Анализ становления большой и малой электрогенерации Южного Урала

Полный текст

Введение[*****] На рубеже XIX-XX веков Россия, вступив на путь индустриализации, имела слабо развитую промышленность, а ее энергетика отставала от ведущих стран Запада и Америки, находясь на шестидесятом месте в мире по выработке электроэнергии. Например, в 1913 году она составляла всего 14 кВт·ч электроэнергии на душу населения (для сравнения: в США - 236 кВт·ч) [1]. До начала Первой мировой войны в Российской империи насчитывалось более 300 городских электростанций и свыше 9000 малых энергоустановок, которые находились в частных руках и принадлежали богатым купцам и промышленникам. Эти небольшие источники генерации не могли обеспечить все возрастающие потребности в энергии для работы заводов и освещения улиц. Однако в начале ХХ века в стране стали появляться первые электростанции небольшой мощности. Например, на Урале, в Челябинске в 1913 году началось строительство городской тепловой электростанции мощностью 250 кВт, работающей на буром угле Копейского месторождения [2]. 1. Становление электрификации России Развитию энергетики помешали Первая мировая война, революция и гражданская война. После установления мира молодой советской республике нужно было восстанавливать хозяйство и развивать экономику. По инициативе В.И. Ленина была организована комиссия из двухсот специалистов, инженеров и ученых, задачей которых стало создание программы электрификации страны. За основу был принят план, разработанный Г.М. Кржижановским в 1915-1916 годах. В нем обосновывалось строительство электростанций в стране с использованием местных топливных и гидроресурсов [3]. В соответствие с планом, в восьми экономических районах страны в кратчайшие сроки необходимо было построить 30 крупных районных электростанций для энергоснабжения промышленных предприятий и городов с дальнейшим объединением их в крупные электроэнергетические системы. Говоря о важности электрификации страны на VIII Съезде Советов, Ленин подчеркивал, что этот план - вторая программа Коммунистической партии, которая должна стать «планом по созданию всего народного хозяйства и доведению его до современной техники» [3]. После утверждения Государственного плана электрификации России (ГОЭЛРО) 22 декабря 1920 года на VIII Всероссийском съезде Советов страна приступила к его реализации. План ГОЭЛРО стал важнейшим этапом развития энергетики России и определил рост экономики нашей страны на долгие годы. Благодаря четко спланированной программе развития, уже в 1935 году Россия вышла на третье место в мире по выработке электроэнергии [4]. На Урале план ГОЭЛРО был реализован в первое десятилетие после его принятия. В 1923 году запущена Егоршинская ГРЭС в Свердловской области, в 1924 году построена Кизеловская (Губахинская) ЭС в Пермской области, работающая на местном топливе. Производство электроэнергии к 1937 году увеличилось в 13 раз [5]. 2. Строительство Челябинской ГРЭС Первой электростанцией, построенной на Южном Урале по плану ГОЭЛРО, была Челябинская государственная районная электростанция (ЧГРЭС) (рис. 1). Из 30 электростанций, которые предстояло построить, ЧГРЭС была в списке под номером 27 [6]. Торжественная закладка главного корпуса Челябинской ГРЭС состоялась 6 ноября 1927 года в честь 10-летия Октябрьской революции, а первый промышленный ток был дан уже в сентябре 1930 года. Такие высокие темпы строительства обеспечивались самоотверженным трудом рабочих и строителей [7]. Рис. 1. Строительство Челябинской ГРЭС - первенца ГОЭЛРО на Южном Урале [Figure 1. Construction of the Chelyabinsk State District Power Plant - the first-born of GOELRO in the South Urals] Источник: Фонд Государственного исторического музея Южного Урала. Source: Fund of the State Historical Museum of the South Urals. Электростанция работала на буром угле, месторождение которого находилось рядом с Челябинском. Уголь доставлялся на ГРЭС по специально построенной для этих целей железной дороге. Для охлаждения механизмов и машин станции использовалась вода реки Миасс. С 1963 года станция работает на природном газе, а 1 апреля 2018 года ЧГРЭС была официально переименована в Челябинскую ТЭЦ-4 с электрической мощностью 742 МВт и тепловой мощностью 850 Гкал/ч. С началом работы Челябинской ГРЭС в 1930-е годы ускорилось строительство ставших в последствии гигантами промышленности Челябинского тракторного завода, Челябинского электрометаллургического комбината, лакокрасочного, электролитного цинкового и других крупных заводов Челябинской области. 3. Порожская ГЭС - старейшая гидроэлектростанция Урала В июле 1931 года государственная комиссия приняла в эксплуатацию первую очередь Челябинского ферросплавного завода (ныне электрометаллургический комбинат), который до сегодняшнего дня является основным поставщиком ферросплавов в России. До этого времени ферросплавы производились на небольшом заводе, работающем в поселке Пороги Саткинского района, электроэнергия для которого поступала от Порожской ГЭС. Эта гидроэлектростанция - единственная на Урале и одна из старейших в России - была запущена в эксплуатацию в 1910 году. Проектировал ее известный ученый-гидротехник Б.А. Бахметьев. При строительстве использовался местный материал, плотина была выложена из дикого камня и имела арочную архитектуру. Для преобразования энергии воды на порогах реки Большая Сатка применялись уникальные гидротурбины, которые были изготовлены по индивидуальному заказу ведущими фирмами Европы и действуют до сих пор. Их мощность составляла 560 и 845 кВт. Два генератора мощностью 550 кВт произведены в 1909 году немецкой фирмой «Бригель, Хансен и К°» (г. Гота, Германия), генератор третьей турбины - швейцарской фирмой «Браун, Бовери и К°» (рис. 2) [8]. На сегодняшний день производство свернуто как экономически невыгодное. Плотина, оборудование и здание Порожской ГЭС находятся в аварийном состоянии. Если не принять срочных мер по их восстановлению, ГЭС может окончательно разрушиться, и тогда мы лишимся этого уникального памятника инженерной мысли. Рис. 2. Машинный цех Порожской ГЭС (фотографии сделаны автором) [Figure 2. Machine room of the Porozhskaya hydroelectric power station (photos taken by the author)] 4. Малые ГЭС Южного Урала На территории Челябинской области имеется еще ряд малых ГЭС, работавших или работающих в настоящее время на местных водотоках. Одна из них - Верхнеуральская ГЭС, расположенная на реке Урал, которая использует расчетный перепад в 17 м на Верхнеуральском водохранилище. Мощность электростанции 1 МВт. Две малые гидроэлектростанции Южного Урала, построенные в прошлом веке, - Зюраткульская и Аргазинская в настоящий момент не эксплуатируются. Строительство Зюраткульской ГЭС велось с 1942 по 1952 год. Объект представлет собой двухкаскадную ГЭС деривационного типа. В ее состав вошли плотина, деривационный канал длиной 9 км, напорный бассейн и два здания ГЭС первой и второй очереди. В 1978 году ГЭС была закрыта в связи с нерентабельностью. Оборудование зданий ГЭС демонтировано, сами здания по большей части разрушены, в неплохом состоянии находится напорный бассейн. В случае восстановления ГЭС ее мощность должна составить 6,4 МВт. Вторая ГЭС - Аргазинская, расположенная на реке Миасс в селе Байрамгулово Аргаяшского района, строилась с 1939 года, в эксплуатацию запущена в 1946 году. Планируется ее восстановление с мощностью 1,35 МВт. Использование такого местного ресурса, как малые реки и водотоки, может быть технически и экономически выгодным. А учитывая, что на территории Челябинской области находится более 3500 рек, из которых 90 % относятся к очень малым, длиной менее 10 км, строительство малых ГЭС на них в большинстве случаев имеет хорошие перспективы [9]. 5. Солнечная энергетика Урала Потенциал солнечной энергии как ресурса для Урала в целом и для Челябинской области в частности достаточен для строительства здесь солнечных электростанций. Вероятность среднемесячной продолжительности солнечного сияния составляет 0,4-0,6, годовое поступление солнечной радиации на территорию области равно от 1050 кВт·ч/м² на севере и до 1250 кВт·ч/м² на юге. Уровень инсоляции составляет 4-4,5 кВт·ч/м²/сут [10]. Именно поэтому на территории Урала строятся новые и вводятся дополнительные очереди солнечных электростанций: - Башкортостан: Бурибаевская - 20 МВт, Бурзянская - 20 МВт, Бугульчанская - 15 МВт, Исянгуловская - 9 МВт; - Оренбургская область: семь солнечных электростанций, суммарной мощностью 250 МВт (Орская солнечная электростанция - СЭС имени А.А. Влазнева - 40 МВт); - Свердловская область: планируется строительство трех СЭС общей мощностью 28 МВт. - Челябинская область: планируется строительство СЭС мощностью 5 МВт. Первая крупная кровельная СЭС в Челябинской области появилась на заводе АО «Русские электрические двигатели», расположенном в черте Челябинска (рис. 3). Рис. 3. СЭС на кровле завода «Русские электрические двигатели» [11] [Figure 3. Solar power plant on the roof of the plant “Russian Electric Motors” [11]] Батарея состоит из 840 гетероструктурных 60-ячеечных фотоэлектрических модулей «Хевел». Мощность установленного оборудования равна 240 кВт [11]. Увеличивается количество других солнечных энергоустановок, в том числе и для индивидуального использования. 6. Ветроэнергетические установки Ветроэнергетический потенциал Челябинской области до недавнего времени считался бесперспективным с точки зрения строительства крупных ветропарков. Среднегодовые скорости ветра в большинстве районов области не превышают 4-5 м/с. Однако имеются участки с абсолютной высотой 1000-1200 м. Эти районы располагают большим ветроэнергетическим потенциалом - 28 597 МДж/м (103 МВт·ч/м) за год. К таким участкам относится гора Таганай - самое ветровое место в области со среднегодовыми скоростями ветра 10-12 м/с. С развитием конструкций ветроэнергетических установок становится возможным их строительство и эксплуатация в местах с меньшими среднегодовыми скоростями ветра. Такие установки разработаны в Южно-Уральском государственном университете. Они могут использоваться как источники для индивидуальной электрогенерации, а также в составе ветро-солнечных комплексов [12]. В составе энергокомплекса ветроэнергетические установки хорошо дополняют солнечные модули (фотоэлектрические преобразователи), увеличивая общую надежность комплекса. Для маломощных потребителей разработан гибридный ветро-солнечный микроэнергокомплекс, основанный на совместной выработке электроэнергии двумя альтернативными источниками номинальной мощностью 0,5 кВт (ветроэнергоустановка, ВЭУ) и 0,1 кВт (солнечный модуль). Такая система является полностью автономной и работает практически без обслуживания (рис. 4). Работа ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения мощностью 1 и 3 кВт не зависит от направления ветра, а старт происходит уже при скорости ветра до 2 м/с. Установки отличаются низким уровня шума и вибрации и стабильной частотой вращения. Разработанные ВЭУ испытывались как в условиях Уральского региона, так и в различных климатических зонах от экватора до Арктики: - Япония, Акита (партнер Green Power, Токио); - США, Сан-Франциско, Рамона, Ронерт Парк (партнер Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли, США); - Арктика, Канин Нос (НИИ космического приборостроения, Россия). Испытания показали хорошую работоспособность комплексов и установок и подтвердили их преимущества [13]. Рис. 4. Ветроэнергетическая установка ВЭУ-3 c солнечным модулем (фотография сделана автором) [Figure 4. Wind turbine VEU-3 with a solar module (photo taken by the author)] Еще один местный ресурс, который может быть использован для получения энергии и биотоплива, - биомасса. Объем биогаза, который мог бы быть получен при переработке отходов животноводства, показан в таблице [14]. Таблица Потенциал производства биогаза в Челябинской области [Table. Potential for biogas production in the Chelyabinsk region] Год [Year] Кол-во животных, тыс. голов [Number of animals, thousand heads] Объем биогаза, м3 · 106 [Biogas volume, m3 · 106] 2000 356,7 967,4 2005 212,1 636,3 2010 287,1 861,3 2015 314,1 942,3 2020 409,5 1228,5 Получение энергии только от использования отходов животноводства в различные годы могло бы составить от 1,5 до 6,0 ГВт электроэнергии. К сожалению, низкие температуры, особенно в зимний период, и другие экономические особенности не позволяют в полной мере использовать биогазовые технологии на территории Урала. Заключение Для координации развития различных видов малой генерации в регионе создана Ассоциации малой энергетики Урала, которая традиционно является лидером по строительству и введению в строй объектов малой энергетики. Ассоциация объединяет высокотехнологичные компании, которые работают в сфере малой распределенной генерации и смежных отраслях. Суммарная мощность введенных в эксплуатацию проектов членами Ассоциации составляет 245 МВт [15]. Малая и распределенная энергетика вносит свой значительный вклад в развитие общей энергетики региона и страны, которая, как и 100 лет назад, призвана решать основные задачи развития экономики и энергобезопасности страны.

Об авторах

Ирина Михайловна Кирпичникова

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: kirpichnikovaim@susu.ru
SPIN-код: 4553-2206

заведующая кафедрой «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» ЮУрГУ (НИУ), доктор технических наук, профессор

Российская Федерация, 454080, Челябинск, пр-кт Ленина, д. 76

Список литературы