Аккумулирующие электрические станции: принципы, типы, роль и перспективы развития в современной энергетике

В 2024 году возобновляемые источники энергии (ВИЭ) обеспечили рекордные 32% мирового производства электроэнергии, а в сочетании с атомной энергетикой доля чистой электроэнергии достигла 40,9%. Этот триумфальный рост, безусловно, является шагом к устойчивому будущему, но он также ставит перед мировой энергетикой беспрецедентные вызовы. Непостоянство и непредсказуемость генерации от солнца и ветра создают так называемые «колебания» в энергосистемах, угрожая их стабильности и надежности. В этом контексте аккумулирующие электрические станции (АЭС) становятся не просто желательным, а жизненно важным элементом инфраструктуры, способным поглощать избыточную энергию в периоды пиковой генерации ВИЭ и отдавать её в сеть, когда традиционные источники не справляются с нагрузкой.

Настоящая работа призвана дать всесторонний академический анализ принципов работы, основных типов, роли в энергосистемах и экономических аспектов аккумулирующих электрических станций. Мы углубимся в технические детали, рассмотрим экономическую целесообразность и экологические последствия, а также очертим перспективы развития этой критически важной технологии как в России, так и за рубежом. Цель — предоставить исчерпывающий материал, который может стать основой для дальнейших научных исследований, обзорной статьи или курсовой работы в области электроэнергетики и смежных направлений.

Теоретические основы и принципы аккумулирования энергии в электроэнергетике

Фундаментальная задача любой энергосистемы — непрерывное балансирование производства и потребления электроэнергии. В условиях постоянно меняющихся графиков нагрузки и все более широкого внедрения нерегулируемых источников, таких как солнечные и ветровые электростанции, эта задача становится чрезвычайно сложной. Здесь на сцену выходят аккумулирующие электрические станции, чья миссия — сглаживать эти дисбалансы, обеспечивая стабильность и надежность энергоснабжения.

Определение аккумулирующих электрических станций (АЭС)

Аккумулирующие электрические станции (АЭС) — это энергетические объекты, предназначенные для накопления электрической энергии в периоды её избытка в энергосистеме и выдачи этой энергии обратно в сеть в часы дефицита. По своей сути, АЭС выступают в роли огромных «батарей» для всей энергосистемы, позволяя выравнивать суточную неоднородность графика электрической нагрузки. Они являются важнейшим компонентом более широкой категории — систем накопления электроэнергии (СНЭЭ), которые могут быть как электростанциями, так и отдельными устройствами, предназначенными для сбора, хранения и последующего использования электрической энергии. Основное предназначение АЭС заключается в оптимизации работы всей энергосистемы, снижении пиковых нагрузок и повышении эффективности генерации.

То есть, по сути, АЭС играют роль «буфера», который поглощает излишки и восполняет дефицит, предотвращая коллапс системы, что особенно важно в условиях роста доли нерегулируемых источников энергии.

Принцип действия гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС)

Среди всех типов аккумулирующих станций гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) остаются наиболее распространенными и мощными. Их принцип действия основан на трансформации электрической энергии в потенциальную энергию воды и обратно, используя перепад высот между двумя водоемами.

Работа ГАЭС циклически делится на два основных режима:

1. Насосный режим (режим зарядки): В периоды избытка электроэнергии в энергосистеме (например, ночью, когда потребление минимально, или в часы пиковой генерации ВИЭ) ГАЭС потребляет электроэнергию из сети. Эта энергия используется для приведения в действие мощных насосов, которые закачивают воду из нижнего водоема (нижнего бьефа) в высоко расположенный верхний водоем (верхний бьефа). Таким образом, электрическая энергия трансформируется в потенциальную энергию накопленной воды. В этот период стоимость электроэнергии обычно ниже, что делает процесс «зарядки» экономически выгодным.
2. Турбинный режим (режим разрядки): В часы максимального потребления электроэнергии (пиковые нагрузки утром и вечером, а также в моменты провалов генерации ВИЭ) вода из верхнего бьефа направляется по водоводам к турбинам, расположенным на более низком уровне. Поток воды вращает турбины, которые, в свою очередь, приводят в действие электрогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. Эта энергия подается в сеть, компенсируя дефицит и стабилизируя систему. В этот период стоимость электроэнергии значительно выше, что обеспечивает экономическую эффективность работы ГАЭС.

Цикл «накапливание — выдача» позволяет ГАЭС эффективно сглаживать колебания нагрузки, действуя как гигантский буфер, поглощающий и отдающий энергию по мере необходимости.

Основные концепции систем накопления электроэнергии (СНЭЭ)

Системы накопления электроэнергии (СНЭЭ) — это более широкое понятие, охватывающее все технологии, предназначенные для хранения энергии. Они включают в себя не только ГАЭС, но и аккумуляторные батареи, тепловые аккумуляторы, маховики, пневматические и водородные системы. Развитие СНЭЭ становится критически важным в современном мире по нескольким причинам:

• Интеграция ВИЭ: Нерегулируемый характер солнечной и ветровой генерации требует наличия эффективных систем хранения для обеспечения стабильности сети. СНЭЭ позволяют накапливать энергию, когда солнце светит и ветер дует, и отдавать её, когда эти источники неактивны.
• Управление пиковыми нагрузками: СНЭЭ позволяют сглаживать пики потребления, снижая нагрузку на традиционные электростанции и предотвращая необходимость запуска дорогих и менее эффективных пиковых генераторов.
• Повышение качества электроэнергии: СНЭЭ способны быстро реагировать на изменения в сети, компенсируя провалы напряжения, регулируя частоту и улучшая общие параметры качества электроэнергии.
• Резервирование и надежность: СНЭЭ могут обеспечивать резерв мощности, повышая надежность энергоснабжения и устойчивость системы к аварийным ситуациям.

Мировая энергетика находится на этапе масштабного перехода, где генерация энергии должна быть непрерывно связана с её параллельным накоплением. Прорыв в области СНЭЭ может стать мощным стимулом к дальнейшему расширению использования ВИЭ, обеспечивая гибкость и устойчивость будущих энергосистем.

Классификация и технические характеристики аккумулирующих электрических станций

Мир аккумулирующих станций разнообразен, но среди них выделяются лидеры по распространенности и эффективности. Понимание их технических характеристик позволяет оценить роль каждой технологии в общей энергетической системе. Что же определяет их доминирующее положение на рынке?

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС): доминирующий тип

Исторически и на сегодняшний день ГАЭС остаются наиболее значимым и распространенным типом аккумулирующих станций. Их надежность, проверенная временем технология и способность оперировать огромными объемами энергии делают их незаменимыми. По состоянию на конец 2020 года, ГАЭС обеспечивали внушительные 90,3% общемировой суммарной мощности накопителей энергии. К маю 2023 года глобальная мощность действующих ГАЭС достигла 161 гигаватта (ГВт). Примечательно, что объем строящихся и запланированных к сооружению ГАЭС составляет 439 ГВт, что свидетельствует о сохраняющейся актуальности и инвестиционной привлекательности этой технологии.

ГАЭС классифицируются по нескольким признакам:

• По схеме аккумулирования: с верхним и нижним водоемом (наиболее распространены), или с подземными бассейнами.
• По длительности цикла аккумулирования: суточные, недельные, сезонные.
• По схеме основного гидросилового оборудования.

Схемы гидросилового оборудования ГАЭС и их особенности

Основой ГАЭС являются гидросиловые агрегаты, преобразующие энергию воды в электричество и обратно. Существуют три основные схемы их компоновки:

1. Четырехмашинная схема: Включает отдельные насосный и турбинный агрегаты, каждый из которых состоит из собственного электродвигателя/генератора, насоса и турбины. Это обеспечивает максимальную гибкость и независимость режимов, но требует большего количества оборудования и пространства.
2. Трехмашинная схема: Состоит из двигатель-генератора, насоса и турбины, смонтированных на одном валу. Эта схема позволяет достигать высоких значений КПД как насоса, так и турбины, а также обеспечивает простоту пуска. Трехмашинные агрегаты отличаются очень быстрыми (в течение нескольких секунд) переключениями между режимами, что критически важно для оперативного регулирования в энергосистеме. Неудивительно, что в Западной Европе на трехмашинные агрегаты приходится около 60% общей мощности ГАЭС, что подчеркивает их эффективность и востребованность.
3. Двухмашинная схема: Самая компактная и современная. Включает двигатель-генератор и обратимую гидромашину (насос-турбину), которая может работать как в турбинном, так и в насосном режимах. Это позволяет существенно сократить размеры станции и уменьшить капитальные затраты.

Технические параметры ГАЭС

Технические характеристики ГАЭС определяют их эффективность и применимость в различных условиях:

• Напор: Большинство ГАЭС используют напоры от 100 до 300 метров. В некоторых случаях, особенно для высоконапорных ГАЭС, напор может достигать 800-900 метров. Для ГАЭС с подземными бассейнами, где верхний и нижний водоемы располагаются глубоко под землей, напоры могут быть еще выше — до 1200-1500 метров, что обеспечивает огромный потенциал для накопления энергии.
• Коэффициент полезного действия (КПД): Этот показатель определяется как отношение выработанной энергии в генераторном режиме к затраченной в насосном режиме. Для старых ГАЭС КПД может составлять около 50%, тогда как на современных станциях он достигает 75-80%, что свидетельствует о значительном прогрессе в технологиях.
• Маневренные качества: Это один из ключевых параметров, определяющих ценность ГАЭС для энергосистемы:
  • Технический минимум нагрузки: 0%. ГАЭС могут полностью останавливаться и запускаться по мере необходимости.
  • Регулировочный диапазон: 200%. Это означает, что ГАЭС может мгновенно перейти от работы на полную мощность в режиме потребления к работе на полную мощность в режиме генерации, и наоборот.
  • Время набора полной мощности: 1-2 минуты. При условии вращения в режиме холостых оборотов это время сокращается до 0,25-0,5 минуты, что делает ГАЭС одними из самых быстродействующих источников регулируемой мощности.

Для сравнения, маневренные качества традиционных электростанций значительно уступают ГАЭС:

Параметр	ГАЭС (Гидроаккумулирующие)	АЭС (Атомные)	ТЭС (Тепловые)
Технический минимум нагрузки	0%	85-90%	70-80%
Регулировочный диапазон	200%	10-15%	20-30%
Время набора полной мощности	1-2 минуты (0,25-0,5 мин с холостых оборотов)	390-660 минут	90-180 минут

Эта таблица наглядно демонстрирует, почему ГАЭС играют такую важную роль в балансировке энергосистем: их исключительная маневренность позволяет мгновенно реагировать на любые изменения в сети, что недостижимо для традиционных базовых источников.

Твердотельные аккумулирующие электростанции (ТАЭС)

В отличие от ГАЭС, твердотельные аккумулирующие электростанции (ТАЭС) представляют собой гравитационные накопители энергии, которые не требуют перепада высот и водоемов. Принцип их работы аналогичен: в периоды избытка электроэнергии грузы (например, бетонные блоки) поднимаются на определенную высоту, потребляя электричество. В периоды дефицита эти грузы опускаются, приводя в действие генераторы и вырабатывая электроэнергию.

Ключевые особенности ТАЭС:

• Экологичность: Важное отличие ТАЭС от литий-ионных аккумуляторов заключается в отсутствии химических компонентов, негативно влияющих на окружающую среду. Это делает их более привлекательными с точки зрения устойчивого развития и минимизации экологического следа.
• Высокий КПД: КПД ТАЭС составляет не менее 80%, что сопоставимо с лучшими показателями ГАЭС.
• Долговечность: Срок службы ТАЭС может достигать 50 лет, что является значительным преимуществом по сравнению со многими другими типами накопителей.
• Экономическая эффективность: Нормированная стоимость хранения энергии (LCOS) для ТАЭС является весьма конкурентоспособной. Для накопителей мощностью 200 МВт и емкостью 800 МВт·ч LCOS для ТАЭС на 16% ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов, и на 72% ниже, чем у ГАЭС. Это делает ТАЭС перспективным решением, особенно в регионах, где строительство ГАЭС невозможно или нецелесообразно.

Другие перспективные типы аккумулирующих станций (краткий обзор)

Помимо ГАЭС и ТАЭС, существует ряд других технологий накопления энергии, находящихся на различных стадиях развития и внедрения:

• Аккумуляторные батареи: Литий-ионные, натрий-ионные, проточные батареи. Обладают высокой плотностью энергии и быстрой реакцией, но имеют ограниченный срок службы и экологические вопросы утилизации.
• Пневматические аккумулирующие электростанции (ПАЭС): Хранят энергию в виде сжатого воздуха в подземных полостях.
• Тепловые аккумулирующие электростанции (ТАЭС): Накапливают тепловую энергию (например, в расплавленных солях), которую затем используют для производства электроэнергии.
• Маховиковые накопители: Используют кинетическую энергию быстро вращающегося маховика для кратковременного хранения энергии.
• Водородные системы: Производство водорода путем электролиза при избытке электроэнергии и его последующее использование в топливных элементах или газовых турбинах.

Каждый из этих типов имеет свои ниши применения, преимущества и недостатки, но в контексте крупномасштабного и долгосрочного аккумулирования, ГАЭС и ТАЭС демонстрируют наиболее значительный потенциал.

Роль аккумулирующих станций в стабилизации энергосистем и интеграции возобновляемых источников энергии

В условиях стремительного глобального энергоперехода и увеличения доли возобновляемых источников энергии, роль аккумулирующих электрических станций приобретает стратегическое значение. Они становятся краеугольным камнем в обеспечении надежности и гибкости современных энергосистем.

Выравнивание графиков нагрузки и повышение эффективности традиционной генерации

Исторически аккумулирующие станции, в частности ГАЭС, создавались для решения одной из самых острых проблем энергетики — неравномерности суточного графика электрической нагрузки. Потребление электроэнергии значительно колеблется в течение суток, достигая пиков утром и вечером, и проваливаясь ночью. Традиционные электростанции, такие как мощные тепловые (ТЭС) и атомные (АЭС), работают наиболее эффективно и экономично при постоянной, близкой к номинальной, загрузке.

Концентрация мощностей агрегатов ТЭС и АЭС, обеспечивая экономичность, одновременно усложнила покрытие графика нагрузок в зонах минимальных и максимальных нагрузок из-за их ограниченного диапазона регулирования. Например, АЭС имеют технический минимум нагрузки 85-90% и очень большое время набора полной мощности (390-660 минут), что делает их непригодными для быстрого маневрирования. Как же тогда обеспечивать стабильность в условиях непредсказуемых пиков и провалов?

Здесь ГАЭС выступают в роли идеального балансирующего элемента. В ночные часы, когда потребление падает, а АЭС и ТЭС продолжают работать на высокой мощности (поскольку их остановка и запуск неэффективны и дороги), возникает избыток электроэнергии. ГАЭС эффективно поглощают этот избыток, используя его для закачки воды в верхний бьеф. Это позволяет базовым станциям продолжать работу в оптимальном режиме, повышая их загрузку в провальной части суточного графика. В часы пиковых нагрузок ГАЭС оперативно выдают накопленную энергию, сглаживая пики потребления и снимая нагрузку с маневренных, но менее эффективных пиковых ТЭС. Таким образом, аккумулирующие станции не только стабилизируют энергосистему, но и повышают общую экономическую эффективность традиционной генерации за счет оптимизации её режимов работы.

Роль в интеграции возобновляемых источников энергии

С масштабным развертыванием возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких ка�� ветровые и солнечные электростанции, ГАЭС получили «второе дыхание». Если изначально они создавались для балансирования атомной генерации, то теперь их роль расширилась до критически важного инструмента интеграции переменчивой генерации ВИЭ.

Ветровые турбины и солнечные панели производят электроэнергию только при наличии ветра или солнца, что приводит к непредсказуемым колебаниям выработки. В моменты избытка генерации ВИЭ (например, ясный солнечный день с сильным ветром) ГАЭС могут быстро перейти в насосный режим, поглощая излишнюю энергию и предотвращая перегрузку сети или необходимость отключения ВИЭ. И наоборот, когда ветер стихает или заходит солнце, ГАЭС переходят в турбинный режим, мгновенно компенсируя падение выработки ВИЭ и обеспечивая стабильность энергоснабжения.

Это означает, что без таких систем, как ГАЭС, широкое внедрение ВИЭ было бы крайне затруднительным из-за inherentной нестабильности их выработки, что подчеркивает их фундаментальное значение для декарбонизации энергетики.

Эта способность быстро реагировать на колебания спроса и предложения электроэнергии благодаря высокой эксплуатационной маневренности делает ГАЭС незаменимыми для современных энергосистем с высокой долей ВИЭ. Прорыв в области систем накопления электроэнергии (СНЭЭ) в целом является ключевым стимулом к дальнейшему расширению использования возобновляемых источников, так как он снимает одно из главных ограничений — проблему нестабильности.

Динамика развития ГАЭС и рынка систем накопления энергии

Мировой энергетический ландшафт стремительно меняется, и рынок систем накопления энергии демонстрирует впечатляющие темпы роста:

• ГАЭС: Глобальный ввод гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) в 2022-2023 гг. достиг 14,8 ГВт, что значительно превысило показатель предыдущего шестилетнего периода 2016-2021 гг. (13,1 ГВт). Это свидетельствует об усилении интереса к ГАЭС как к проверенной и эффективной технологии.
• Рынок СНЭЭ: Мировой рынок систем хранения энергии (включая все технологии) оценивался в 668,7 млрд долларов США в 2024 году. По прогнозам, к 2034 году он достигнет колоссальных 5,12 трлн долларов США, увеличиваясь в среднем на 21,7% ежегодно в период с 2025 по 2034 год.
• Прогнозы без учета ГАЭС: Даже исключая традиционные ГАЭС, прогноз BloombergNEF указывает, что к концу 2030 года совокупная установленная мощность других систем накопления энергии (аккумуляторов, маховиков и т.д.) достигнет 411 ГВт, а их емкость — 1194 ГВт·ч. Это подчеркивает диверсификацию и расширение всего сектора накопления энергии.

Такие темпы роста говорят о признании стратегической важности систем накопления энергии для будущего мировой энергетики, ориентированной на устойчивость и декарбонизацию.

Системные услуги, предоставляемые СНЭЭ

Помимо базовой функции сглаживания графиков нагрузки, СНЭЭ предоставляют целый спектр системных услуг, необходимых для стабильного функционирования энергосистемы:

• Управление суточным графиком потребления и генерации: Гибкое перераспределение энергии во времени.
• Улучшение качества электроэнергии: Компенсация колебаний напряжения, регулирование частоты, подавление гармоник.
• Обеспечение вращающегося резерва энергосистемы: Быстрая готовность к выдаче мощности в случае аварийной ситуации или внезапного роста спроса.
• Обеспечение «черного старта»: Способность восстанавливать работу энергосистемы после полного отключения.
• Снижение потерь в сетях: Локальное накопление и выдача энергии позволяет сократить транспортировочные потери.
• Поддержка распределенной генерации: Интеграция малых ВИЭ и микросетей.

Таким образом, аккумулирующие станции становятся многофункциональным инструментом, обеспечивающим не только баланс, но и общее повышение надежности, эффективности и устойчивости современных и будущих энергосистем.

Экономические и экологические аспекты строительства и эксплуатации аккумулирующих станций

Решения о строительстве и эксплуатации аккумулирующих электрических станций принимаются на основе комплексного анализа, учитывающего не только техническую целесообразность, но и экономическую эффективность, а также экологические последствия. Эти аспекты являются ключевыми для устойчивого развития энергетики.

Экономическая эффективность и капиталовложения

Экономическая эффективность ГАЭС, как и любого крупного инфраструктурного проекта, оценивается путем сопоставления выгод и затрат. Основной выгодой является экономия расхода топлива в энергосистеме. ГАЭС позволяют ТЭС и АЭС работать в более оптимальных режимах, снижая их удельные расходы топлива в ночной период за счет более полной загрузки. Эта экономия должна перевешивать капиталовложения на сооружение ГАЭС, включая стоимость занимаемой земли, строительных работ и оборудования.

• Стоимость строительства: Ориентировочная стоимость строительства одного киловатта гидроаккумулирующей станции в Европе составляет около 2000 долларов США. Это значительные инвестиции, требующие долгосрочного планирования и финансирования. Однако, учитывая длительный срок службы ГАЭС и их стратегическую важность, эти затраты часто оправданы.
• Затраты топлива: Затраты топлива на выработку пиковой мощности ГАЭС определяются не прямым потреблением, а опосредованно, через затраты энергии на закачку воды в режиме зарядки. В этот расчет также включается снижение удельных расходов топлива на ТЭС, которое происходит вследствие их более полной и равномерной загрузки в ночной период. Таким образом, ГАЭС позволяют перераспределить производство энергии с дорогих пиковых источников на более дешевые базовые, что приводит к общей экономии.
• Окупаемость: Срок окупаемости ГАЭС может быть длительным, но их ценность выходит за рамки прямых денежных потоков, так как они обеспечивают системные услуги, которые трудно оценить в краткосрочной перспективе, но которые критически важны для стабильности энергосистемы.

Экологические вызовы гидроаккумулирующих станций

Несмотря на свою роль в переходе к низкоуглеродной энергетике, ГАЭС, как и любые крупные гидротехнические сооружения, не лишены экологических недостатков. Эти аспекты требуют тщательного изучения и минимизации рисков:

• Шумовое загрязнение: Работа мощных насосных и турбинных агрегатов ГАЭС создает значительный шум, который может достигать 45 дБ и выше. Это может оказывать негативное воздействие на местную фауну и близлежащие населенные пункты.
• Влияние на биоразнообразие: В некоторых странах существуют запреты на использование ГАЭС или ограничения на их работу в сезон миграции птиц, поскольку объекты инфраструктуры (водоемы, линии электропередач) могут создавать угрозу для них.
• Затопление территорий: Строительство водохранилищ для ГЭС и ГАЭС может приводить к затоплению значительных территорий, что влечет за собой потерю сельскохозяйственных земель, лесов, экосистем и вытеснение местного населения.
• Воздействие на водные экосистемы:
  • Нарушение миграции и популяции рыб: Плотины становятся непреодолимыми барьерами для мигрирующих видов рыб, нарушая их жизненный цикл и снижая популяции.
  • Снижение уровня растворенного кислорода в воде: Изменение режима течения и стратификация воды в водохранилищах могут приводить к снижению концентрации растворенного кислорода, что негативно сказывается на водных организмах.
• Изменение климата в прибрежной зоне: Большие водохранилища могут изменять ветровой и температурный режим в прибрежной зоне, создавая «эффект внутреннего моря».
• Выделение парниковых газов: Разложение органических веществ, затопленных под водой в водохранилищах ГЭС, может приводить к выделению метана (CH₄), который является гораздо более мощным парниковым газом, чем углекислый газ. Это ставит под сомнение «чистоту» гидроэнергетики в некоторых условиях.
• Социально-экономические последствия на Глобальном Юге: Исследования показали, что для развивающихся стран (Глобального Юга) строительство ГЭС после 2001 года приводило к серьезным негативным последствиям:
  • Снижение ВВП: ВВП в зонах влияния (радиус 50 км вокруг плотины) снижался на 19-27%.
  • Утрата растительного покрова: До 40% растительного покрова было утрачено в этих же зонах, что указывает на масштабное изменение ландшафтов и экосистем.

Эти данные подчеркивают, что при планировании строительства ГАЭС необходимо проводить глубокую оценку воздействия на окружающую среду и социально-экономическую сферу, а также разрабатывать комплексные меры по минимизации негативных последствий.

Экологические преимущества ТАЭС

В отличие от ГАЭС, твердотельные аккумулирующие электростанции (ТАЭС) предлагают значительные экологические преимущества:

• Отсутствие химических компонентов: ТАЭС не содержат химических реагентов или токсичных материалов, которые характерны для литий-ионных или других аккумуляторных систем. Это исключает риски загрязнения почвы и воды, а также упрощает утилизацию оборудования.
• Минимальное воздействие на экосистемы: Поскольку ТАЭС не требуют строительства водохранилищ, они не вызывают затопления территорий, не нарушают водные экосистемы и не влияют на миграцию рыб. Их воздействие на ландшафт и биоразнообразие значительно ниже, чем у ГАЭС.
• Отсутствие выбросов парниковых газов: Работа ТАЭС не связана с выделением метана или других парниковых газов, что делает их по-настоящему «зеленой» технологией хранения энергии.

Таким образом, ТАЭС представляют собой перспективное решение, которое сочетает высокую эффективность с минимальным экологическим следом, что делает их привлекательным вариантом для будущего развития систем накопления энергии.

Перспективы развития технологий аккумулирования энергии и строительства аккумулирующих электрических станций в России и мире

Будущее энергетики неразрывно связано с развитием систем аккумулирования энергии. Как на глобальном, так и на национальном уровнях активно разрабатываются стратегии и проекты, направленные на расширение мощностей аккумулирующих станций, что является ответом на растущие потребности энергосистем и вызовы энергоперехода.

Проекты ГАЭС в России

Россия, обладая огромными гидроэнергетическими ресурсами, также активно планирует развитие гидроаккумулирующих мощностей. «Системный оператор Единой энергетической системы» включил в проект Генеральной схемы размещения объектов электроэнергетики до 2042 года планы по строительству шести новых гидроаккумулирующих станций (ГАЭС):

• Ленинградская ГАЭС: Мощность 1,17 ГВт, планируемый ввод в эксплуатацию — 2032 год.
• Загорская ГАЭС-2: Мощность 840 МВт, ввод — 2028 год. Эта станция станет дополнением к уже существующей Загорской ГАЭС.
• Центральная ГАЭС: Мощность 1,3 ГВт, ввод — 2042 год.
• Лабинская ГАЭС: Мощность 600 МВт, ввод — 2031 год.
• Балаклавская ГАЭС: Мощность 330 МВт, ввод — 2031 год.
• Приморская ГАЭС: Мощность 600 МВт, ввод — 2034 год.

Реализация этих проектов значительно увеличит маневренные мощности российской энергосистемы, повысив её надежность и способность к интеграции возобновляемых источников энергии.

В настоящее время в России эксплуатируются три гидроаккумулирующие электростанции, все они входят в состав компании «РусГидро»:

• Загорская ГАЭС: Крупнейшая в России, с установленной мощностью 1200 МВт. Она выработала более 55 миллиардов киловатт-часов экологически чистой электроэнергии за время своей работы.
• Зеленчукская ГЭС-ГАЭС: Установленная мощность 300 МВт.
• Кубанская ГАЭС: Установленная мощность 15,9 МВт.

Суммарная установленная мощность действующих ГАЭС в России составляет 1515,9 МВт. Это демонстрирует, что Россия уже имеет опыт эксплуатации таких объектов, и новые проекты являются логичным продолжением развития этого направления.

Мировые тенденции и крупные проекты

Мировые державы также активно инвестируют в развитие ГАЭС и других систем накопления энергии:

• Китай: Является мировым лидером в развитии ГАЭС. В сентябре 2021 года Национальное управление энергетики Китая опубликовало средне- и долгосрочный планы развития ГАЭС до 2035 года, согласно которым установленная мощность ГАЭС достигнет 62 тыс. МВт к 2025 году и около 120 тыс. МВт к 2030 году. Одним из ярких примеров является ГАЭС «Фэннин» в Китае, которая после завершения строительства в 2023 году стала самой крупной в мире, с проектной мощностью 3600 МВт.
• Инновационные решения: Помимо традиционных ГАЭС, активно развиваются и другие технологии. Так, китайская компания CATL разработала аккумуляторную систему хранения емкостью 100 МВт·ч для демонстрационного проекта «Luneng Haixi». Этот проект представляет собой комбинацию различных типов электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии, что подчеркивает тенденцию к созданию гибридных энергетических комплексов.

Эти примеры демонстрируют глобальный тренд на усиление роли систем накопления энергии в национальных энергетических стратегиях.

Общие перспективы развития систем накопления энергии

Развитие технологий накопления энергии в ближайшем будущем кардинально изменит ландшафт мировой энергетики:

• Повышение надежности и гибкости энергосистем: СНЭЭ позволят операторам более эффективно управлять сетью, быстро реагируя на любые изменения.
• Сглаживание пиков потребления: Это снизит нагрузку на традиционные электростанции и уменьшит потребность в дорогостоящих пиковых генераторах.
• Расширение зон распределенной генерации: СНЭЭ облегчат интеграцию малых генерирующих объектов (солнечные панели на крышах, небольшие ветровые установки) в локальные сети.
• Интеграция большего объема возобновляемых источников энергии: Это ключевой аспект для достижения целей декарбонизации и борьбы с изменением климата. По прогнозу BloombergNEF, установленная мощность систем накопления энергии (без учета ГАЭС) по всему миру к концу 2030 года достигнет 411 ГВт, а их емкость — 1194 ГВт·ч. Мировой рынок систем хранения энергии, оцениваемый в 668,7 млрд долларов США в 2024 году, прогнозируется к росту до 5,12 трлн долларов США к 2034 году, что свидетельствует о его огромном потенциале.

Таким образом, аккумулирующие электрические станции и другие системы накопления энергии являются не просто дополнением, а неотъемлемой частью будущей энергетической инфраструктуры, обеспечивающей устойчивость, эффективность и экологичность.

Заключение

Аккумулирующие электрические станции, в особенности гидроаккумулирующие (ГАЭС), а также активно развивающиеся твердотельные (ТАЭС) и другие системы накопления энергии (СНЭЭ), играют возрастающую и критически важную роль в современных энергосистемах. В условиях глобального энергоперехода, характеризующегося беспрецедентным ростом доли возобновляемых источников энергии (ВИЭ), эти станции выступают в качестве незаменимого инструмента для стабилизации сети, выравнивания графиков нагрузки и обеспечения надежности энергоснабжения.

Наш анализ показал, что ГАЭС, благодаря своей высокой маневренности, нулевому техническому минимуму и широкому регулировочному диапазону, значительно превосходят традиционные ТЭС и АЭС в способности быстро реагировать на изменения в энергосистеме. Они эффективно поглощают избыточную энергию в периоды минимальной нагрузки или пиковой генерации ВИЭ и оперативно выдают её в сеть в часы дефицита, тем самым оптимизируя работу всего генерирующего парка.

Однако, наряду с неоспоримыми преимуществами, строительство и эксплуатация аккумулирующих станций сопряжены с серьезными экономическими и экологическими вызовами. Высокие капиталовложения, риски затопления территорий, негативное воздействие на биоразнообразие и, как показывают новейшие исследования, даже потенциальное выделение метана (CH₄) из водохранилищ, требуют тщательной оценки и разработки комплексных мер по минимизации вреда. В этом контексте твердотельные аккумулирующие электростанции (ТАЭС) предлагают перспективную альтернативу, сочетая высокую эффективность с минимальным экологическим следом.

Перспективы развития аккумулирующих электрических станций как в России, так и в мире остаются исключительно высокими. Планы по строительству новых ГАЭС в России, а также масштабные инвестиции Китая и других стран в развитие как гидроаккумулирующих мощностей, так и инновационных систем накопления энергии, подтверждают их стратегическую важность. Развитие этих технологий не только повысит надежность и гибкость энергосистем, но и станет катализатором для дальнейшего расширения распределенной генерации и более глубокой интеграции ВИЭ.

Таким образом, комплексный подход к развитию аккумулирующих станций, учитывающий технические, экономические и экологические факторы, является ключевым для построения устойчивой и эффективной энергетической системы будущего.

Список использованной литературы

1. Зайцев С.А., Толстов А.Н., Грибанов Д.Д., Меркулов Р.В. Метрология, стандартизация и сертификация в энергетике. М.: Академия, 2012. 224 с.
2. Быстрицкий Г.Ф., Гасангаджиев Г.Г., Кожиченков В.С. Общая энергетика (Производство тепловой и электрической энергии). М.: КноРус, 2012. 408 с.
3. Перов А.И. Основы построения спутниковых радионавигационных систем. М.: Радиотехника, 2012. 240 с.
4. Епифанов А.П. Основы электропривода. СПб.: Лань, 2009. 192 с.
5. Ерохин В.Г., Маханько М.Г. Основы термодинамики и теплотехники. М.: Либроком, 2009. 226 с.
6. Гидроаккумулирующая электростанция — Загорская ГАЭС // РусГидро : официальный сайт. URL: https://www.rushydro.ru/press/news/zagorskaya-gaes/ (дата обращения: 01.11.2025).
7. ГАЭС: универсальный солдат // Росэнергоатом : официальный сайт. URL: https://rosenergoatom.ru/press/publications/gaes-universalnyy-soldat/?sphrase_id=41804 (дата обращения: 01.11.2025).
8. В регионах построят 6 гидроаккумулирующих станций и 8 ГЭС до 2042 года // Энергетический вестник : официальный сайт. URL: https://xn--90aivcdt6dx.xn--p1ai/articles/v-regionakh-postroyat-6-gidroakkumuliruyushchikh-stantsiy-i-8-ges-do-2042-goda (дата обращения: 01.11.2025).
9. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) // StudFiles : образовательный портал. URL: https://studfile.net/preview/4388435/page:6/ (дата обращения: 01.11.2025).
10. Использование ГАЭС для выравнивания графика нагрузки. Основные принципы работы ГАЭС. Эффективность выбора площадки и эффективность ГАЭС. // Лекции.орг : образовательный портал. URL: https://lektsii.org/3-70676.html (дата обращения: 01.11.2025).
11. Вопросы применения и развития систем накопления электроэнергии // CyberLeninka : научная электронная библиотека. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/voprosy-primeneniya-i-razvitiya-sistem-nakopleniya-elektroenergii/viewer (дата обращения: 01.11.2025).
12. Гидроаккумулирующие электростанции, принцип действия ГАЭС, устройство // ЭнергоГид : информационный портал. URL: https://energogid.com/gidroakkumuliruyushhie-elektrostancii-princip-dejstviya-gaes-ustrojstvo/ (дата обращения: 01.11.2025).
13. Загорская ГАЭС произвела 55 миллиардов киловатт-часов экологически чистой электроэнергии // РусГидро : официальный сайт. URL: https://www.rushydro.ru/press/news/zagorskaya-gaes-proizvela-55-milliardov-kilowatt-chasov-ekologicheski-chistoy-elektroenergii/ (дата обращения: 01.11.2025).
14. Развитие систем накопления энергии в мире: от концепций до проектов // Электроэнергия. Передача и распределение : отраслевой журнал. URL: https://www.eepr.ru/articles/razvitie-sistem-nakopleniya-energii-v-mire-ot-koncepcij-do-proektov/ (дата обращения: 01.11.2025).
15. Неравномерность графика нагрузки энергосистемы и способы ее // CyberLeninka : научная электронная библиотека. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/neravnomernost-grafika-nagruzki-energosistemy-i-sposoby-ee/viewer (дата обращения: 01.11.2025).
16. Режим работы ГЭС и ГАЭС в объединенных энергосистемах // Энергетика : учебник. URL: https://www.sites.google.com/site/energetikauchebnik/2/2-8-rezim-raboty-ges-i-gaes-v-obedinennyh-energosistemah (дата обращения: 01.11.2025).
17. Использование ГАЭС для оптимизации режимов загрузки энергосистем // Лекции.орг : образовательный портал. URL: https://lektsii.org/17-76856.html (дата обращения: 01.11.2025).
18. Твердотельная аккумулирующая электростанция // Википедия : свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%B4%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B0%D0%BA%D0%BA%D1%83%D0%BC%D1%83%D0%BB%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F (дата обращения: 01.11.2025).