На Загорской станции, расположенной под Сергиевым Посадом, воду поднимают на высоту, сопоставимую с 30-этажным домом, чтобы затем сбросить её обратно через турбины.
Эта электростанция работает с отрицательным балансом: на каждые 100 киловатт-часов, израсходованных на такой цикл, в сеть возвращается лишь около 73.
Гидроаккумулирующая электростанция подзаряжается подобно телефону: сначала получает ток из сети, а затем возвращает его обратно. Наглядный пример.
На первый взгляд такая конструкция может показаться совершенно бессмысленной — будто электроэнергии у нас в избытке. Зачем тратить её впустую?
И всё же энергетикам подобная станция необходима. Парадокс, но она помогает сберечь электричество до того момента, когда его начнёт не хватать.
Аккумулятор из двух бассейнов
Речь о гидроаккумулирующей электростанции — сокращённо ГАЭС. Она хранит энергию в поднятой на высоту воде. Принцип напоминает работу телефонного аккумулятора: сначала зарядка, потом использование накопленного. Только здесь вместо химических реакций задействована сила тяжести.
По этим шести водоводам воду сначала подают наверх, а затем возвращают вниз через турбины. Позади здания станции виден нижний бассейн.
Загорская ГАЭС — крупнейшая в России. Первый агрегат запустили в конце 1987 года. Загорск успел снова стать Сергиевым Посадом, а станция сохранила прежнее имя.
Внизу у неё водохранилище на речке Кунье, наверху — искусственный бассейн. Их соединяют шесть водоводов из стали и железобетона. Каждый длиной 724 метра и диаметром 7,5 метра: внутри поместился бы грузовик.
В машинном зале стоят шесть обратимых агрегатов. Одна и та же машина может работать насосом и турбиной. Когда спрос на электричество низкий, обычно ночью, двигатель вращает насос и вода поднимается наверх. В часы высокого спроса её пускают вниз: теперь уже вода вращает турбину, а та приводит генератор.
При закачке станция потребляет до 1320 мегаватт, при выработке отдаёт до 1200. Это мощность — сколько энергии она потребляет или выдаёт за единицу времени. Чтобы посчитать потери за полный цикл, нужно учесть и продолжительность работы в каждом режиме.
Почему возможны потери и выигрыш
Вода соприкасается со стенками водоводов, а насосы и турбины работают не без потерь. Электрические машины и трансформаторы нагреваются. Определённая доля затраченной энергии рассеивается в виде тепла, поэтому вернуть её полностью не удаётся.
В справочнике ассоциации «Гидроэнергетика России» для Загорской ГАЭС приведён КПД 73% — это те же 73 киловатт-часа на каждые 100 израсходованных.
Однако электроэнергия в разное время суток стоит по-разному. Ночью потребление обычно снижается. Утром и вечером оно растёт, и накопленная энергия становится куда более востребованной.
Разница в ценах способна перекрыть потери. При КПД 73% отпускная цена должна быть примерно на 37% выше закупочной, чтобы окупить электричество, израсходованное на закачку. Строительство, зарплаты и ремонт в этот расчёт ещё не включены.
Есть и ещё одна выгода: благодаря ГАЭС другим электростанциям легче работать.
Когда мощность нужна за минуту
Потребление электроэнергии непрерывно меняется. Генераторы должны поспевать за потребителями: выдавать ровно столько мощности, сколько те забирают, с поправкой на потери в сети.
При нарушении баланса изменяется частота переменного тока. В нашей энергосистеме её удерживают около 50 герц — это 50 полных колебаний за секунду. За этим следят автоматика и диспетчеры: оборудование рассчитано на работу в определённом диапазоне частоты.
Шесть агрегатов Загорской ГАЭС. Во время закачки они потребляют электроэнергию, а при спуске воды — вырабатывают её.
Электростанции могут изменять нагрузку, но с разной скоростью. Атомные блоки нередко выгоднее держать на стабильной мощности. Крупным угольным блокам для смены режима требуется время, а частые пуски и остановки ускоряют износ.
Ночью ГАЭС превращается в крупного потребителя: она забирает электричество для насосов и позволяет другим станциям работать равномернее. В часы пик она отдаёт накопленное. Агрегаты Загорской ГАЭС способны менять мощность за несколько минут, а в отдельных режимах — быстрее чем за минуту.
Такой резерв выручает и при внезапном отключении другого энергоблока. ГАЭС оперативно добавляет мощность и выигрывает время для подключения остальных резервов. Поэтому её ценность определяется не только количеством возвращённых киловатт-часов, но и тем, как быстро их можно получить.
На какой период хватает воды
Если поднять тонну воды на сто метров, удастся запасти лишь порядка 0,27 киловатт-часа — и это ещё без учёта потерь при последующей выработке. Именно поэтому водяному накопителю требуются очень крупные бассейны.
Внутренний диаметр каждого водовода составляет 7,5 метра. В такую трубу вполне поместился бы грузовик.
Из верхнего бассейна Загорской ГАЭС за один рабочий цикл можно задействовать 22,7 миллиона кубометров воды. По сведениям отраслевой ассоциации, этого объёма достаточно для 4 часов 20 минут работы на полной мощности 1200 мегаватт.
В итоге получается примерно 5,2 миллиона киловатт-часов. После разрядки воду придётся вновь поднимать наверх, расходуя электроэнергию из сети.
Соорудить такую станцию в любом месте не получится: необходимы подходящий перепад высот и площадь для водоёмов. Строительство занимает годы. Зато сами конструкции могут эксплуатироваться десятилетиями, пока оборудование ремонтируют и обновляют.
В верхнем бассейне вода ожидает команды диспетчера. Например, до вечернего пика, когда люди возвращаются домой и включают свет, плиты и чайники. Ради этих нескольких часов её и поднимали ночью, даже с потерей четверти энергии.