Если мир должен полностью декарбонизироваться и достичь климатической цели в 1,5 °С, поставленной в Парижском соглашении, установленная мощность гидроэлектростанций, включая гидроаккумулирующие насосные станции, должна более чем удвоиться к 2050 году, говорится в докладе IRENA «Меняющаяся роль гидроэнергетики. Вызовы и возможности». Это потребует ежегодного роста инвестиций в гидроэнергетику примерно в пять раз. 

Материал подготовлен институтом развития ТЭК.

Логичными, хотя и вряд ли запланированными, бенефициарами климатической истерии стали атомная энергетика и гидроэнергетика. Эти единственные стопроцентно безуглеродные технологии диспетчеризуемой генерации стали основной надеждой энергетиков в преддверие политических и экономических мер по уничтожению генерации на ископаемом топливе. Бум атомной энергетики уже налицо, а гидроэнергетика пока отстает вследствие большого числа сопутствующих проблем: высокие капитальные затраты; вывод из эксплуатации значительной площади земли для равнинных ГЭС; влияние ГЭС на речной сток, часто с межгосударственными последствиями; и прочее.

В 2020 году по данным BP гидроэнергетика обеспечила 6,8% мирового потребления первичной энергии и 16% электроэнергии. Гидроаккумулирующие насосные станции (ГНС, pumped storage hydropower, PSH) составили 95% мировой мощности хранения энергии. 

Помимо электроэнергии, гидроэнергетика предоставляет и другие услуги, включая хранение питьевой и ирригационной воды, повышение устойчивости к наводнениям и засухам, а также рекреационные возможности. 

Экономический потенциал гидроэнергетики оценивается в докладе в 9-15 ПВтч. Большая часть этого потенциала находится в Азии, Южной Америке и Африке. Для справки: мировое потребление электроэнергии в 2020 году − 26,8 ПВтч.

Австралийский национальный университет в своем «Глобальном атласе насосных гидроэлектростанций» выявил 616 000 потенциально возможных площадок ГНС во всем мире с потенциалом хранения 23 ТВтч. Аналогично, Хант и др. (2020) оценивают потенциал сезонного ГНС при цене ниже 0,05 $/кВтч в объеме 17,3 ПВтч/год. Этот потенциал значительно превышает объем хранилища, необходимых для энергоперехода.

Увеличить полезность и снизить стоимость водохранилищ ГЭС предлагается за счет плавучих СЭС. Согласно одному исследованию, технический потенциал для установки плавучих солнечных установок PV на существующих водохранилищах по всему миру достигает 4,2-10,6 ПВтч/год, что эквивалентно более трети мирового производства электроэнергии.

Гидроэнергетика является наиболее зрелой технологией возобновляемой энергии, первые проекты которой были реализованы еще в конце 1800 годов. В 2000-2021 гг. рост традиционной гидроэнергетики составил более 75%, достигнув установленной мощности более 1230 ГВт. Мощность ГНС за тот же период выросла более чем на 50%, достигнув 30 ГВт в 2021 году. Вместе они составляют более 50% глобальной установленной мощности возобновляемых источников энергии. 

Гидроэнергетика является крупнейшим источником возобновляемой электроэнергии в мире, а Китай является крупнейшим производителем гидроэнергии в мире (1,3 ПВтч/год). За ним следует Бразилия (0,4 ПВтч/год), Канада (0,4 ПВтч/год) и США (0,3 ПВтч/год).

Около 650 ГВт гидроэнергетики находятся в стадии разработки проектов, которые планируется ввести в эксплуатацию в ближайшие 25 лет, включая 136 ГВт ГНС. Подавляющее большинство этих проектов будет реализовано в Азии.

Затраты на ГЭС зависят от конкретного объекта и от размера и спецификации проекта. Самым крупным компонентом затрат являются строительные работы, на которые приходится примерно 45% затрат. Они включают строительство плотины, туннелей, канала и электростанции, а также любой другой инфраструктуры, необходимой для доступа к объекту. Затем следуют расходы на закупку электромеханического оборудования, которые составляют примерно 33% от общих затрат.

Глобальная средневзвешенная общая установленная стоимость ГЭС в 2021 году составила 2135 долларов США/кВт для крупных проектов и 2000 долларов США/кВт для малых проектов. 

Другим важным фактором является доля новых установок в каждом регионе, поскольку они имеют различные затраты (например, общие установленные затраты на большие ГЭС наиболее высоки в Океании, Центральной Америке и Карибском бассейне, в то время как самые низкие — в Китае и Индии). 

ИРТТЭК: эти затраты примерно в 5 раз меньше затрат на АЭС.

Гидроэнергетика является одним из самых дешевых источников электроэнергии. Средневзвешенная LCOE проектов гидроэнергетики в мировом масштабе составляет 0,048 долл. США/кВтч в 2010-2021 годах − ниже, чем у любой альтернативы, основанной на ископаемом топливе, и уступает только LCOE наземной ветроэнергетики. 

LCOE может существенно отличаться, в первую очередь, из-за инвестиционных затрат, которые зависят от местности, а также от того, как будет работать электростанция (обеспечивать базовую или пиковую нагрузку или вспомогательные функции) и достигнутых коэффициентов мощности.

ИРТТЭК: для сравнения приводим данные по LCOE BloomberNEF. Различия имеются, например, нижняя граница оффшорного ветра у IRENA 0,075 $/kWth, а у BloombergNEF 0,134 $/kWth. 

Несмотря на то, что гидроэнергетика является одним из самых дешевых источников возобновляемой электроэнергии, в течение последних десятилетий инвестиции в гидроэнергетику уступали по объему инвестициям в солнечные фотоэлектрические и ветровые технологии. За этот период в гидроэнергетику было инвестировано около $72 млрд, что эквивалентно примерно 4% от всех инвестиций в возобновляемые источники энергии. Относительно небольшая сумма, особенно если учесть, что гидроэнергетика − зрелая технология, которая генерирует около 65% всей возобновляемой электроэнергии.

ИРТТЭК: повод задуматься о реальной цели энергоперехода.

Интересный вопрос – срок службы ГЭС. Исторически сложилось так, что срок службы гидроэлектростанций существенно варьировался от станции к станции, составляя от менее 10 до более 100 лет. Анализ мирового гидроэнергетического парка показывает, что средний возраст гидроэлектростанций, находящихся в эксплуатации, составляет около 40 лет, в то время как средний срок службы уже выведенных из эксплуатации ГЭС составляет около 60 лет.

Старение парка уже представляет собой реальную проблему в нескольких странах и может со временем может стать проблемой для других. По оценкам Andritz (2019), 50% первичного и вторичного оборудования, установленного во всем мире, имеет возраст более 40 лет. Самые старые парки в Европе и США.

Предполагается, что средний срок службы гидроэлектростанции составляет 60 лет. Но у разных компонентов срок службы заметно различается, и если электротехническое оборудование относительно легко заменить, то возможное старение тела плотины и бетонных конструкций водостока − очень сложно разрешимая проблема.

В ближайшие десятилетия для выполнения Парижского соглашения необходимо будет ввести в эксплуатацию тысячи новых гидроэлектростанций во всем мире со скоростью 53 ГВт/год до 2050 года. При этом не все мощности должны быть получены за счет новых проектов; например, существующие объекты могут выиграть от увеличения мощности, а неэнергетические плотины могут быть переоборудованы для выработки электроэнергии. По оценкам исследователей, примерно 78 ГВт могут быть добавлены за счет этих двух вариантов.

Режим работы ГЭС в условиях тотальных ВИЭ − особый предмет для рассмотрения. К 2012 году прирост мощности возобновляемых источников уже превысил прирост мощности невозобновляемых источников энергии, а в 2020 году почти 90% чистой мощности приходится на ВИЭ, причем на солнечные фотоэлектрические и ветровые технологии приходится почти 90% этого прироста. Поскольку переменные ВИЭ являются недиспетчеризируемыми, системным операторам все чаще приходится полагаться на диспетчеризируемые источники электроэнергии, такие как гидроэнергетика, для регулирования частоты и обеспечения пиковой нагрузки.

В результате такой политики изменился режим эксплуатации ГЭС. Исторически гидроэнергетика была источником базовой генерации. Однако сегодня она все чаще используется как пиковая мощность и как источник вспомогательных услуг. Это приводит к тому, что электростанции вынуждены чаще работать с частичной нагрузкой, при этом значительно увеличивается количество циклов «старт-стоп».

ИРТТЭК: режим «старт-стоп» для гидрогенератора в полторы тысячи тонн − смертельный приговор. Именно такой режим (правда, не связанный с ВИЭ) привел к катастрофе на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 года. Ситуация в целом абсурдна: самая дешевая генерация работает в пиковом режиме, а самая дорогая генерация ВИЭ − в базовом. Последствия будут самыми печальными.

Такое изменение режимов работы гидроэлектростанции влечет за собой дополнительный износ, сокращая срок службы важных компонентов станции, таких как турбина, увеличивая время простоя и расходы и обслуживание. В качестве примера Seidel и др. (2020) сравнили сценарий базовой нагрузки и сценарий стабилизации сети для гидроэлектростанции для турбины Фрэнсиса (Francis turbine) и обнаружили, что последний сценарий сокращает усталостный срок службы турбины примерно на один порядок (!!! – ред.).

Резюме: по оценкам IRENA для достижения климатических целей к 2050 году необходимые инвестиции в традиционную гидроэнергетику и ГНС составляют $85 млрд/год и $8,8 млрд/год, соответственно. Это более чем в три раза превышает инвестиции в гидроэнергетику, наблюдавшиеся в 2017 году, и более чем в пять раз превышает инвестиции в 2018 году. Это подчеркивает настоятельную необходимость для правительств ввести в действие политику, повышающую банковскую привлекательность гидроэнергетических проектов и стимулирующую инвестиции в эту технологию, особенно с учетом длительных сроков ее разработки.