⚡ ГАЭС (Pumped Storage) — гидроаккумуляция

Модуль #286. Алакольская ГАЭС (план 1200 МВт КЕГОК + Korea Hydro KHNP), Мойнакская ГЭС-2 (план), Жонгар-Алатау PSH. Pumped Storage Hydroelectric (PSH) — крупнейший в мире класс grid-scale energy storage (>95% мировой ёмкости storage), works так: ночью при дешёвой энергии (off-peak) насосы перекачивают воду из нижнего резервуара (lower reservoir) в верхний (upper reservoir, head 100-700 м); днём при peak demand вода идёт обратно через reversible turbine, генерируя 800-3000 МВт за 4-12 часов. Эффективность round-trip 70-80% (с учётом потерь насосов + турбин + испарения). Voith Hydro / GE Renewable / Andritz Hydro делают reversible Francis turbines. ICOLD 2020 (Bulletin 170) + СНиП 2.06.01 + IEC 60193 (модельные испытания турбин).

1. Состав ГАЭС 1200 МВт

ICOLD 2020 + СНиП 2.06.01 + IEC 60193 + Voith Hydro design guidelines:

Upper reservoir (верхний резервуар): искусственный бассейн на холме / горном плато, ёмкость 5-15 млн м³, площадь 30-100 га, dam height 30-60 м (asphaltic concrete ACC face или CFRD concrete-faced rock fill), геомембрана HDPE 2 мм для гидроизоляции; контурный канал + аварийный спускной затвор.
Lower reservoir (нижний резервуар): существующее озеро (Алакольское) или искусственный bassin 7-20 млн м³ (на 30% больше upper для buffer), регуляторный закон сохранения уровня; intake screen для предотвращения попадания рыбы (fish-friendly screen ≤10 мм mesh).
Penstock (напорный трубопровод): подземный туннель Ø6-9 м длиной 1-3 км из бетона B45 W12 + steel-lined нижняя секция (high-pressure 5-8 МПа), стальная футеровка 30-50 мм X65, ИЛОТ-test 1.5× design pressure.
Surge tank / surge chamber: вертикальный «колодец» Ø15-25 м H=50-100 м для смягчения water-hammer при быстром закрытии затвора турбины; иначе давление прыгнет до 1.5× design — pipe rupture risk.
Powerhouse (машинный зал): подземная пещера 100×30×40 м (в скале на 200-400 м глубине ниже upper reservoir), бетон B40 + ankerage anchor bolts; 4-8 reversible turbine-pump units 200-400 МВт каждый.
Reversible Francis turbine-pump: Voith Hydro / GE Renewable / Andritz, диаметр runner 5-8 м, weight 200-400 т, скорость 250-500 rpm, η_turbine 92-93%, η_pump 89-91% → round-trip 70-80%; specific speed Ns 30-90 для head 100-700 м.
Spherical valve (затвор): Voith / Andritz сферическая задвижка Ø3-5 м между penstock и turbine — позволяет полную isolation для maintenance + аварийную закрытие за 60-90 сек.
Generator-motor: синхронная машина 200-400 МВА, напряжение 18-22 кВ, обмотка статора Cu водяное охлаждение, ротор salient-pole с возбуждением AVR Brushless; работает как мотор (pump mode) или generator (turbine mode), reversal по реверсу phase rotation.
Step-up transformer: 18/220 или 18/500 кВ × 400 МВА × 8 шт, oil-immersed YNd11, охлаждение ONAF / OFAF, BIL 1175 кВ; выход на 220-500 кВ open switchyard.
Open switchyard: 220-500 кВ GIS (Gas Insulated Switchgear) Siemens 8DJH SF6-free / ABB ELK-04, breakers 50-63 кА short-circuit, busbar Al pipe или Cu rod.
Cooling system: closed-loop water cooling для генераторов + maslo cooler через heat exchanger; outdoor cooling tower 100-200 МВт термальной нагрузки.
SCADA + AGC: Honeywell Experion / ABB Symphony Plus, real-time grid frequency regulation (response 1-2 сек), automatic generation control AGC для участия в balancing market КЕГОК.
Fish ladder / mitigation: для существующего lower reservoir с рыбой — отдельный bypass channel с baffle steps + fish screen на intake; EBRD ESIA требование.
Адм. + control room 24/7: 50-100 рабочих 4-сменка, центр диспетч + maintenance shop + помещение для генератора-emergency.
Сертификация: ICOLD certification для dam safety, IEC 60193 model testing турбин, IEEE 421 для AVR, КАЭН РК для электробезопасности.

Упражнение 1 — Reversible turbine choice

ГАЭС 1200 МВт, head H=130 м (low-medium head). Какая турбина по IEC 60193 + Voith Hydro design + KHNP best practice?

Pelton turbine impulse — для очень высоких напоров H>500 м, не подходит для H=130 мKaplan turbine axial — для очень низких напоров H<60 м, не подходитBulb turbine pour-tube — для приливных, нетReversible Francis turbine-pump (RPT) Voith Hydro / GE Renewable / Andritz Hydro для H=130 м, η round-trip 75-80% по IEC 60193: 1) Конструкция — radial-axial reaction turbine, runner Ø5-7 м с 13-17 spiral blades curved, weight 150-300 т, материал stainless steel 13/4 Cr-Ni (для cavitation resistance + erosion); 2) Specific speed Ns = n·√P/H^(5/4) = 60-90 m·kW для H=130 м (Francis range), n=300-500 rpm; 3) Operating range — 60-100% rated output (турбина) и 70-100% (насос) — pump mode требует minimum flow >70% т.к. ниже cavitation в impeller; 4) Reversal — change in direction of rotation (CW for turbine ↔ CCW for pump) via phase-sequence switch on motor-generator, takes 3-5 минут с full stop → reverse → full speed; 5) Efficiency curves — η_turbine 92-93% at BEP (best efficiency point), η_pump 89-91% (потери выше в pump mode из-за inlet swirl); round-trip η = η_pump × η_turbine × η_motor × η_generator × η_pipe = 0.90 × 0.92 × 0.99 × 0.99 × 0.97 = 79%; 6) Cavitation protection — submergence Hs = (Hatm − Hvapor) / σ × η_critical, для Francis σ ≈ 0.10-0.15 при Ns=70 ⇒ Hs ≥ 5-8 м (turbine ниже tail water level); 7) Spiral case + draft tube — concrete-embedded steel casing 50-70 мм X65, conical draft tube с recovery 80-85% kinetic energy; 8) Ramp response — start-up из стенда 90 сек до full output, ramp 0-100% за 30 сек — отличный для frequency regulation grid; 9) Maintenance — major overhaul каждые 30-40 лет, runner re-machining (cavitation pitting repair) каждые 10-15 лет, balancing после repair; 10) Modern variable-speed Francis (DFIM doubly-fed induction motor) — позволяет efficient pump mode at part-load + grid frequency support даже без 100% load; IEC 60193 + IEC 61116 + Voith Hydro design + ICOLD Bulletin 170 + ASME PTC 18

Упражнение 2 — Объём upper reservoir

ГАЭС 1200 МВт работает в turbine mode 8 часов (peak hours). Head H=130 м, η_turbine = 0.92. Формула гидроэнергии: P = ρ·g·Q·H·η, где ρ=1000 кг/м³, g=9.81 м/с². Какой нужен объём воды (м³) в upper reservoir для 8 часов выдачи 1200 МВт?

Упражнение 3 — Капекс ГАЭС 1200 МВт

ГАЭС Алакольская 1200 МВт × 8 ч × H=130 м «под ключ»:

Геотехн. изыскания + бурение 3 км × 20 скважин для bedrock + сейсм. обследование = 4.5 млрд тг
Upper reservoir — dam 50 м H × 600 м L (CFRD concrete-faced rock fill 800 тыс м³ rock + 30 тыс м³ concrete face) = 110 млрд тг
HDPE 2 мм гидроизоляция + GCL Bentofix 200 га дна + аварийный спускной затвор = 18 млрд тг
Lower reservoir — dam 20 м H × 800 м L + intake screen fish-friendly + diversion tunnel = 65 млрд тг
Penstock туннель Ø7 м × 1.5 км в скале — TBM Robbins или D&B drilling-blast = 95 млрд тг
Steel lining penstock 30-50 мм X65 на high-pressure участке 500 м = 38 млрд тг
Surge tank Ø20 м H=80 м (ж/б бетон B40 + waterstop) = 22 млрд тг
Powerhouse подземная пещера 100×30×40 м (бетон B40 + anchor bolts + rock support) = 110 млрд тг
Reversible Francis turbine-pump Voith Hydro 4×300 МВт (под ключ под установку) = 240 млрд тг
Spherical valves Andritz 4 шт Ø4 м = 14 млрд тг
Generator-motor 4×335 МВА синхронные + AVR Brushless = 95 млрд тг
Step-up transformers 220/18 кВ 4×400 МВА (oil-immersed YNd11) = 28 млрд тг
GIS switchyard 220 кВ Siemens 8DJH + breakers 63 кА + busbar = 35 млрд тг
ЛЭП 220 кВ 50 км до КЕГОК + tie-in = 14 млрд тг
Cooling tower 200 МВт + насосы Sulzer + closed-loop water = 12 млрд тг
SCADA + AGC ABB Symphony Plus + DCS + control room 24/7 = 8 млрд тг
Fish ladder mitigation + EBRD ESIA + environmental compensation = 9 млрд тг
Подъездная дорога 30 км + ж/д подвоз turbine 300 т каждая (special transport) = 22 млрд тг
Жилой блок 200 рабочих вахта 14/14 + столовая + медпункт + спортзал = 8 млрд тг
ICOLD certification + dam safety review + IEEE 421 testing + проектирование 5% + ПИР + НР + СП + PNR + страхование стр.-мон. + interest during construction = 105 млрд тг

Итого capex (тг, округл. до млрд):

Упражнение 4 — Round-trip efficiency

ГАЭС работает: night pump (off-peak 02:00-06:00) → day turbine (peak 18:00-22:00). Round-trip η = 75%. Что это значит экономически и как maximize ROI по EPRI Pumped Storage Handbook?

Round-trip 75% означает мы получаем 25% бесплатной energyRound-trip это коэффициент капиталовложенийRound-trip η = E_out/E_in = 75% — из 100 МВт·ч закачанных ночью получаем 75 МВт·ч днём; экономика работает на peak-trough price spread по EPRI Pumped Storage Handbook + ENTSO-E methodology: 1) Energy losses 25% — потери в pump (10%) + turbine (8%) + pipe friction (3%) + transformer (1%) + generator (1%) + испарение (2%); 2) Economic principle — покупаем электричество в off-peak (ночь, по $20-30/МВт·ч из-за избытка baseload AЭС/ТЭЦ) и продаём в peak (вечер, по $80-120/МВт·ч когда максимальный спрос); 3) Per-MWh profit = $100 × 0.75 (selling 75 МВт·ч) − $30 × 1.0 (buying 100 МВт·ч) = $75 − $30 = $45/МВт·ч generated; 4) Annual revenue — 1200 МВт × 8 ч × 365 = 3.5 млн МВт·ч × $45 = $158M USD/год = 80 млрд тг/год; 5) Optimisation — Day-Ahead Market bidding + Intraday Market корректировки + Ancillary Services (frequency regulation, voltage support) с премией $20-50/МВт·ч; 6) Multi-day cycling — иногда выгоднее не работать ежедневно а раз в неделю (например в weekend off-peak → workday peak) для большего spread; 7) Capacity payments — в balanced market PSH получает $60-120/кВт/year capacity payment от TSO КЕГОК за «standby reliability»; 8) Black start — PSH имеет уникальную способность restart grid после blackout (нет внешнего питания требуется, hydraulically) — премия $50-100/кВт/year; 9) Renewable integration — PSH compensates intermittency wind/solar (over-supply → pump up, under-supply → discharge), это growing market РК с ростом доли ВИЭ (план КЕГОК 30% к 2030); 10) Climate change risk — изменение precipitation patterns может влиять на water availability в lower reservoir (для Алакольской ГАЭС критично — Алакольское озеро уже теряет 1-2% объёма/декаду); EPRI Pumped Storage Handbook + ENTSO-E Day-Ahead Market + IEA World Energy Outlook + IEEE 1547 + IEC 61400-25 (energy storage)Round-trip это процент возврата кредита

Нормативная база

ICOLD Bulletin 170 (2020) — Pumped Storage Hydroelectric Plants — Design Considerations
ICOLD Bulletin 137 — Reservoirs and Seismicity
СНиП 2.06.01-86 — Гидротехнические сооружения. Основные положения
СНиП 2.06.05-84* — Плотины из грунтовых материалов
СНиП 2.06.06-85 — Плотины бетонные и железобетонные
СН РК 3.04-08 — Гидротехнические сооружения
IEC 60193 — Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines — Model acceptance tests
IEC 60041 — Field acceptance tests of hydraulic turbines
IEC 61116 — Electromechanical equipment guide for small hydroelectric installations
IEC 61400-25 — Communications for monitoring and control of energy storage
IEEE 421 — Excitation systems for synchronous machines
ASME PTC 18 — Performance Test Codes for Hydraulic Turbines and Pump-Turbines
EPRI Pumped Storage Handbook — Electric Power Research Institute (USA)
ENTSO-E Network Code on Grid Connection — европейский grid code для генераторов
IEEE 1547 — Standards for Interconnecting Distributed Resources
Equator Principles + IFC PS6 — финансовые ESG-стандарты
EBRD ESIA — Environmental and Social Impact Assessment