Статья опубликована как полемический материал, мнение редакции может не совпадать с мнением авторов. Авторы готовы к дискуссии.
Использование возобновляемых источников энергии давно стало «священным Граалем» современной цивилизации. В Европе оно имеет чёткую цель — предполагается к 2035 году покрыть за счёт альтернативных источников до 27 % энергопотребностей Евросоюза. У Российской Федерации более скромные планы (если не сказать «никакие»), причём лишь до 2020 года. В них включено создание отечественных энергоустановок на ВИЭ для достижения 4,5 %-й доли в энергобалансе, причём вклад гидроэнергетики планируется снизить с 19 до 13 %. И напрасно — являясь страной с очень большой территорией, до 60 % которой не охвачено централизованным энергообеспечением, но имеет большое количество «малопотенциальных» водотоков (речек с расходом от 20 л/с до 3 м³/с), множество различных водоёмов (в том числе искусственных), разбросанных по всей территории страны, а также морей и океанов, Россия могла бы получить существенную прибавку «чистой» энергии — возможно, до 100 % энергообеспечения многих регионов при серьёзном подходе к этой теме. Причём исключительно собственными генерациями за счёт внедрения новых разработок в малой гидроэнергетике авторства отечественных изобретателей.
Нет надобности тратить огромные деньги на импортные энергоустановки, работающие на альтернативной энергии, на гектары полей солнечных элементов, которые по способу эксплуатации почти не отличаются от топливной энергетики. У них та же схема доставки энергии (ЛЭП), те же трансформаторы, те же монополии и та же ненадёжность для отдалённого потребителя. Только тарифы выше.
Жизнь на планете невозможна без воды (питьевой) и электроэнергии. Вся наша трудовая и умственная деятельность сосредоточена на сохранении и воспроизводстве этих двух основных составляющих жизни. Пресную воду мы должны сохранять — её в мире всего 3 % и только половина пригодна для питья, а электроэнергию — производить, беречь и приумножать, но так, чтобы она не вредила нашему существованию, была постоянно доступна и не разорительна по цене.
Современное использование ВИЭ повторяет ошибки периода появления и бурного развития топливной энергетики в начале ХХ века. Если в первой половине прошлого века электроэнергию получали в основном от крупных гидроэлектростанций и ТЭС, то уже к концу века больше её половины извлекали сжигая углеводородные ресурсы и эксплуатируя АЭС.
Мы тратим огромные средства на добычу, транспортировку и технологии переработки любого топлива, на дорогостоящую доставку энергии потребителю, на утилизацию отходов топливных ресурсов (те же свалки), и испытываем много других «мелких» неудобств. То же самое повторяется, но уже с дорогостоящей альтернативной энергетикой на ВИЭ. Пока свалок от неё мало, ведь утилизация отработанных ветряков и солнечных элементов, в том числе аккумуляторов энергии, ещё впереди, но для Запада это уже проблема.
На сегодняшний момент самыми безопасными и быстро восполняемыми из всех видов декларируемых «безопасными» энергетических технологий являются основанные на использовании водной энергии, затем воздушной (в том числе ветровой) и солнечной. Однако энергоустановки, которые сегодня преобразовывают силу воды и ветра и энергию Солнца, уже не считаются экологически безопасными. Мы имеем в виду крупные пропеллерные «ветряки» западного производства и ветропарки из них, а также солнечные элементы с малым КПД. Сюда же относятся гидроэнергетические объекты, представленные в основном крупными и малыми быстро стареющими плотинными ГЭС с большим «букетом» неудобств и потенциальных сезонных неприятностей, которые запросто могут перерасти в трагедии.
Но именно гидроэнергетика должна выйти на первое место среди триады возобновляемых источников, если к ней присоединится малая энергетика, работающая на низкопотенциальной энергии небольших речек, хозяйственных и промышленных стоков, по схеме «возвращаемой энергии», потенциальной энергии стоячих водоёмов и энергии морей, донных и поверхностных течений, приливной и волновой энергии при условии введения новых принципов отбора энергии (без плотин и барьеров) и наличия новых генерирующих установок.
Ветровая и плотинная ГЭС и примкнувшие к ним солнечные элементы с низким КПД очень дороги, а их применение ограничено по территориальному и природному признакам. Причём солнечная энергия у нас пока эффективно служит только космосу. Ветровые электростанции на Западе уже пытаются вынести в море или ищут «безопасные» турбины, способные заменить пропеллерные, которые изготавливаются по дорогостоящим авиационным технологиям. В России (да и в других странах) использование энергии ветра и солнца сопряжено с большими затратами на монтаж, эксплуатацию, защиту от природных катаклизмов и даже кибератак. Кроме того, дорогая доставка этой «чистой» энергии всё равно производится через трансформаторы и ЛЭП.
В качестве доступной и «чистой» энергии рациональнее использовать энергию небольших «низкопотенциальных» водотоков, что может быть одним из наиболее эффективных направлений развития энергетики на ВИЭ. Это одна из реальных возможностей решения проблемы электроснабжения отдалённых энергодефицитных регионов, занимающих более 60 % территории России, где нет распределительных линий электропередач и куда доставка органического топлива сопряжена с большими техническими и финансовыми трудностями.
Речь идёт о территории Сибири, особенно по кромке арктических морей и на юг, вглубь материка, до 1000 км и более. Это горные и предгорные регионы и приморские береговые территории.
Россия — одна из наиболее водообеспеченных стран мира, к тому же она обладает одним из наибольших в мире запасом воды во внутренних водоёмах. Поверхностные внутренние воды занимают 12,4 % территории России, не считая окружающих морей. Общая протяжённость российских рек превышает 8 млн км (при этом 95 % рек имеют длину менее 100 км и их энергетическая мощность, по мнению изобретателей, огромна, но почти не используется).
А ведь каждый квадратный метр речки или один кубометр стоячего водоёма — это условно 1–1,5 кВт энергии. Умножьте на протяжённость 8 млн км рек и периметр берегового уреза всех водоёмов, и вы получите энергопотенциал, существующий непосредственно для потребителя — без ЛЭП, ТЭС, АЭС, ветрои солнечных парков. К этому гигантскому водному ресурсу присоединяется воздушный потенциал, в том числе ветер и солнце. Эти ресурсы не надо добывать, перевозить, перерабатывать — они повсюду, вокруг нас, их надо только правильно и эффективно использовать рациональными типами энергоустановок.
В России экономический потенциал малых и больших рек использован примерно на 0,03 %. Но в нашей стране есть ещё 20 % территорий, где нет никаких водных источников, но для них тоже нужны энергосистемы, в том числе и комбинированные. Они уже разработаны и продолжают разрабатываться российскими изобретателями.
Аналитики считают, что для дальнейшего быстрого развития экономики развивающиеся страны и Российская Федерация ещё долго будут использовать нефть, газ, уголь и торф.
Да, до 2050 года нефть будет нужна, частично как топливо и всё больше — как химическое сырье. Но может ли в этот процесс вмешаться быстрый рост различной, уже ставшей традиционной «альтернативы», особенно зарубежной? Россия в сегменте альтернативной энергетики отстаёт от среднемировых показателей в несколько раз (без учёта 17 % ГЭС). Хотя в 2010 году Правительство Российской Федерации и наметило увеличение использование альтернативной энергетики (НВИЭ) к 2020 году почти в шесть раз (до 4,5 %), всё равно это в десять раз меньше европейского назначения к 2030-м годам (рис. 1).
Вот такое тревожное состояние энергетики, по прогнозам аналитиков и специалистов, ожидает нас в ближайшем будущем. 99 % российской энергетики по тем или иным причинам является угрожающей для человека и уязвимой в экономическом плане — чего стоят только одни стареющие ГЭС! И к 2030 году это станет «моментом истины» (рис. 2).
«Для того, чтобы вернуться к росту ВВП, России следует забыть о существовании нефти как топлива», — об этом заявил лауреат Нобелевской премии по экономике, руководитель лаборатории исследования экономического роста СПбГУ Кристофер Писсаридес.
А мы уже являемся «заложниками» экономики Запада, его потребности в углеводородном топливе, в основном — газе. И эта «удавка» с каждым днём всё туже. Мы думаем, что «держим их на привязи» и обогащаемся. То количество нефти, а может, и газа, которое ещё будет необходимо для стран-импортёров, они скорее возьмут у других «нефтяников» из политических соображений.
Что же получится? Устаревшие морально и технически ВЭС и гелиоустановки придут из-за рубежа (они уже здесь) или точно такие же будем производить мы сами на своих «отвёрточных» заводах по авиационным технологиям, электротранспорт (который уже не «чистый») тоже оттуда, да и бестопливные технологии (особенно в энергетике) тоже будут западные. А платить нечем — нефть наша совсем подешевеет, или от неё вообще откажутся. Ещё и на ядерную энергетику объявят мораторий, особенно на российскую. Нефтедобывающие «партнёры» и «друзья» могут перессориться из-за делёжки рынков сбыта.
Выход один — как можно быстрей и интенсивнее развивать собственную альтернативную энергетику, но учитывать, что уже ставшие традиционными некоторые виды так называемой «чистой» энергии сейчас очень дороги и опасны для природы и людей — тратить на неё время и деньги, повторяя ошибки Запада, мягко говоря, нерационально.
Напомню, что традиционная ветровая (пропеллерная) энергетика признана западными учёными и врачами вредной. Опасны и линии электропередач — электромагнитный фон городов и предприятий высок из-за паутины проводов и т.д. Запад, спасая свою атмосферу, лихорадочно ищет безопасные и эффективные источники генерации энергии, в том числе и в России — у наших отечественных изобретателей. Вот почему крупные энергетические концерны бросились поддерживать программу «Сколково». Они устраивают для нашей талантливой молодёжи конкурсы с хорошими грантами по всем вузам и школам России, обнаруживая одарённых ребят. Теперь всё можно получить в одном месте, как в аквариуме — всё видно и все доступны, только вылавливай. Мы «экспортируем» талантливых молодых новаторов, а импортируем безграмотных гастарбайтеров. Повторимся — из всех сравнительно безопасных видов энергетических технологий самыми безопасными и быстро восполняемыми являются гидроресурсы, во всех их проявлениях. Но установки, использующие энергию воды, в основном должны быть не пропеллерного типа (под водой тоже пытаются использовать пропеллеры), а основанные на новых принципах отбора энергии.
Солнечная энергетика пока довольно дорогая. КПД устройств очень низкое, хотя учёные уже с 2015 года обещали довести КПД до 30–40 %.
«Предстоит внедрить новые технологии в генерации и передаче энергии. В ближайшие шесть лет на обновление отечественной электроэнергетики планируется привлечь около полутора триллионов рублей частых инвестиций. По всей стране на цифровой режим работы должны перейти системы электроэнергетики. С помощью так называемой “распределённой генерации” нужно решить вопросы энергоснабжения отдалённых территорий», — сказал Президент РФ В. В. Путин.
Большой резерв прироста энергетики, причём в любом регионе страны, может дать малая гидроэнергетика (бесплотинная), если к ней причислить реки и ручьи с расходом от 20 л/с и выше (гидроэнергетика рек сверхмалых потоков), которые совсем не используются. То же самое — в любой другой стране. К естественным малым потокам надо прибавить энергетику стоячих водоёмов и искусственно созданных водоёмов, производственные стоки и разогнанные искусственно потоки. Соответствующие энергоустановки уже есть у наших изобретателей, они десятки лет демонстрируются на выставках, о них пишут в журналах. Запад уже пользуется многими видами установок микроэнергетики. В горных регионах каждый водопад, речка и ручей с расходом от 20 л/с — уже мощный неиссякаемый энергоресурс, имеющий хорошую динамику потока и достаточную потенциальную энергию воды (фото 1).
Например, схему для малых гидроэлектростанций (фото 1) предложил австрийский изобретатель Франц Цотлётерер (Franz Zotlöterer) в своём проекте Wasserwirbeltechnik («Техника водоворота»). Без использования плотины часть потока вблизи берега отводится в специальный канал, направляющий воду к спиральному лотку. Напор создаётся на расстоянии около 1,5 м. Это бетонный или из другого материала цилиндр, к которому вода подходит по касательной, «обрушиваясь» в центре на турбину. В центре цилиндра образуется водоворот, который и закручивает поток, а потом выбрасывает его на турбину, расположенную на выходе. Мощность такой малой гидроэлектростанции составляет от 10 до 40 кВт.
Молодые изобретатели Института природообустройства (МСХА), МИИТ и РУДН (члены Молодёжного творческого коллектива «iзобретатель») подобные установки запатентовали уже давно, более десяти лет назад. Они поставили две турбины — одну сверху водоворота, так называемую «плавающую» (использует динамику водоворота), другую — на выходе горизонтального потока, типа ковшовой (использует динамику струи через ускоритель потока).
Есть и варианты подобных спиральных гидроэлектростанций с оригинальными турбинами, которые значительно расширили диапазон применения подобных микро-ГЭС. В их случае закрученную воду пускают по внешней спирали, что позволяет увеличить диаметр кольца и мощность подобной гидроэлектростанции. Также можно предложить другие турбины, в том числе планетарные.
Турбины и генераторы устанавливаются сверху бассейнов, что удобно при эксплуатации и ремонте. Разнообразие подобных ГЭС велико, они соответствуют местным условиям эксплуатации и легко изготовляются самим потребителем практически из подручного материала, а также несложно масштабируются в каскад. Таким образом, это технология, максимально приближенная к потребителю. Кроме того, отпадает необходимость затапливать огромные территории и строить ЛЭП. Разработана своя оригинальная технология изготовления железобетонных колец (безопалубочная, непосредственно на полигоне), а турбины для малых ГЭС изготовляются в комплекте из полимерных материалов или даже из дерева (водостойкой фанеры).
В Московском государственном университете природообустройства имени А. Н. Костякова (МГУ Природообустройства), Российском университете дружбы народов (РУДН) и Российском университете транспорта (МИИТ) молодыми новаторами предложены и разработаны импульсные ГЭС, работающие как от естественного потока и напора, так и от искусственно созданных импульсов. Можно использовать небольшой напор и отбор мощности потока от малых речек, причём подобные «ГЭСики» могут располагаться каскадом вдоль реки или на отводном искусственном быстротоке, а река с её хрупкой биосистемой остаётся в покое. Импульсные ГЭСы могут использовать и динамику сточных вод высотных зданий или промышленных предприятий. Ну, а те, кто живёт вдоль берегов морей, океанов, озёр и др. водоёмов (в том числе искусственных), могут рационально и эффективно использовать неиссякаемую энергию морских течений, приливов, энергии волн, гидроаккумулирующих водоёмов в комбинации с пневмоэнергетическими установками нашей разработки, аналогов которых на Западе пока нет.
Эти новации были освещены в докладах на Межвузовском форуме в РУДН в ноябре 2017 года, а в декабре эти же доклады были заслушаны в «Сколково». Существующие технологии (гравитационные) использования силы давления массы воды у всех плотинных ГЭС не отвечают современным экологическим и рациональным требованиям, и тем более им не отвечают малые плотинные ГЭС. Гидротурбины — огромные, металлоёмкие (с точки зрения расчёта на киловатт мощности), дорогие, — требуют наличия напорных плотин и водных накопительных водохранилищ. Современные приливные электростанции тоже трудозатратны в возведении и не обходятся без перегораживающих дамб или плотин. Все эти сооружения, в том числе подводные западные «гидряки» и ветропарки, удалены от потребителя, что усложняет и удлиняет ЛЭП (а это более 70 % стоимости единицы мощности).
Из всего количества вырабатываемой электроэнергии сегодня в России больше 80 % даёт топливная энергетика (АЭС тоже относятся к ней), но снижение этой цифры должно происходить в основном за счёт развития малой и сверхмалой гидроэнергетики, в том числе индивидуального пользования (во всех её видах и проявлениях), особенно в отдалённых от центрального энергоснабжения регионах, на дальних предприятиях или в заповедных местах, в воинских частях и заставах.
Очевидно, что мы не получим прирост энергии за счёт реконструкции старых плотинных ГЭС (гигантских, средних и малых ГЭС) — это очень дорогое мероприятие, а прибавку мощности ГЭС после реконструкции почти не дают — продлевается только их агония старения. Поэтому доля ГЭС до 2020 года сократится с 19 до 13 % (по планам правительства).
Правда, есть идеи у российских изобретателей — ими предложены рациональные проекты, которые обещают сохранение или даже прибавку мощности от ремонтируемых существующих ГЭС всех типов даже после сноса плотин и спуска водохранилищ. Но это отдельная тема, над которой пока работают отечественные изобретатели и специалисты.
Традиционная «большая» гидроэнергетика загубила себя и окружающую природу использованием только потенциальной (гравитационной) энергии воды, а не динамической, с расчётами присоединённой массы, особенно на малых реках. На это следует обратить пристальное внимание: естественные и искусственные русла должны служить образцом в конструкции труб и каналов — это основной закон биогидравлики. Любое вмешательство в естественное течение реки — преступление, потому что нарушается сложное закрученное движение воды. Больше не образовываются воронки, которые, как миниатюрные циклоны, всасывают воздух, и при разливах вода перестаёт «дышать».
Именно поэтому продолжают гибнуть реки, на которых возведены плотины, — из-за гниения донных отложений и отходов производств всех городов и предприятий вдоль рек. Волжский каскад ГЭС, да и любые другие крупные ГЭС потенциально опасней российских и европейских атомных электростанций.
Ныне разрабатываются и уже существуют технологии (в том числе и нашего коллектива) спуска малых водохранилищ и возврата земель к хозяйственной деятельности. Кстати, в США уже снесено около 200 плотин, а реки отданы для воспроизводства ценных пород рыб местному населению, в том числе местным индейцам. У нас в стране имеются обратные, негативные примеры. В частности, пример реки Лососинка в Карелии. От неё осталось одно название — после возведения плотины небольшой ГЭС рыба исчезла, а убирать эту плотину никто не собирается… Об альтернативе крупным ГЭС не хотят и слушать. Стоимость потерь рыбных запасов превышает стоимость энергии от этой ГЭС-«убийцы».
Если эта плотина необходима только для того, чтобы получать электроэнергию, то изобретатели могут предложить проект компенсации энергии после сноса плотины и возврата речки в прежнее состояние для обеспечения условий воспроизводства лососёвого поголовья. От бурной речки Лососинки (на фото) можно получить энергии больше, чем от ГЭС с плотиной, да ещё и поголовье лосося восстановится. Администрация Карелии должна рассмотреть это предложение. Оно может служить альтернативой закупки и установки ветропарка на западе Мурманской области.
В России есть проекты, позволяющие после спуска водохранилищ продолжить эксплуатацию трансформированных плотин с сохранением генерации энергии от 50 %. Нужны эксперименты. Разработаны технологии восстановления рыбных запасов многих рек и водоёмов, включая ценные породы рыб, в том числе лососёвые и осетровые, причём без искусственного кормления, что может с лихвой компенсировать потери и затраты от сноса плотин. Новыми технологиями воспроизводства ценных пород рыб и восстановления чистоты рек и водоёмов наш творческий коллектив тоже занимается с поддержкой специалистов соответствующих фирм, в частности, «Коловрат» и «Катос».
Нам повсеместно нужна индивидуальная энергетика на принципе «собственной генерации». Эти принципы генерации ещё не используются на Западе. Всё это поможет резко уменьшить использование топлива при любой отдалённости хозяйств, развить или удешевить энергозатраты среднего и малого бизнеса, включая фермерство, и ускорить очистку атмосферы от вредных выбросов, а землю — от использованных бочек из-под топлива (вся тундра и тайга забита этой тарой). Это позволит сохранить в чистоте реки, фауну и флору. Такие технологии и энергоустановки уже есть, они скоро «заполонят» весь Интернет и технические журналы. Это единственная возможность дать людям создать собственную энергетику для малых, средних хозяйств и частного (индивидуального) пользования.
На мазут и другое топливо государство давало деньги, наши народные налоги, а просто нагнуться и взять энергию земли или воды, или «поймать» энергию воздуха, включая ветер, чиновникам уже нет смысла и охоты — хлопотно. А если они и стараются строить ветропарки или солнечные станции, то только по западным проектам с их заоблачными ценами. При этом расплачиваться за эти проекты много лет будем именно мы, даже если они уже не будут работать.
В дополнение к предложенным генерациям на этапе развития самоэнергообеспечения в качестве сырья для дополнительной локальной генерации предложены переработанные отходы деятельности человека, особенно промышленные и сельскохозяйственные, или переработка канализационных стоков с получением горючего газа — это новейшая инновационная технология, основанная на использовании сверхкритических флюидов (СКФ) и разработанная молодыми новаторами группы С.В. Бычина.
Такие топливные технологии, как сжигание мусора, могут быть оправданы не только необходимостью его уничтожения для предотвращения образования быстрорастущих свалок — этого мало. В результате уничтожения должны генерироваться применимые в дальнейшем газы, тепло и энергия — как попутные ресурсы.
Наш коллектив готов участвовать с проектами очистки вдоль реки Волги по правительственной программе и предложить предприятиям и фермерам идеи и проекты по схеме «собственной генерации». Российские изобретатели, в том числе молодые новаторы, уже сегодня могут предложить множество рациональных, простых, доступных и эффективных энергоустановок для перечисленных выше источников возобновляемой энергии. Только надо сделать им запрос.
У малой гидроэнергетики нового поколения лишь один недостаток — отсутствие дешёвых тихоходных (низкооборотных, 10–600 мин–1) генераторов мощностью от 1 до 10 тыс. кВт, а редукция отнимает очень много энергии и увеличивает стоимость электростанций. Эта проблема решается российскими изобретателями, и с появлением спроса на индивидуальную энергетику появится (уже сегодня есть генераторы с параметрами 300–500 мин–1) множество вариантов низкооборотных генераторов на постоянных магнитах или эффективная редукция с КПД от 95 %.
Те средства, что тратят на развитие высокотехнологичных способов получения энергии различными «синтезами» (горячими и холодными), на водородную, традиционную ветровую и солнечную энергетику, на генерацию с помощью плотинных ГЭС, на «Токамаки» и АЭС и т.д. — всё это положенные в «долгий ящик» деньги или даже просто подаренные западным инженерам и изобретателям средства. Эта энергетика ещё долго не дойдёт до потребителя, а когда дойдёт, то окажется слишком дорогой. Эффект от «новомодных альтернатив» небольшой и долгоиграющий — в силу их долгой окупаемости с учётом дорогих капремонтов, особенно после природных катастроф или непредвиденных аварий, в том числе от хакерских атак, и с учётом доставки электроэнергии через ЛЭП.
Вернёмся к гидроэнергетике. Учёные и изобретатели утверждают, что «пропеллер в свободном потоке воды ведёт себя совсем иначе, чем в воздухе (сжимаемой среде), и требует раз в 5–20 меньшего расхода воды на одну и ту же мощность, чем в плотинных гравитационных ГЭС».
Но если применить не пропеллер, а, например, турбину-трансформер, принцип работы которой почти одинаков для обеих сред (вода, воздух), то эффект будет поразительным.
Пневмоэнергетика (воздух) и гелиоэнергетика (любых схем и типов) должны являться стартёрами для поддержки работы локальных крупных и индивидуальных малых ГЭС, ГАЭС нового поколения, особенно «а-ля ГЭС» с замкнутым принудительным потоком («гидроколлайдер») или устройств, в основе которых лежит технология получения энергии по принципу «взрывной волны» (аналогов не существует). Всё это в совокупности может дать мощный толчок в обеспечении энергией отдалённых предприятий и жилых поселений во многих регионах России, в том числе на территории Кавказского региона от Анапы до Адлера или в Дагестане, в Крыму, на Урале, Алтае и от Иркутска до Приморья, на Сахалине, в районах арктического побережья и регионах, где часто дует ветер и много солнца.
Распространение также получает использование сточных вод для производства электричества. Содержащиеся в них органические вещества могут использоваться для производства биогаза с высоким содержанием метана. Российские технологии (типа СКФТ) в этой области более эффективны — они позволяют снизить нагрузки на очистные сооружения и отстойники. При этом дополнительно используется ещё и динамика потока сточных вод и накопленная потенциальная энергия для выработки электричества устройствами, предложенными изобретателями Российской Федерации. Как можно быстрее нужно провести экспериментальный «посев» новых энерготехнологий. Основной тезис альтернативной индивидуальной энергетики — моноблок «энергоисточник-потребитель» без всяких надстроек и контроля. Кубань, Кавказ и Крым, особенно всё побережье бассейнов Чёрного и Каспийского морей и другие горные регионы — отличный полигон для всех видов новых генераций отечественных изобретателей.
Наша цель вполне осуществима: «Каждому жителю России — два киловатта мощности электроэнергии собственной генерации, то есть “энергетический чемоданчик” как дополнение к продовольственной корзине».
Ресурсы малой индивидуальной гидроэнергетики — это модули, генерирующие электроэнергию, работающие автономно или параллельно с центральной сетью и расположенные в пределах системы непосредственного потребления электроэнергии или вблизи конечного пользователя. Они способны эффективно дополнять централизованное электроснабжение или даже заменять его или отдавать излишки выработки электричества в общую энергосистему или соседу. Малая индивидуальная энергетика (микрои мини-ГЭС, пневмо-ГАЭС, ГЭС с замкнутым циклом водопотока, роторные ВЭС и комбинированные системы из них) — это высокая доступность и автономность, потенциальное снижение затрат на киловатт энергии, высокая надёжность работы (особенно в ситуации стихийных бедствий), высокое качество электроэнергии, увеличенная энергетическая эффективность и независимость от центрального энергоснабжения, что особенно актуально во время природных трагедий. Эти схемы реально сэкономят средства государства и потребителя, исключат их «разбазаривание» на приобретение западных устройств, эффективно помогут развитию экономики и созданию среднего и малого бизнеса в любом регионе страны, улучшат качество жизни населения и ослабят или не допустят выбросов парниковых газов. Это и есть настоящее импортозамещение.
Вся Камчатка покрыта густой сеткой малых рек (см. также карты Урала, Карелии, Алтая, Кавказа и даже Европы), причём на них обозначены только речки с расходом от 3–5 м³/с и длиной от 15 км. А ручьи 10–1000 л/с не отмечаются на картах, но по протяжённости и энергетическому потенциалу они в несколько раз больше и при этом ближе к потребителю. Поток любой речки, имеющий расход 10–50 л/с, потенциально может дать 2 кВт энергии и более — и это только за счёт динамического использования потока (масштабированием можно довести практически до 60 кВт и даже больше). Индивидуальное энергообеспечение любого потребителя — от одного человека до крупного предприятия — это очень перспективное направление и почти не разрабатываемое в мире, кроме снабжения дизель-генераторами и малыми «вертушками» на крышах.
Любая река — это источник энергии. Главное — его рационально использовать. Можно создать параллельные искусственные русла для нового поколения малых и больших ГЭС, а реку отдать фауне и людям. В морях появятся свои эффективные энергоустановки, куда входят и комбинированные системы из гидро-, гелиои пневмоэлектростанций (над подводными гидроустановками могут размещаться и гелиоветровые станции, причём независимые). Морские течения и волны должны использоваться только эффективными и безопасными для флоры и фауны гидротурбинами, тогда местные природные ресурсы будут использоваться на 95 % и положительно влиять на климат всей планеты. Такие энергокомплексы уже запатентованы в России, и документация на них пылится на полках.
В Кавказском регионе, с таким огромным потенциалом гидроресурсов малых и средних рек и с большим количеством ущелий вдоль побережья Чёрного или Каспийского морей, могут разместиться ГАЭС нового типа — на морской воде и с импульсными турбинами.
В ущельях, вдоль берега от Новороссийска до Адлера, также могут быть созданы десятки ГАЭС нового типа — комбинированные с пневмоэнергетическими установками и солнечными элементами. Полученной энергии с избытком хватит для региона, и она будет недорогой. Рядом могут располагаться зоны отдыха и санатории. Только от Новороссийска до Кабардинки молодыми новаторами были исследованы и определены около восьми ущелий, где можно создать предлагаемые импульсные ГАЭС мощностью от 300 кВт каждая, необходимо только желание местных властей и средства инвесторов. На быстрых или опасных реках (таких как Туапсинка, Псоу и др.) можно создать параллельно искусственные русла для нового поколения малых и больших ГЭС в несколько мегаватт, а бурные реки оставить в покое.
При этом не обязательно размещать на этой территории плотинные малые ГЭС, ТЭС и тянуть новые линии электропередач по труднодоступным горным и лесным местам, нарушая экологию гор и уничтожая леса (на 2018 год запланировано уничтожение 5000 га под ЛЭП, а ещё эти просеки надо содержать в чистоте). Строительство ЛЭП сопровождается отбором территорий, частыми ремонтами, так как они подвержены обрывам и разрушению при природных катаклизмах и терактах, что мы сейчас и наблюдаем — например, в Сочи происходят ежедневные отключения энергии. Чем ближе будет электростанция к потребителю, тем надёжней и дешевле окажется электрообеспечение. Именно индивидуальная и локальная энергетика создаёт такие условия.
Современные сети передачи энергии — абсолютный бич энергетики, так как затраты на их развитие в три раза выше в сравнении с таковыми на строительство самих генерирующих станций! Ещё имеет место удорожание из-за частых аварий на ЛЭП. Собственные генерации — перспективное направление. Эта ниша ещё не занята, ни у нас, ни за рубежом. Россия, с её достойным интеллектуальным потенциалом, с идеями и разработками в этой области энергетики, имеет реальную возможность выйти вперёд (к 2035 году) в истинно «чистой» альтернативной энергетике — и не с 4 %, а хотя бы до 20 %, без учёта старых плотинных ГЭС. Эта энергетика альтернативна даже таким программам, как «тысяча солнечных крыш» в Германии, «миллион солнечных крыш» в Америке и всем традиционным (пропеллерным) ветроустановкам (на суше и на море), плотинным гидростанциям (в том числе приливным и традиционным малым ГЭС), зарубежным «изобретениям» типа «водяных мельниц» или «устриц», но особенно — альтернативна всем видам и типам малой и большой топливной энергетики, включая водородную и атомную. При огромных российских территориях с паутиной малых рек и речек этот тип энергоресурсов — быстродействующее спасение для экономики отдалённых регионов страны.
Подобная энергетика нужна заповедным зонам России. Пример — государственный природный биосферный заповедник «Байкальский», занимающий центральный участок горного хребта ХамарДабан вдоль южного побережья озера Байкал. Общая площадь его территории — 165,7 тыс. га. Основные задачи заповедника заключаются в сохранении в естественном состоянии уникального природного комплекса Южного Прибайкалья и изучение динамики естественных природных процессов, протекающих в условиях, исключающих какое-либо непосредственное вмешательство человека. Территории входят в состав участка всемирного природного наследия «Озеро Байкал», внесённого в список всемирного культурного и природного наследия ЮНЕСКО.
В Забайкалье (в Бурятии) в советское время не строились ГЭС, а сегодня намечено создать более двух десятков плотинных ГЭС, и одна уже возводится. Наш коллектив изучает возможность применения комбинированных систем гидроустановок вкупе с воздушными электростанциями и гелиоэнергетическими установками для теплоснабжения и электрификации заповедных и уникальных регионов, особенно отдалённых от централизованных источников энергии.
Исследования ведутся по нескольким направлениям, основные из них — оптимизация энергетических сетей или отказ от них совсем. Для изучения возможностей гелиоэнергетики (в том числе использования тепловой энергии Солнца) Забайкалье подходит как нельзя лучше, но рассматривается пока дорогостоящая схема генерации, хотя на территории России регион Забайкалья и восточнее его — самый солнечный и водообеспеченный. Ясных дней там даже больше, чем в Сочи. Именно поэтому изучение возможностей использования солнечной энергии в совокупности с низкопотенциальными водными ресурсами, ресурсами искусственно созданных потоков плюс механические генераторы — одно из приоритетных направлений и не только в забайкальском регионе, при условии снижения стоимости гелиоэлементов и повышения их КПД хотя бы до 18–22 %. А пока с солнечной и ветровой энергией в виде парков западного образца можно повременить. Нарушать экологию заповедной зоны как минимум неразумно, если не преступно.
Проект по строительству малых бесплотинных ГЭС на Алтае, предложенный в МГУ Природообустройства, особенно актуален. Алтайский край должен стать энергонезависимым регионом, но без традиционных плотинных ГЭС с затоплениями каких-либо территорий. Строительство гидростанций на отводах и быстротоках, приближенных к потребителю, будет способствовать решению проблем энергонезависимости и энергобезопасности края. Некоторые предприятия и поселения, отдалённые от рек, могут быть обеспечены энергией от гидроустановок с замкнутым потоком или так называемых «пневмо-ГЭС», предложенных молодыми энергетиками, членами Молодёжного центра инновационных разработок и изобретений (МЦИРИ) из Ассоциации вузов, включающей МГУ Природообустройства, РУДН и МИИТ.
В этом году Республика Монголия, глядя на наши хлопоты по возведению плотин в Забайкалье, сама может начать строительство ГЭС на реке Селенга. Это единственная крупная река в Монголии, но именно она в основном питает Байкал. Если Монголии помочь с внедрением энергоустановок на принципе «собственных генераций», то ей не понадобится перекрывать Селенгу, а энергию она получит по всей своей хозяйственной территории с возможностью расширения экономических зон.
В некоторых таких разработках принимали участие школьники и студенты, члены Молодёжного творческого коллектива «iзобретатель» и Молодёжных центров инновационных разработок и изобретений при вузах (РУДН, МИИТ, РГАУМСХА и др.), а часть разработок с 2006 года участвует в различных российских и зарубежных конкурсах и выставках и представлена на рис. 3–4.
На рис. 3а показана инновационная микро-ГЭС с мощностью генератора до 5 кВт. Генератор размещён в герметичной камере, поэтому установка может быть полностью погруженной в поток. Работает на речных глубинах от 12 см при скорости потока от 0,6 м/с.
На рис. 3б показана мини-ГЭС — спаренный вариант двух предыдущих установок, но с вертикальным расположением осей рабочих барабанов. Генераторы также размещены в герметичных камерах или вынесены на берег с использованием гибких валов. Работает эта ГЭС на любой глубине от 15 см. Они могут составляться в вертикальную «этажерку» и перегораживать небольшую речку поперёк в виде запруды. Мощность — от 7–10 кВт каждая. В этой серии микрои мини-ГЭС разработано ещё несколько вариантов установок (в том числе на бесконечной ленте) для мелких и быстрых речек, мелких постоянных волновых колебаний морского побережья и т.д. Эти устройства получили медали на выставке в Малайзии в 2012 году.
На рис. 4 приведены гипотетические модельные образцы мини-ГЭС, работающие на «взрывной» волне. Интересно, что подобным установкам не требуется постоянный приток воды (река), поток воды с заданным напором работает в замкнутом цикле. Такие ГЭС могут использоваться там, где вообще нет рек и необязательно использовать воду — на дачных участках, в сельхозпредприятиях и фермах, в воинских частях, на далёких заставах, на островах и т.д.
Существуют проекты-идеи ГЭС, которые для максимально эффективной работы не требуют создания поперечных плотин и способны генерировать энергию в продольных напорных деривациях с ускорителями потока или в спиральных и кольцевых «бассейнах». Есть гидрогенераторы, совмещённые с гидротурбинами в трубах-ускорителях, которые просто помещаются в поток морского течения или реки. Появятся плавающие ГЭС (на баржах, списанных подлодках или понтонах типа железнодорожных цистерн).
Все патенты принадлежат МТК «iзобретатель» и аналогов им пока нет. Все эти ГЭС (от 30 до 1000 кВт) автономны, легко масштабируемы и возобновляемы. Они могут работать даже подо льдом.
Известны гидроэлектростанции (ГЭС), в которых напор создаётся протеканием воды по деривационным водоводам, когда вода в начале участка отводится из речного русла водоводом с уклоном, значительно меньшим, чем средний уклон реки, за счёт спрямления изгибов и поворотов русла, а затем подаётся на гидротурбины в здании ГЭС. Отработанная вода либо возвращается в реку, либо подводится к следующей деривационной ГЭС. Этот принцип относится к гидростроительству и может быть применён для получения электроэнергии от реки без нарушения её гидрологических характеристик и экологии как самой реки, так и прилегающей к ней местности.
Студенты (члены МЦИРИ) продолжают работу над проектом морской подводной (донной) плотинной ГЭС большой мощности, которая может быть размещена, например, в северной части Гибралтарского пролива, у берегов Испании, где уже давно известны сильные течения из Средиземного моря в Атлантический океан (идея подобной плотины была высказана испанским инженером Феликсом Канью ещё в 1985 году, но по причине сложности бетонных работ и дорогих турбин стала невыполнимой). Нам, кажется, удалось решить проблему подводной железобетонной плотины, собрав её из пустотелых ячеистых конструкций и затем, во время монтажа, заполнить местным скальным грунтом. Изготовление ячеистых конструкций происходит здесь же, на берегу, а монтаж проводится на дне в тело плотины — это сравнительно просто и надёжно. Решена идея новых типов турбин. Впоследствии подобную донную плотину можно построить и в проливах Лаперуза, Татарском или где-либо ещё.
На рис. 5 показан вариант подобной донной плотины, не требующей шлюзов, затоплений земельных угодий и опасных воздействий на фауну и флору. Можно использовать и горизонтально-лопастные турбины, предлагаемые МТК «iзобретатель» и являющиеся ноу-хау, которые просты, но эффективны. Также есть идея возведения лопастных ГЭС в самом крупном течении — Гольфстриме, вдоль побережья Кубы и юго-восточной части США (своего рода альтернатива «водяным мельницам», размещаемым сейчас у побережья Англии).
Авторы не забыли и южную часть Гибралтарского пролива, где вдоль Северной Африки протекают поверхностные обратные течения. Для подобных поверхностных течений и в других местах водных акваторий коллектив МТК «iзобретатель» готов представить различного типа и мощности горизонтально-лопастные ГЭС донного размещения или прибрежные плавающие. Они же могут использоваться и при приливных течениях, и даже на течениях рек. Кстати, Россия на 2/3 омывается морями, и именно прилегающие регионы страдают от недостатка электроэнергии, особенно кромка всего Ледовитого океана. Для лопастных ГЭС и поверхностных течений можно использовать списанные подводные лодки или железнодорожные цистерны и другие конструкции.
Молодёжный творческий коллектив «iзобретатель» ещё перед Олимпиадой предлагал один из вариантов обеспечения города Адлера электроэнергией, предполагающий рациональное использование динамики потока реки Псоу на территории администрации посёлка Гечрыпш Гагрского района (на расстоянии 1,5–6 км от морского побережья), около границы с Абхазией.
ГЭС нового поколения могли бы разместиться, как вариант, в специальном «быстротоке», построенном параллельно реке с защитным устройством от селевых сходов. Ожидаемые мощности ГЭС могли быть по кратчайшему пути направлены в Адлер, а это несколько мегаватт. Ещё вариант — это башенная ГЭС на берегу моря, в устье той же Псоу. Напорная деривация проложена вдоль русла реки. Третий вариант — это напорная деривация (до 13 бар) от водопада на Псоу, расположенного на территории Абхазии. Возможно и объединение всех вариантов. Благодаря этому Адлер получил бы достойное количество дешёвой энергии, причём без необходимости тянуть ЛЭП через перевалы.
Многие энергозависимые регионы и компании, а также крупные предприятия могли бы создать у себя экспериментальные полигоны «индивидуальной энергетики» с опытным производством. Выбор имеется огромный, надо только систематизировать имеющиеся решения и распределить (рекомендовать) их в соответствии с региональными, экономическими и местными производственными условиями.
