имеются провалы нагрузки, ГЭС работают с незначительной мощностью и вода заполняет водохранилище. При этом запасается энергия в потенциальной форме. С наступлением пиков включаются агрегаты станции, и увеличивается на необходимую величину их мощность. Накапливание энергии в водохранилищах на равнинных реках приводит к затоплению обширных территорий, что во многих случаях крайне нежелательно (разд. 13.3.3). Небольшие реки малопригодны для целей регулирования мощности в системе, так как они не успевают заполнить водой большие водохранилища за время минимума нагрузки.

В регионах, где отсутствуют большие реки или строительство на них ГЭС по экологическим, экономическим или техническим причинам неприемлемо, данную задачу (снятие пиков) могут решать гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), относящиеся к гравитационному типу накопителей энергии. В интервалы времени, когда электрическая нагрузка в ЭЭС минимальна, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее и потребляет при этом электроэнергию из системы, рис. 12.4. В режиме непродолжительных «пиков» нагрузки ГАЭС работает в генерирующем режиме и расходует запасенную в верхнем водохранилище воду.

В европейской части России возможно сооружение до 200 ГАЭС. В ЭЭС, расположенных в центральной, северо-западной и южной частях, где имеется наибольший дефицит маневренной мощности, естественные перепады рельефа позволяют сооружать станции с небольшим напором (80−110 м). Районы с благоприятным для сооружения ГАЭС рельефом местности, позволяющим получать перепады порядка 1000 м, значительно удалены от центров потребления маневренной мощности. Сооружение ЛЭП в этих случаях может привести к затратам, делающим сооружение ГАЭС нецелесообразным.

Рис. 12.4. Гидроаккумулирующая станция.

Схема станции (а): 1 — верхний бассейн; 2 — водовод; J — здание ГАЭС; 4 — нижний бассейн; двухмашинная компоновка станции (б):

Т — турбина; 4 — насос; Г/Д — генератор-двигатель

С вводом в эксплуатацию мощных АЭС (мощностью 1000 МВт и более) значение ГАЭС возрастает, так как они смогут брать на себя все изменения нагрузки. Разработаны проекты строительства ГАЭС для Ленинградской и Курской АЭС.

Первые крупные ГАЭС построены за рубежом: «Том-Сок» (США) мощностью 350 МВт, напор 253 м (1963 г.); «Вианден» (Люксембург) — 900 МВт, напор 280 м (1964 г.); «Хоэнварте-П» (Германия) — 320 МВт, напор 305 м (1965 г.); «Круахан» (Великобритания) — 400 МВт, напор 440 м (1966 г.) и др. Первая ГАЭС на территории бывшего СССР мощностью 225 МВт с напором воды 70 м была сооружена под Киевом в 1972 г. Под Москвой (Сергиев Посад) в 2003 г. завершено строительство Загорской ГАЭС мощностью в турбинном режиме 1200 МВт, в насосном 1320 МВт, с годовой выработкой 1915;1950 млн кВт-ч и напором воды 100 м.

К числу наиболее крупных ГАЭС в мире относятся «Лорх-наРсйне» (ФРГ) — 2400 МВт, «Корнуэлл» (США) — 2000 МВт, «ЛохЛомонд» (Англия) — 1200 МВт. В СССР в 1983 г. было начато строительство самой мощной в Европе Днестровской ГАЭС в составе 7 гидроагрегатов суммарной мощностью 2268/2947 МВт (в турбинном и насосном режимах соответственно). Лишь в 2010 г. пущен в эксплуатацию первый гидроагрегат. Правительством Украины планируется в последующие годы вводить по одному агрегату в год.

Мощность ГАЭС зависит от расхода воды и напора, поэтому горные районы наиболее удобны для сооружения ГАЭС. Например, огромный напор (около 1800 м) имеет ГАЭС «Рейссек» в Австрии. Там, где возможно, стремятся использовать в качестве верхнего бассейна естественные водоемы: в Англии для ГАЭС «Лох-Ломонд» используется высокогорный пруд, в Японии построена ГАЭС «Нумацаванума», для которой верхним бассейном служит кратерное озеро.

Сооружение искусственных бассейнов сопряжено со значительными объемами работ и затратами больших средств. Кроме того, существует опасность утечки воды из верхнего бассейна, которая даже в небольшом количестве (порядка нескольких процентов) заметно снижает КПД станции. Поэтому приходится принимать тщательные меры по гидроизоляции.

Воду в верхнем бассейне можно подогревать, используя сбросовое тепло тепловой станции. Близко расположенные ГАЭС и ТЭС (или АЭС) удачно сочетаются друг с другом. ГАЭС генерирует электроэнергию в часы максимума энергопотребления, а бассейн-охладитель ТЭС или АЭС становится нижним бассейном ГАЭС, и из него в верхний бассейн перекачивается теплая вода.

Водоводы Г АЭС не должны вызывать большие потери энергии. Наиболее удобны туннельные водоводы большого диаметра, покрытые изнутри бетоном или металлом. Использование металлических труб в качестве водовода менее желательно из-за больших потерь на трение о стенки, поскольку трубы из металла могут быть выполнены относительно небольшого диаметра и их приходится прокладывать в большом количестве.

ГАЭС стали особенно эффективными после появления обратимых гидротурбин, выполняющих функции и турбин, и насосов, рис. 12.4. Количество машин в этом случае сведено к минимуму — к двум. Однако станции с двухмашинной компоновкой имеют меньший КПД из-за необходимости создавать в насосном режиме примерно в 1,3−1,4 раза больший напор на преодоление трения в водоводах. В генераторном режиме величина напора меньше также из-за трения в водоводах. Для того чтобы агрегат одинаково эффективно работал как в генераторном, так и в насосном режимах, можно в насосном режиме увеличить его частоту вращения, но это усложняет и удорожает его.

Перспективы применения ГАЭС во многом зависят от их КПД, под которым понимается отношение энергии, выработанной станцией в генераторном режиме, к энергии, израсходованной в насосном режиме. Первые ГАЭС имели КПД не выше 40%, у современных ГАЭС КПД может достигать 70−75%. С учётом потерь в электрических сетях средний КПД составляет 66%. Наиболее экономичны мощные ГАЭС с напором воды в несколько сотен метров, сооружённые на скальных основаниях вблизи центров потребления электроэнергии. К преимуществам ГАЭС относится низкая стоимость строительных работ. В отличие от обычных ГЭС здесь нет необходимости перекрывать реки, возводить высокие плотины с длинными туннелями и т. п. Ориентировочно на 1 кВт установленной мощности на крупных речных ГЭС требуется 10 м³ бетона, а на крупных Г АЭС — всего лишь несколько десятых долей кубического метра.

Будущее ГАЭС зависит от многих факторов: темпов развития энергетики на НВИЭ, прогресса в области создания мощных накопителей электрической энергии и энергоносителей. В настоящее время в мире работают около 500 ГАЭС. По прогнозам, мощность ГАЭС к 2050 г. может увеличиться в 10 раз. В России в 2007 г. начато строительство Загорской ГАЭС-2 проектной мощностью 840 МВт (4 обратимых гидроагрегата по 210 МВт). Стоимость строительства оценивается более чем в 70 млрд руб., окончание строительства — в 2014 г. Ведётся проектирование как минимум ещё 7 ГАЭС: Зелснчукской, Ленинградской (на р. Шапша), Владимирской (на р. Клязьма), Курской, Волоколамской (на р. Сестра), Центральной (на р. Тудовка), Лабинской (на р. Лаба).