Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)

Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) — это специальный тип гидроэлектростанции, которая служит для хранения электрической энергии путём перекачивания воды в верхний резервуар в периоды низкого спроса на электроэнергию, и выработки электроэнергии путём сброса воды в периоды пиковой нагрузки.

ГАЭС — это старейший и наиболее распространённый метод крупномасштабного хранения энергии в мире. По состоянию на 2020 год, ГАЭС составляют 95% всех активных установок хранения энергии в мире.​

Принцип работы ГАЭС

ГАЭС состоит из двух водохранилищ (бьефов), расположенных на разных высотах:​

Режим аккумулирования (ночной провал нагрузки)

В период низкого потребления электроэнергии (в основном ночью):

1. Обратимые гидроагрегаты ГАЭС переходят в режим насоса
2. Получают дешёвую электроэнергию из энергосети в период её минимума
3. Используют эту энергию для перекачивания воды из нижнего бьефа в верхний резервуар (заряд)
4. Вода аккумулируется в верхнем резервуаре, запасая потенциальную энергию​

Режим генерирования (пиковая нагрузка)

В период высокого потребления электроэнергии (утро и вечер):

1. Обратимые гидроагрегаты ГАЭС переходят в режим турбины
2. Вода из верхнего резервуара сбрасывается в нижний бьеф
3. Падающая вода приводит в действие турбину
4. Турбина вращает генератор, вырабатывая дорогостоящую пиковую электроэнергию высокого качества
5. Электроэнергия поступает в энергосеть​

Оборудование ГАЭС

ГАЭС может использовать двух видов оборудование:​

Раздельная схема

• Отдельный генератор и отдельный насос
• Допускает использование оборудования общего назначения, однако занимает больше места

Обратимые гидроагрегаты (предпочтительный вариант)

• Один агрегат работает и в режиме генератора (выработка электроэнергии), и в режиме насоса (накопление)
• Механизм автоматической переключения позволяет операторам быстро менять режимы работы
• Время реверса мощности между режимом генерирования и накопления можно минимизировать

По состоянию на 2020 год, обратимые гидроагрегаты широко применяются на современных ГАЭС благодаря повышенной эффективности и гибкости.​

Основные сооружения ГАЭС

Стандартная ГАЭС включает следующие компоненты:​

• Верхний резервуар — аккумулирующий водоём, где хранится вода перед сбросом
• Нижний резервуар — водоём для сбора воды после прохождения через турбину
• Система подачи воды — напорные туннели и трубопроводы, соединяющие резервуары
• Машинный зал — здание, где размещаются обратимые гидроагрегаты, генераторы и двигатели
• Системы управления и регулирования — автоматическое управление режимами работы

Энергетическая эффективность

Современные ГАЭС характеризуются следующими показателями эффективности:​

• Общий КПД: 65–77% (на ранних ГАЭС конца XIX века был около 10%)
• Рекуперация энергии: в благоприятных условиях работы может достигать 80%
• Напор рабочей воды: обычно 200–800 м (оптимальный напор для эффективности — не менее 100 м)

Уменьшение удельных капиталовложений на ГАЭС улучшается с увеличением напора. Оптимальная мощность ГАЭС должна составлять 10–15% от суммы установленных мощностей энергосистемы.​

Функции и роль в энергосистеме

ГАЭС выполняет множество критически важных функций в энергосистеме:​

• Сглаживание пиков нагрузки — выравнивание суточной неоднородности графика потребления электроэнергии (основная функция)
• Выполнение функций частотного резерва — быстрое изменение мощности при возникновении аварийных ситуаций
• Аварийный резерв — готовность системы к аварийным пусков менее чем за 2 минуты
• Чёрный пуск — возможность восстановления энергосистемы после полного отключения
• Генерация реактивной мощности — синхронная компенсация при работе в режиме синхронного компенсатора
• Поддержание качества электроэнергии — компенсация реактивной мощности и стабилизация напряжения

Вращающиеся агрегаты ГАЭС принимают нагрузку за несколько секунд из недогруженного состояния, что делает их одним из самых быстрых источников резерва в энергосистеме.​

ГАЭС в России

По состоянию на 2025 год, в России функционирует три ГАЭС:​

Загорская ГАЭС (крупнейшая в России)

• Мощность: 1200 МВт (турбинный режим), 1320 МВт (насосный режим)​
• Расположение: река Кунья, Сергиево-Посадский район Московской области
• Верхний бассейн: полезный объём 22,4 млн м³, полный объём 30 млн м³
• Время работы: 4 часа 20 минут на номинальной мощности, вырабатывая 4,6–5,2 млн кВт·ч
• Собственник: ПАО «РусГидро»
• История: первая очередь построена в 1980–2003 годах, вторая очередь строится с 2007 года мощностью 840 МВт (планируется завершение в 2028 году)​

Кубанская ГАЭС

• Расположение: Северный Кавказ
• Собственник: ПАО «РусГидро»

Зеленчукская ГЭС-ГАЭС

• Расположение: Северный Кавказ
• Функции: гибридная станция — обычная ГЭС с элементами аккумулирования

Развитие ГАЭС до 2042 года

Согласно Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики до 2042 года, в России планируется строительство шести новых ГАЭС:​

Глобальный контекст

На мировом уровне:​

• Крупнейшая ГАЭС в мире — китайская станция с установочной мощностью 3,6 ГВт, ожидается рекуперация до 6,6 млрд кВт·ч ежегодно с КПД до 80%
• Общемировая мощность ГАЭС: более 170 млн кВт (94% от всех мощностей хранения энергии)
• Вторая по величине после КНР — Швейцария с относительной долей 32,6% гидроаккумулирующей мощности от общей генерирующей мощности

Значение для возобновляемой энергетики

ГАЭС приобретают ещё большую значимость в контексте развития солнечной и ветровой генерации:​

• Интеграция ГАЭС с солнечными батареями (включая плавающие на воде) и ветроэлектростанциями позволяет накапливать энергию и компенсировать неравномерность выработки возобновляемых источников
• На фоне растущей доли переменных ВИЭ роль ГАЭС как стабилизатора энергосистемы критически возрастает

ГАЭС известны как «стабилизатор», «регулятор» и «балансир» в обеспечении безопасной, экономичной и стабильной работы энергосистемы.