Регионы агропромышленной специализации в постиндустриальной экономике: возможности агломерационного подхода (стр. 17 )

Существует целый ряд проблем, которые за указанный период разрешены не были. Во-первых, так и не найден экономичный способ производства водорода. В настоящее время в промышленных целях его получают либо за счет переработки метана, либо электролизом воды. Первый способ ставит цены на водородное топливо в жесткую зависимость от состояния мирового рынка углеводородов, что не может быть приемлемым, учитывая их ограниченность. Получение же водорода путем электролиза может быть рентабельным лишь при использовании супердешевой электроэнергии, получаемой от эффективных гидроэлектростанций. Однако известно, что возможности строительства ГЭС весьма ограниченны, а во многом в ряде регионов и исчерпаны. Надежды на получение водорода на основе реализации процессов фотосинтеза до настоящего времени не оправдались. Хранение водорода представляет собой не меньшую проблему. Теоретически водород может храниться несколькими способами: в сжатом до
200 атм состоянии, в сжиженном состоянии при температуре минус 205 °С, в химически связанном состоянии – в гидридных аккумуляторах. Об оборудовании автомобилей топливной аппаратурой для работы на сжатом газе и криогенной топливной аппаратурой было упомянуто выше. Принципиально оба эти вида топливной аппаратуры для работы на водороде не отличаются от своих метановых собратьев. Что же касается гидридных аккумуляторов водорода, то сущностью этого метода является способность водорода образовывать гидридные соединения с некоторыми металлами щелочноземельной группы, легко распадающиеся на исходные вещества при некоторых условиях (например при их нагреве). Этот способ хранения считается наиболее перспективным по ряду причин. Это наиболее безопасный способ хранения – даже полная деформация и разрушение гидридного аккумулятора не вызовет взрыва гремучего газа. Но следует отметить, что запасы щелочноземельных металлов, необходимых для гидридных аккумуляторов, на планете довольно ограниченны, и использование их для гидридных аккумуляторов в масштабе, эквивалентном хотя бы современной численности автотранспорта, быстро истощит их запасы.

Таким образом, на современном этапе технологического развития водородная энергетика не способна обеспечивать топливом большое количество подвижных объектов небольшой мощности. Попытка перевести мировой автопарк на водородное топливо неизбежно заставит столкнуться с необходимостью разрешения целого ряда проблем, начиная от вопросов поиска экономичных способов получения водорода до способов обеспечения безопасной эксплуатации автотранспортных средств.

Электромобили как разновидность автотранспорта появились практически одновременно с автомобилями, оснащенными двигателями внутреннего сгорания. Различают три разновидности автомобилей с электрическими двигателями, известные в настоящее время. Это электромобили с аккумуляторной силовой установкой, с силовой установкой на основе топливных элементов и троллейные электромобили. Первые два наиболее известны, практически на любом международном автосалоне в течение последних 40–50 лет появляются футуристические «автомобили будущего» на аккумуляторах (чаще всего свинцово-кислотных), либо на топливных элементах (водородно-кислородных или же реже – углеродно-кислородных). Основной недостаток первых – это, прежде всего, невероятно большой вес. Так, например, созданный опытно-промышленным производством ВАЗа электромобиль на базе легкового автомобиля особо малого класса «Ока» весил более двух тонн. Понятно, что передвигаться такой электромобиль может только по идеально ровной поверхности, и уж ни в коем случае – не по грунтовой дороге и не по снегу. Кстати, в этой роли – транспорта ровных площадок – электромобили весьма широко эксплуатируются в виде электрокаров на промышленных предприятиях. Надо отметить, что даже попыток создать грузовой аккумуляторный электромобиль сколько-нибудь значительной грузоподъемности, предназначенный для дорог общего пользования, не предпринималось ни одним автомобилестроительным концерном мира, что свидетельствует о технологической невозможности такой задачи. Внедрение новых материалов и технологий мало способствует развитию аккумуляторных электромобилей, поскольку основную часть их массы составляют аккумуляторы, новых разновидностей которых до настоящего времени не появилось. Другим крайне существенным недостатком аккумуляторных электромобилей является небольшой пробег на одной зарядке аккумуляторов – не более 100–120 км, и длительность цикла каждой их перезарядки до 7–8 часов.

Большие надежды возлагались на конденсаторные энергонакопительные установки, но за прошедшие десять лет, что они были впервые анонсированы, далее лабораторных образцов и моделей развития они не получили. Предполагалось, что электромобили, оснащенные ими, избавятся от упомянутых выше недостатков электромобилей с аккумуляторными батареями – большого веса и длительного цикла перезарядки.

Автомобили на топливных элементах, заявляемые в течение последних 10-15 лет, как наиболее перспективный вид электромобиля также не лишены недостатков.
Во-первых, это крайне высокая стоимость электрохимического генератора (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов. Все существующие на сегодня опытные образцы, созданные рядом мировых автоконцернов, используют в качестве источников тока ЭХГ, предназначенные для космических аппаратов. Понятно, что стоимость подобной техники тоже будет воистину «космической». Надо отметить, что в состав ЭХГ входит значительное количество серебра и других драгметаллов.
Во-вторых, использование ЭХГ предполагает решение проблемы хранения водорода и кислорода, необходимых для его работы. Когда проблема хранения водорода (о которой сказано выше) будет действительно решена, представляется, что гораздо проще будет использовать привычный автомобильный двигатель внутреннего сгорания, переоборудованный для работы на водородном горючем, без использования сверхдорогих ЭХГ. Следует еще раз упомянуть, что оба эти вида электрических силовых установок рассматриваются большинством аналитиков в первую очередь как альтернатива силовым установкам легковых автомобилей, при этом подразумевается, что тем требованиям, которые предъявляются к силовым установкам современных грузовых автомобилей, они соответствовать не могут.

Троллейные электромобили рассматривались как альтернатива именно грузовым автомобилям с двигателями внутреннего сгорания. В первую очередь, безусловно, такая альтернатива предполагалась для крупных городов. В частности, в конце 50-х годов завод СВАРЗ (г. Москва), выпускавший в то время пассажирские троллейбусы, выпустил серию грузовых троллейных электромобилей. Некоторое время в Москве начиная с 1959 г. действовали грузовые троллейбусные линии, в частности обеспечивающие перевозки муки на ряд московских хлебокомбинатов. Грузовые троллейбусы соответствовали по своим эксплуатационным показателям современным им грузовым автомобилям марки МАЗ. Однако по итогам опытно-промышленной эксплуатации развитие данного вида транспорта было признано нецелесообразным. Основной причиной негативного опыта эксплуатации «грузовых троллейбусов» стало то, что использование
безрельсового электротранспорта требует особо тщательного содержания дорог, особенно в зимнее время. Не случайно в городах, где существуют троллейбусные маршруты, дороги, по которым они проходят, являются постоянной «головной болью» дорожных служб. В случае «грузовых троллейбусов» оказалось, что необходимо поддерживать дороги в промышленных зонах в течение всей зимы на уровне центральных улиц, что полностью нивелирует весь экономический эффект от замены двигателей внутреннего сгорания электрической тягой. Безусловно, что троллейные электромобили не могут сколько-нибудь успешно эксплуатироваться в сельской местности в российских условиях (не исключено, что в условиях степных районов юга Средней Азии или других регионов, где не бывает снежного покрова, данный вид транспорта будет вполне реален).

Другой альтернативой развития безрельсового транспорта, в контексте снижения потребления им нефтепродуктов (как основного элемента затрат), является перевод двигателей внутреннего сгорания традиционной конструкции на использование альтернативных видов биологического топлива. К ним относятся метанол, этанол, рапсовый метиловый эфир, рапсовое масло, древесная щепа.

Перевод двигателей внутреннего сгорания на метанол, этанол или же их смеси широко известен. В ряде стран, в частности в Бразилии, на подобной смеси ездят десятки тысяч единиц автотранспорта. Однако метанол (метиловый спирт) в чистом виде может быть применен лишь для дизельных двигателей, а метанольно-этанольные смеси, тем более чистый этанол (этиловый спирт) в российских условиях вряд ли применимы.
В России нет ресурсов для производства дешевого этилового спирта (как в Бразилии, где для этих нужд используется сахарный тростник). Метанол может производиться в значительных количествах из бурых углей, однако технология его производства (как и любой углехимический процесс) весьма экологически опасна, и, по-видимому, наращивание объемов производства метанола до объемов, сопоставимых с потребностями современного автопарка в жидком топливе, тоже следует признать нереальным.

Использование рапсового масла, а также получаемого на его основе рапсового метилового эфира (т. н. биодизеля) представляется весьма перспективным направлением в части повышения самодостаточности сельского хозяйства и противодействия диспаритету цен на сельхозпродукцию и нефтепродукты. Рапс, растение семейства крестоцветных, имеет весьма высокую степень масличности, не требователен к почвам и агротехнике. Существует положительный опыт переоборудования (в части топливной аппаратуры) автотракторных дизельных двигателей. Однако использование чистого рапсового масла вызывает повышенное нагарообразование в камерах сгорания, что приводит к значительному снижению моторесурса. Использование рапсового метилового эфира (RME, biodiesel) осуществляется в настоящее время в Германии и ряде других европейских стран. Топливо, полученное путем этерификации рапсового масла метанолом в специальном реакторе, обладает свойствами, аналогичными высококачественному европейскому дизельному топливу. В частности, его цетановое число составляет до 55–60 (в то время как нормальное цетановое число европейского дизельного топлива стандарта Euro IV составляет 51–55, а российского – лишь 45–48). Биодизель не вызывает повышенного нагарообразования, может применяться в качестве топлива для любого современного дизельного двигателя без каких-либо переделок конструкции или дополнительной адаптации. Следует также отметить, что существенно возрастает экологичность работы двигателя, использующего в качестве топлива биодизель. Все это, бесспорно, делает биодизель лидером среди других видов альтернативного жидкого топлива. Однако существенным недостатком биодизеля является то, что, согласно проведенным исследованиям, объем биодизеля, получаемый с 1 га посевов рапса (при среднеевропейской урожайности семян рапса до 30 ц/га) достаточен лишь для возделывания 2–3 га других культур. Иными словами, при полном отказе от потребления агропромышленным комплексом нефтяного топлива и сохранении механизированного способа обработки земли до 1/3-1/5 посевных площадей должны быть заняты посевами рапса. Понятно, что перевести весь существующий на сегодня автотранспорт на использование в качестве топлива биодизеля представляется совершенно нереальным.

Экзотикой на сегодня представляется перевод автотранспорта на использование в качестве топлива древесной щепы. Между тем этот способ известен давно, и еще в годы Великой Отечественной войны тысячи автомобилей как с советской, так и с немецкой стороны использовали в качестве топлива древесную щепу. Суть данного метода является в установке на автомобиль специального газогенератора, работающего по принципу пиролизного разложения древесины. Переделка самой конструкции автомобиля требуется при этом минимальная. Надо сказать, что автомобиль становится поистине «всеядным» – были случаи, когда в газогенераторы таких машин загружалась и солома, и отходы бумажного производства, и бурый уголь, и даже в Средней Азии традиционное местное твердое топливо – кизяк. Однако газогенераторы имели и свои недостатки. Во-первых, газогенератор представлял собой достаточно внушительную металлическую конструкцию, которая занимала часть полезной площади в кузове автомобиля и снижала его грузоподъемность. Во-вторых, возникала необходимость где-то хранить твердое топливо – его загрузка требовалась каждые 50–60 км пробега.
И в-третьих, пиролизный газ содержал большое количество смолистых веществ, существенно увеличивающих нагарообразование в двигателе и снижающих его ресурс.

Однако в настоящее время данная идея получила развитие в виде стационарных отопительных установок для частных домов, производимых, в частности, фирмами Dakon (Чехия), CTC (Швеция) и рядом других. Общим принципом работы таких установок является наличие газогенератора, где древесное топливо в результате процесса пиролиза преобразуется в горючий газ, используемый затем для работы газового водонагревателя. Надо сказать, что основным потребительским преимуществом газогенераторных котлов является как раз то, что они – единственный вид твердотопливных котлов, требующих хозяйского внимания раз в 12–18 часов. Достигнуто это было за счет применения управляющей электроники, обеспечивающей оптимальный режим работы газогенератора, не допускающей интенсивного выделения смолистых веществ и прочих негативных явлений, которые свойственны газогенераторам прошлого. Вполне вероятно, что подобные газогенераторные установки можно приспособить и для работы на автомобилях, тем более, что средняя энергетическая их мощность может достигать нескольких десятков или даже сотен киловатт. Использование подобных газогенераторов для автотранспорта можно рекомендовать в сельской местности. Однако повсеместного развития газогенераторные автомобили получить не могут, поскольку, учитывая относительно низкую калорийность древесного топлива, ресурсов планеты может попросту не хватить для обеспечения запросов автотранспорта.

Наконец, освещение проблемы обеспечения альтернативным топливом автотранспорта не может быть полным без упоминания синтетического жидкого топлива. Впервые этот процесс был осуществлен немецким инженером и получил название «бергенизация». В основе получения синтетического жидкого топлива из бурого угля лежит синтез Фишера–Тропша, заключающийся в процессе гидрогенизации углерода под действием железного катализатора. Надо отметить, что процесс получения жидкого топлива из угля – чрезвычайно экологически опасен. Так, для получения
1 тонны моторного топлива расходуется свыше 6 тонн бурых углей, образующих в результате синтеза около 5 тонн газообразных и смолообразных отходов. В промышленных масштабах этот процесс был реализован в фашистской Германии в 30-е гг. ХХ века. Максимум производства составил тогда свыше 4 млн тонн жидкого топлива в год. Примечательно, что все заводы по производству синтетического жидкого топлива находились на побережье Балтийского моря, довольно далеко от мест угледобычи – морские бризы уносили часть выбросов, а воды этого моря служили местом захоронения смолообразных отходов. Впоследствии, в 70-е гг. ХХ века, эта технология была
воспроизведена в Южно-Африканской Республике во времена апартеида. Центром производства стал крупнейший угольный порт ЮАР – Дурбан, а объем достигал
20 млн тонн в год. Все это указывает на то, что попытка реализации производства синтетического жидкого топлива внутри континента, в стране с резко континентальным климатом, неизбежно приведет к масштабной экологической катастрофе. Такой способ получения моторного топлива является совершенно неприемлемым для России как континентальной державы.

Решение проблемы обеспечения топливом автомобильного транспорта представляется весьма сложной задачей, альтернативным решением которой может быть уменьшение потребления топлива. Для этого необходимо, особенно в аграрных регионах, найти пути сосуществования различных видов транспортных систем, переложив часть нагрузки автотранспорта на другие виды наземного транспорта.

На основании всего сказанного можно прийти к выводу о том, что автомобильный транспорт, являясь, по сути, самым энергозатратным видом наземного транспорта общего пользования, нуждается в коренном реформировании. В противном случае дальнейшее использование автотранспорта как основы внутрирегиональных перевозок неизбежно станет существенным тормозом на пути регионального развития. От автотранспорта нельзя отказываться полностью – в некоторых случаях только он способен выполнять перевозки, есть немало примеров, когда его использование вполне отвечает магистральным задачам экономического развития. Однако наряду с автотранспортом необходимо развивать и различные виды рельсового транспорта, способные его дополнить.

4.4 Основные технологические направления развития энергетической

инфраструктуры аграрных регионов

4.4.1 Энергетическая инфраструктура на основе использования возобновляемых

источников энергии

Возобновляемые источники энергии как класс традиционно считаются наиболее предпочтительным вариантом энергообеспечения любых территорий. Территория, потребности которой полностью покрываются за счет использования возобновляемых источников, в наименьшей степени подвержена каким-либо негативным факторам, вызванным изменениями в конъюнктуре цен на рынке энергоносителей, при этом имея возможность получить конкурентные преимущества от колебаний цен на энергоносители. При этом даже относительно небольшой объем энергии в общей структуре потребления, получаемый от возобновляемых энергоисточников, делает энергосистемы региона значительно более устойчивыми в экономическом плане, давая реальную возможность к регулированию цен на электроэнергию для конечных потребителей. Бесспорно и экологическое значение возобновляемых источников энергии – учитывая необходимость сокращения выбросов в окружающую среду, а также ограниченность запасов органического топлива, возобновляемые источники являют собой, по сути, «стратегический энергетический резерв» современной цивилизации. Энергетическая инфраструктура на основе возобновляемых источников является идеальным вариантом, однако её воплощение зависит от многих физико - и экономико-географических факторов, не всегда являясь возможным.

Под возобновляемыми источниками энергии понимаются, прежде всего, гидроэлектростанции на реках и приливные электростанции, ветровые и гелиоэлектростанции, электростанции на основе геотермальных источников. По уровню технологической отработанности все перечисленные виды неравноценны, однако фактором, объединяющим их, является то, что все они не требуют сколько-нибудь значительных ресурсов на эксплуатационные нужды. Эффективность перечисленных возобновляемых источников, в том числе и экономическая, также весьма неравнозначна.

Основой возобновляемых источников энергии является в настоящее время гидроэнергетика. Именно гидроэлектростанции различных типов и, как правило, относительно небольшой мощности могут быть основой региональной энергосистемы в регионе аграрной специализации. Гидроэлектростанции на сегодня способны обеспечивать наиболее низкие (среди известных на сегодня способов) показатели себестоимости выработки электроэнергии.

Важным достоинством малой гидроэнергетики является то, что создание генерирующих мощностей возможно практически на любых реках, это максимально приблизит их к местам потребления. В России развитие малой гидроэнергетики возможно в большинстве регионов в той или иной степени. Конечно, лишь в небольшом числе российских регионов возможно полное удовлетворение местных энергетических потребностей только за счет собственных генерирующих мощностей такого рода. Однако частичная компенсация энергетических потребностей региона за счет, по сути, дарового природного источника энергии способна существенно воздействовать на местный рынок электроэнергии, создав предпосылки для развития территории.

Поиск и реализацию возможностей малой энергетики необходимо производить в большинстве российских регионов аграрной специализации, учитывая то, что в настоящее время этот потенциал практически не реализован.

Малая гидроэнергетика, несмотря на кажущиеся незначительные масштабы, является достаточно значимым средством обеспечения энергетических потребностей многих и многих аграрных регионов России. Ведь согласно принятой классификации, к категории малых гидроэлектростанций (МГЭС) относятся все станции, имеющие установленную мощность менее 30 МВт. Годовая выработка электроэнергии, даваемая гидроэлектростанцией с установленной мощностью 15-20 МВт, вполне достаточна для обеспечения энергетических потребностей среднего административного сельского района. До середины ХХ века малые ГЭС довольно активно строились в СССР, к сожалению, в настоящее время большинство из них находится в разрушенном состоянии. Впоследствии, в 60-70-е годы ХХ века, приоритет был отдан крупным электростанциям и развитому энергосетевому хозяйству. При этом надо сказать, совершенно не учитывался тот факт, что энергосистема с развитым энергосетевым хозяйством, объединяющая много электростанций различной мощности, в т. ч. и много относительно небольших электростанций, будет иметь на порядок большую устойчивость от любых внешних воздействий. В настоящее время недостаток этой концепции особенно остро ощущается в Западной Сибири, где традиционно делалась ставка на крупные тепловые электростанции, использующие органическое топливо, и нет потенциала строительства сколько-нибудь крупных ГЭС (по сравнению с той же Восточной Сибирью). Надо отметить, что решение задачи полного обеспечения энергетических потребностей только за счет возобновляемых источников энергии возможно в случае сетевого объединения весьма большого числа гидроэлектростанций различной мощности. На сегодня это доказано практикой, в частности, на примере энергосистемы Норвегии, где 99,7 % потребляемой в стране электроэнергии вырабатывается на гидроэлектростанциях. Конечно, это горная страна, но надо отметить, что потенциала строительства крупных электростанций там практически нет. Тем не менее норвежцы предпочли брать количеством, построив свыше 6000 электростанций, около 90 % которых могут быть отнесены к категории малых. Результатом стала самая экологически чистая в мире на сегодня энергетика. Конечно, такого результата во многих регионах России добиться просто невозможно – хотя бы с географических позиций. Однако существенно снизить долю электроэнергии, вырабатываемой за счет сжигания органического топлива (что приобретает особое значение в связи с ратификацией Киотского протокола), вполне возможно.

Малые ГЭС можно условно подразделить на следующие группы:

1)  ГЭС с напорными плотинами различного типа;

2)  деривационные ГЭС, использующие энергию течения реки;

3)  компенсационные ГЭС, монтируемые на различных гидротехнических сооружения, водосбросах и т. п.

Наибольший интерес с точки зрения развития региональной энергетики представляют, безусловно, ГЭС классической компоновки с напорными плотинами. Сами плотины могут быть различных типов, однако на практике у ГЭС небольшой мощности чаще всего встречаются каменно-набросные плотины. Плотины данного типа являются наиболее дешевым вариантом подобных сооружений, их стоимость, как правило, не превышает 30–40 % от стоимости создания железобетонной плотины таких же размеров. Учитывая то, что малые ГЭС строятся обычно на относительно небольших реках, с не слишком бурным течением, земляные, каменно-набросные плотины следует признать наилучшим вариантом. Хотя возможны и исключения – например, на горных реках в случае значительного перепада высот и невозможности (или недостаточности) деривационной ГЭС без бетонной плотины не обойтись. Установленная мощность МГЭС может колебаться от десятков до нескольких десятков тысяч киловатт. В качестве основных гидроагрегатов используются, как правило, гидротурбины пропеллерного типа с горизонтальным валом – для электростанций относительно небольшой мощности – до 1–2 МВт. Для электростанций большей мощности используются классические, радиально-осевые турбины с вертикальным валом. Основным достоинством турбин пропеллерного типа являются их компактные размеры, возможность модульного исполнения и относительно невысокая стоимость. Главный же их недостаток – это значительно меньший ресурс, чем у радиально-осевых, вызванный большими вибрационными нагрузками. Радиально-осевые турбины – многократно апробированный вариант машинного оборудования гидроэлектростанций, имеющий высокую степень надежности. Надо сказать, что свыше 90 % эксплуатируемых на сегодня гидротурбин относятся к этому типу. Главным их достоинством является возможность обеспечить ресурсные показатели, гарантирующие несколько десятилетий работы без ремонта турбинной части. Российской промышленностью выпускается широкая номенклатура гидротурбин радиально-осевого типа различной мощности – от 0,5 МВт до 640 МВт для различного напора воды – от 3,5 м до 300 м. Опыт эксплуатации гидроагрегатов такого рода, накопленный за предыдущие десятилетия, позволяет гарантированно обеспечивать стабильную работу практически любых гидроагрегатов данного типа. Пропеллерные турбины распространены в меньшей степени, однако их главным достоинством является то, что их можно использовать для электростанций очень небольшой мощности, обеспечивающих электроэнергией небольшой населенный пункт, факторию, фермерское хозяйство. Их стоимость невелика, существуют варианты гидротурбин такого рода (стоимость 1500–2000 usd), т. е. доступных по цене даже частным лицам. Монтаж гидротурбин пропеллерного типа возможен без участия квалифицированных специалистов, особенно это касается гидроэнергетических установок в блочно-модульном исполнении (выпускаются НПО «Гидроэнергопроект» на базе «Ленинградского металлического завода» (ЛМЗ)). Это немаловажно, поскольку в отдаленных районах, где существует наибольшая необходимость в такого рода установках, расходы на привлечение специализированной бригады монтажников могут составить львиную долю стоимости проекта, особенно если речь идет о небольшой станции мощностью одну-две сотни киловатт.

Однако небольшие, обособленные малые ГЭС имеют весьма низкую эффективность и не являются оптимальным вариантом энергоснабжения. Причиной этому является то, что ГЭС как класс электростанций не способна обеспечивать стабильный объем вырабатываемой мощности в течение всего года. Объем электроэнергии, вырабатываемой ГЭС, зависит от гидрологических особенностей реки, на которой она стоит,
емкости её водохранилища и ещё от многих факторов. Обособленная МГЭС может оказаться просто не способна в определенные периоды года обеспечивать электроэнергией всех потребителей в соответствии с их потребностями.

Практикой доказано, что обеспечивать приблизительно равномерный заданный уровень мощности способны лишь каскады гидроэлектростанций. Они дают возможность осуществления водорегуляционных работ, накапливая значительные запасы воды в системе водохранилищ и их равномерное срабатывание в течение всего года. При этом каждая из электростанций каскада может не иметь ни выдающихся показателей мощности, ни значительного объема водохранилища. Нарушение этого правила строительства каскадов ГЭС приводит обычно к крайне неравномерной выработке электроэнергии в различные периоды года. Особенно этим отличаются гидроэлектростанции, находящиеся в высокогорной местности. Несмотря на их кажущуюся эффективность, электростанции такого рода (ярким примером является Саяно-Шушенская ГЭС с Майнским контррегулятором и уменьшенная копия этого проекта – не реализованный проект Катунской (Еландинской) ГЭС с Чемальским контррегулятором) большую часть года способны выдавать не более 50 % от установленной мощности.

В таких случаях энергосистема попросту не может существовать без генерирующих мощностей иных типов, компенсирующих сезонные пики в работе гидроэлектростанций. Таковы, в частности, практически все сибирские ГЭС (за исключением, пожалуй, Ангарского каскада, где в роли водохранилища, обеспечивающего запас воды, выступает озеро Байкал). Не случайно в 70–80-е гг. ХХ века намечалось создание в Сибири генерирующих мощностей ГЭС, покрывающих не выше 50-55 % общесибирских потребностей, а остальные предполагалось закрывать за счет электростанций на органическом топливе.

Отдельные (вне каскадов) электростанции, имеющие длительный период работы на максимальной установленной мощности, также не лишены недостатков – примером тому служит Обская ГЭС, которая при относительно небольшой мощности является едва ли не рекордсменом по объему водохранилища (и, соответственно, затопленным сельхозугодьям).

Однако в существующих условиях, учитывая значимость экологического фактора, представляется весьма актуальным увеличение доли электроэнергии, вырабатываемой на гидроэлектростанциях.

Значительно увеличить эту долю при относительно небольших капитальных вложениях возможно на основе развития малой гидроэнергетики. Потенциал малых рек в настоящее время использован незначительно, и что немаловажно, существует очень много таких рек, где возможно строительство МГЭС вблизи населенных пунктов, в зоне действия крупных энергосистем. При этом строительство каскадов малых ГЭС, состоящих из 10–15 малых ГЭС средней мощности (10–25 МВт) эквивалентно уже одной, достаточно крупной ГЭС, требующей значительно больших капитальных вложений (уже хотя бы потому, что ГЭС такой единичной мощности могут возводиться почти всегда только на судоходных реках – исключения составляют высокогорные ГЭС). При этом суммарный объем водохранилищ каскада ГЭС будет существенно меньшим по своему объему, чем одной гидроэлектростанции большей мощности. Объясняется это тем, что в рамках каскада ГЭС вода проделывает работу столько раз, сколько каскадов имеется в системе.

Надо отметить, что в каждом случае строительства малой ГЭС площадь земель, изымаемых из хозяйственного оборота, весьма незначительная и не превышает сезонные изменения в структуре землепользования. Каскад гидроэлектростанций малой мощности может позволить аккумулировать значительные объемы воды, не затапливая непойменных земель и, соответственно, не нанося никакого ущерба сельскому хозяйству. Напротив, накопление влаги на пойменных землях (а в некоторых случаях и их расширение) способно существенно улучшить кормовую базу животноводства
(именно эта отрасль сельского хозяйства является наиболее рентабельной в Сибири), это дает основание предполагать, что строительство МГЭС может иметь дополнительный стимулирующий эффект для развития ряда отраслей сельского хозяйства.

Безусловно, управление каскадом ГЭС должно осуществляться единым центром. Общее диспетчирование в рамках одного каскада – это совершенно необходимая мера для равномерной выдачи мощности каскадом в течение всего года при минимальном ущербе для окружающей среды. Эта мера позволит обеспечить небольшие колебания уровня воды в водохранилищах – т. е. проблема сезонного подтопления земель, столь типичная для сельских территорий, может полностью сойти на нет.

Надо сказать, что эксплуатация одиночной станции в составе каскада может иметь относительно невысокую прибыльность. Однако, как правило, работа наиболее эффективных станций каскада напрямую зависит от наличия и объема накопленной воды в водохранилищах станций, стоящих выше по течению реки (электростанции в верховьях рек имеют худшие показатели эффективности). Поэтому, было бы несправедливо подходить к проблеме управления иначе, чем в рамках единого каскада. Исключением являются совсем небольшие электростанции, мощностью 100–500 кВт и менее. Здесь затраты на создание управляемого каскада (даже если он физически и существует), т. е. создание энергосетевой инфраструктуры, объединяющей все станции (которые могут быть отдалены друг от друга на десятки километров), не оправдаются теми выгодами, которые может обеспечить данное мероприятие. Электростанции такого рода могут использоваться для питания отдаленных и обособленных потребителей, при этом хозяйственную деятельность неизбежно придется адаптировать к циклам изменения их мощности. Гарантированный объем электроэнергии на протяжении всего года при помощи таких электростанций возможно получать только при наличии либо других энергоисточников, либо при подключении к централизованной энергосистеме, используя МГЭС для снижения издержек на электроэнергию. Это не относится к компенсационным МГЭС, как правило, имеющим подобную мощность, – они имеют весьма стабильный режим работы и способны выдавать равномерный объем электроэнергии в течение всего года.

Другой класс гидроэлектростанций – приливные ГЭС – в российских условиях малоупотребим, а в Сибири – не возможен вовсе. Вероятно, в перспективе такие станции (в т. ч. и относительно небольшой мощности) получат достаточно широкое распространение в Норвегии и на Русском Севере, где строение береговой линии включает в себя значительное число фиордов и губ разного размера, что является необходимым условием для строительства приливных электростанций. Существует весьма положительный опыт эксплуатации таких ГЭС, накопленный опытной эксплуатацией Кислогубской приливной электростанции.

Ветряные электростанции (ВЭС) являются следующим после ГЭС по степени распространенности возобновляемым источником энергии. Строительство ВЭС возможно на территории многих регионов Сибири, в т. ч. и тех, где создание других возобновляемых источников энергии попросту невозможно – в частности, в некоторых степных районах Алтайского края. Однако ВЭС как возобновляемый источник электроэнергии существенно не менее эффективны, чем гидроэлектростанции. Причин этому несколько: во-первых, это достаточно высокая стоимость сооружения ВЭС; во-вторых, как правило, небольшая единичная установленная мощность одной установки (крупными считаются ВЭС установленной мощностью 1 МВт и более); в-третьих, непредсказуемость работы ВЭС, её зависимость от атмосферных явлений.

Действительно, ВЭС – это, как правило, достаточно внушительная высотная конструкция, для создания и монтажа которой необходимы значительные ресурсы. При этом, учитывая, что основным местом строительства ВЭС являются горные, степные, нередко труднодоступные районы, стоимость строительства ВЭС находится на довольно высоком уровне. На сегодня не найдено способов снизить его, предполагается, что наиболее действенным направлением будет повышение КПД ветровых двигателей. Ветровая электростанция по стоимости 1 кВт установленной мощности находится на уровне, как минимум, атомных электростанций, т. е. стоимость 1 кВт установленной мощности составляет не менее 3500–5000 usd. При этом единичная мощность ветроэнергетических установок, как правило, невелика. В среднем она колеблется от
1–1,5 кВт до 100–120 кВт. Установки мощностью 0,5–1 МВт весьма редки, а стоимость их сооружения (из расчета на 1 кВт установленной мощности) повышается в несколько раз.

Надо сказать, что ветроэнергетические установки не имеют до настоящего времени практического значения и не перешли на сегодня грань опытно-промышленной эксплуатации. За период их эволюции были созданы и апробированы следующие их виды: 1) установки с горизонтальным крыльчатым ротором (быстроходным или тихоходным), поворачиваемым навстречу потоку ветра; 2) установки с вертикальным ротором различных типов; 3) башенные, туннельные и иные конструкции с закрытым ротором.

Наибольшее распространение получили установки с горизонтальным крыльчатым ротором, имеющим две-три лопасти (быстроходный ротор), или 6–18 лопастей (тихоходный ротор). Коэффициент полезного действия быстроходного ротора таких ветроустановок не превышает 0,27–0,28, а тихоходных – 0,12–0,14. Быстроходные ветроустановки способны работать при значительной скорости ветра – не менее 5–8 м/с, тихоходные – менее требовательны к ветровым условиям и работают уже при скорости
ветра 2–5 м/с. Все ветроустановки такого рода должны иметь возможность поворота ротора навстречу направлению ветра, для чего обычно на них присутствует дополнительный механизм ориентации. Их основным недостатком является невысокая единичная мощность и весьма внушительные габариты. Так, для обеспечения мощности в
50 кВт при скорости ветра в 5 м/с установка с трехлопастным ротором должна иметь диаметр последнего не менее 45 метров. Например, в 1935 году в Крыму на горе
Ай-Петри была смонтирована ветроустановка с двумя быстроходными, 4-лопастными роторами диаметром 50 м с суммарной установленной мощностью 100 кВт. В Голландии с 1977 года эксплуатируется ряд ВЭС с диаметрами трехлопастных роторов до 80 м (используются крылья самолетов Boeing 727, Caravella и др., отлетавших свой ресурс) и установленной мощностью не более 100–150 кВт. Понятно, что такие ветроустановки представляют собой весьма внушительные инженерные конструкции, сооружение и монтаж которых будут весьма длительное время окупаться при столь незначительной мощности.