До недавних пор в нашей республике о хранении энергии практически не задумывались, кроме использования таковой энергии в транспорте. Во всяком случае, как среди большинства населения, так и специалистов-энергетиков, такой вопрос, как говорят, не стоял. Гидроэнергетика, обеспечивающая электрической энергией почти 92% потребителей, регулировалась водой накопленной в водохранилищах. Остальные 8% вырабатывались на тепловых станциях Бишкека и Оша. Их тоже можно было регулировать, потребляемым в них количеством угля.
Однако в связи появлением независимых государств вместо одного, где можно было регулировать системы выработки электроэнергии и распределения водных ресурсов без ущерба для хозяйствующих субъектов страны, появились проблемы хранения водных ресурсов и обеспечения электроэнергией. С тех пор возникла необходимость хранения электроэнергии, так как наши ГЭС вынуждены пропускать воду для полива весной и летом в соседние государства, вырабатывая при этом электроэнергию, в которой в тот период не нуждаются ни наши хозяйствующие субъекты, ни таковые соседние государства. Возникающие спорные вопросы решались трудными переговорами. Строящийся в настоящее время Камбар-Атинский каскад ГЭС наряду выработкой электроэнергии призван отрегулировать вопросы хранения воды для рациональной работы ГЭС, находящейся ниже по течению реки Нарын. Хотя в последнее время правительство страны предпринимает огромные усилия для нахождения инвестора, либо партнера по строительству Камбар-Аты, из-за необходимости огромных финансовых средств эти объекты видимо, будут возведены не скоро.
Поэтому наше государство вынуждено включиться в общемировой процесс применения технологий по хранению энергии, выработанной традиционных для нашей страны гидроэлектростанциях, теплоэлектростанциями и быстро развиваемыми в последнее время альтернативными источниками, возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Когда говорят о хранении энергии, у нас имеют в виду аккумуляторы электроэнергии, применяемые в различных видах транспорта. Это натриево-серные (NaS) батареи, проточные батареи с окислительно-восстановительными элементами, а также самая популярная технология для распределенных систем накопления энергии - литий-ионные батареи. Кстати, литий-ионные батареи имеют 95-процентную эффективность постоянного тока туда и обратно, а при преобразовании тока в переменный для сети этот показатель снижается до 85 процентов. Они имеют цикл 2000-4000 и срок службы 10-20 лет в зависимости от использования. Поэтому, когда говорят об аккумуляторной системе хранения энергии, то подразумевают именно литий-ионные аккумуляторы. Хотя для определенных сроков хранения могут быть эффективны и другие виды электрохимических аккумуляторов. Однако материалами, из которых производятся литий-ионные батареи литий, кобальт, графит и никель наша страна не богата. Поэтому их производство в каких-то производственно необходимых объемах не представляется возможным.
Как уже было замечено выше, практически все электричество в Кыргызстане вырабатывается на гидроэлектростанциях, и имеются проблемы с накоплением воды в их водохранилищах. В то же время в мире уже давно используются технологии гидравлического аккумулирования энергии. Водохранилища ГЭС с помощью регулирования мощности ГЭС происходит перераспределение водного потока во времени, при этом водохранилище ГЭС является аккумулятором энергии - накапливая воду, обладающую потенциальной энергией. В период малых нагрузок агрегаты ГЭС работают с незначительной мощностью, и происходит накопление воды в водохранилище, повышая напор и аккумулируя потенциальную энергию.
Однако водохранилище в качестве аккумулятора энергии, возможно, использовать не только для ГЭС, но и для других станций, например станций на ВИЭ. В этом случае ГЭС и станция на ВИЭ работают параллельно. Станция ВИЭ разгружает агрегаты ГЭС и экономит воду в водохранилище, создавая дополнительную, так называемую дублирующую емкость.
Каскад гидроэлектростанций на реке Нарын представляет собой хороший объект для многократного использования потенциала воды при выработке электроэнергии. Использование ветряных станций для перекачки воды с нижнего уровня в верхний является наиболее эффективным способом аккумулирования воды, так как при этом не нужно преобразовывать энергию ветра в электричество, что позволяет без потерь запасать выработанную станцией ВИЭ энергию в виде потенциальной энергии воды в водохранилище и в необходимое время преобразовывать ее обратно через агрегаты ГЭС. Расположенные недалеко друг от друга водохранилища Токтогульской, Курпсайской, Ташкумырской, Шамалды-Сайской и Уч-Курганской ГЭС дают хорошую возможность работы ВИЭ рядом с каждым из них, так как высота плотин относительно небольшая, от 215 до 31 метра, и каждое следующее водохранилище практически начинается сразу за плотиной предыдущей ГЭС. Очевидно, что режим работы объекта с таким способом акккумилирования необходимо согласовать с пользователями водных ресурсов для полива, особенно в весенне-летний период. Однако в осенне-зимний период, когда страна особенно нуждается в устойчивой работе энергетической системы, подобная схема работы гидроэлектрических станций совместно с ветряными или солнечными станциями может быть весьма полезной. Такие энергокомплексы позволяют без потерь запасать выработанную станцией ВИЭ электрическую энергию в виде потенциальной энергии воды в водохранилище и в необходимое время преобразовать ее обратно через агрегаты ГЭС.
Следует отметить, что имеет большую перспективу совместная работа малых ГЭС с станциями ВИЭ. В условиях Кыргызстана небольшие реки, служащие основными источниками малой гидроэнергетики, имеют неустойчивые стоки, заметно увеличиваясь в весенне-летний период, и существенно уменьшаются в осенне-зимний период. Использованием станций с ВИЭ, солнечных и особенно ветровых станций в период уменьшения стоков можно обеспечить устойчивое энергоснабжение местности, расположенной вокруг таких небольших энергокомплексов. Известно, что в осенне-зимний период растет интенсивность ветра в ущельях, в которых проходят русла рек. В настоящее время в Кыргызстане строится и запланировано строительство десятков малых ГЭС и для их более устойчивой работы необходимо рассмотреть возможность дополнения системами солнечных электростанций (СЭС) и ветровых электростанций (ВЭС).
Следующий возможный вид аккумилирования энергии - это хранение энергии вырабатываемых на солнечных электростанциях. В настоящее время в Кыргызстане строятся несколько солнечных электростанций, которые при завершении могут быть подключены в общую сеть. Опыт работы уже имеется, уже два года в таком режиме работает СЭС на базе Кыргызского Государственного Технического университета с установленной мощностью 80 кВт. Имеется схема работы этой СЭС с аккумулированием энергии с помощью аккумуляторов, которые аккумулируют энергию, выработанную сверх потребления и отдают в периоды дефицита энергии.
И последнее, речь о водородных технологиях. В середине восьмидесятых годов прошлого века в Кыргызстане рядом с городом Таш-Кумыр было начато строительство завода по производству монокристаллического кремния для полупроводниковых материалов. Строительство завода не было полностью завершено и с развалом Союза было остановлено. С тех пор был предпринят ряд попыток реанимировать предприятие с целью возобновить выпуск продукции. Появлялись инвесторы, заинтересованные в производстве поликристаллического и монокристаллического кремния. Однако предприятие стоит до сих пор, и хранящиеся там запасы сырья и отходы производства уже угрожают экологической катастрофой.
Как известно зеленым водородом является водород, полученный из воды с помощью возобновляемых источников энергии на основе электролиза. Энергия выработанная на гидроэлектростанциях, также относится к зеленым, так как при этом не выделяется углерод. Рядом с городом Таш-Кумыр специально для электроснабжения производства кремния был построена гидроэлектростанция мощностью 450 МВт, которая в настоящее время работает. Вода реки Нарын, протекающая возле Таш-Кумыра, отличается чистотой, в связи с чем было выбрано место строительства кремниевого завода. Имеются сооружения, которые можно использовать для производства, рабочие руки. Необходимы техника и технология для производства, электролизеры и инвестиции для переориентации предприятия и инфраструктуры, запуска производства водорода. Из полученного водорода здесь же можно организовать производство аммиака, а потом удобрение из него или произвести газ - метан.
Как было упомянуто выше, практически вся выработка электроэнергии осуществлялась гидроэлектростанциях и небольшая часть - на тепловых электростанциях. Когда на водохранилищах собирали достаточный резерв воды, хранение электроэнергии осуществлялась пропуском соответствующего объема воды. Однако, климатические изменения, приведшие к изменениям стока воды в реках, заставили обратить внимание на альтернативные источники энергии и вопросам ее хранения. Если раньше проводились исследования и разрабатывались объекты ВИЭ для небольших хозяйств, а также объектов, расположенных в труднодоступных районах, то в настоящее время уже предлагается строительство СЭС и ВЭС мощностью 100-1000 МВт.
Однако, как показывает практика, не все проекты, порою уже подписанные и заявленные не претворяются в жизнь. Анализ показывает, что зачастую предлагаемые проекты не привязаны к местным условиям, и научно-изыскательские работы практически не проведены. Поэтому создание научных лабораторий и центров по исследованию и разработке объектов зеленой энергетики являются очень важными. Многие проекты по ВИЭ в Кыргызстане были выполнены международными организациями с участием отдельных ученых. В связи с этим я хочу отметить, что недавно на базе Института машиноведения, автоматики и геомеханики НАН КР при финансовой поддержке Парка высоких технологий КР была открыта GreenTech Academy, целью которой является разработка техники для зеленых технологий, изучения условий и возможностей их применения в Кыргызстане, а также подготовки кадров, разработчиков и пользователей зеленых технологий. В связи утверждением Президентом страны С.Н.Жапаровым Национальной программы развития Кыргызской Республики до 2030 года, где одним из четырех векторов развития страны является зеленая энергетика появилась надежда, что и генерация, и хранение, а также распределении энергии наполнится зелеными технологиями.
Об авторе:
Мурат Садырбекович Джуматаев — ученый, доктор технических наук, профессор, академик НАН КР, заслуженный деятель науки КР.
В 2018 году избран почетным членом Академии наук Казахстана.
Автор более 130 научных трудов (в том числе 5 монографий и 7 учебных пособий для студентов машиностроительного профиля) и 15 изобретений.
