Что такое гидроэнергетика: энергия падающей воды

Две трети земной поверхности покрыто водой. Но и это ещё всё. Мировые запасы гидросферы, включающей содержащуюся в атмосфере влагу, поземные и надземные водоёмы, снежный и ледниковый покров, а также Мировой океан, оцениваются в 1 миллиард 390 миллионов кубометров жидкости. Под воздействием солнечного света и внутреннего тепла Земли в природе происходит круговорот воды, силу и мощь которого поставил человек себе на пользу с момента зарождения цивилизации.

Тогда на помощь хозяйственной деятельности людского сообщества пришла гидроэнергетика, впервые покорившая одну из стихий природной среды обитания.

Энергия движущейся воды обеспечивает 1/6 производства электричества в мире. Составившего в 2000 году порядка 4 500 ТВт∙ч электроэнергии. Достигнутый показатель превышает выработку атомных станций или всех иных возобновляемых источников электроэнергии.

Что такое гидроэнергетика

Гидроэнергетика – это преобразование потенциальной энергии воды в энергию электрическую. Процесс содержит последовательную череду превращений: потенциальной энергии падающей воды → в механическую энергию вращения турбины, → движущийся момент которой приводит в движение генератор, вырабатывающий электрический ток. Во время описываемой последовательности событий огромные массы воды перемещаются с верхней отметки на отметку нижнюю.

Гидравлическая кинетическая (появляющаяся за счёт движения тел) энергия не возникает из ничего. Причиной её возникновения служит солнечной свет и сила притяжения нашей планеты, вот почему гидроэнергия относится к возобновляемым природным ресурсам. Под воздействием солнечных лучей вода испаряется с поверхности рек, озёр, морей и океанов, чтобы потом в виде осадков упасть на земную поверхность. Вследствие неровностей почвы, вращения самой планеты происходит не только условно вертикальное (не забываем, что Земля всё-таки круглая, и она вертится, поэтому и «условно»), но и условно горизонтальное перемещение водных масс, как правило, происходящее с некоторым уклоном сверху в низ.

Существует немало природных аномальных зон и феноменов, где всё происходит наоборот: вода течёт снизу вверх. Это обратные или перевёрнутые водопады, обозначенные специальным английским термином «blown water» или отдельные участки рек и каналов.

Вот это-то движение водных масс с более высоко уровня на уровень более низкий, используемое в качестве движущей силы, и даёт понимание того, что такое гидроэнергетика, – та самая водная энергия рек, мощь которой ещё задолго до освоения электричества использовали наши предки для вращения мельничных жерновов и для раздувания кузнечных мехов.

С течением времени назначение гидросооружений, создаваемых для производства электрической энергии, существенно расширилось. Они стали параллельно использоваться для водоснабжения, ирригации, судоходства, территориальной защиты от наводнений и паводков.

История развития гидроэнергетики

История развития гидроэнергетики уходит своими корнями во времена появления человека разумного, сумевшего впервые забраться на плывущую по реке льдину или ствол дерева. Далее были плоты, лодки и корабли, вместе с которыми, где-то в районе IV тысячелетия до нашей эры, начинают появляться первые дошедшие до нас свидетельства подчинения водной стихии человеком.

Примерно через тысячелетие водяные колёса находят активное применение в Китае, Индии, Египте.

Водяные колёса, оснащённые валом с насаженными на нём лопатками, нашли применение среди горцев Ближнего Востока двумя тысячелетиями позднее. Выглядели они примерно так:

Следующим шагом на пути развития механики, ставящей целью применение энергии падающей с предварительно сформированного гидротехнического сооружения воды, стало создание водяного колеса Витрувия, датируемого первым веком нашей эры.

На протяжении нескольких тысячелетий с помощью водяных колёс мололи зёрна, выжимали масла, размягчали яблоки, подавали воду в водопроводы. В Средние Века тысячи водяных мельниц заполняли собой города Западной Европы. Постепенно их назначение расширялось в область переработки руды, металлургии, суконного производства, деревообработки.

Русский умелец Никита Павлов умудрился даже соорудить приливные мельницы на побережье Белого моря.

Следующий шаг в развитии гидроэнергетики был сделан в XVIII веке, когда француз Бернар Форест де Белидор создал описание вертикальных и горизонтальных гидравлических машин, а англичанин Ричард Аркрайт в 1771 году умудрился создать на их основе технологию непрерывного фабричного производства. Через полстолетия – в 1834 году инженер из Франции Бенуа Фурнерон демонстрирует первую водяную турбину. В соединении с электрическим генератором она позволила к 1878 году англичанину Уильяму Армстронгу запустить в работу самую первую в истории гидроэлектростанцию. Гидроэнергетическую установку, сооружённую в поместье Крэгсайд графства Нортумберленд, что расположено в Северо-Восточной Англии.  

С тех самых пор начался самый настоящий бум строительства гидроэлектростанций, приведший к тому, что к 1920 году в США ими вырабатывалось 40% производимой электрической энергии. К концу 2018 года суммарная мощность всех гидроэлектростанций (включающая и мощность ГАЭС) планеты составляла 1283,4 ГВт. Первой российской ГЭС стала сооружённая на реке Березовка, что расположена в Алтае, Березовская (Зыряновская) ГЭС мощностью в 200 кВт. Выстроена она была в 1892 году.

Подробнее с историей российской гидроэнергетики можно познакомиться, посмотрев следующий видеоматериал:

МузейГидроэнергетики Ролик 7мин DiVx

Способы получения гидроэнергии

Возможность извлечения пользы из движения водных масс всегда требует наличия определённых естественных условий. А они, в свою очередь, влекут за собой необходимость некоторого конструктивного обустройства – строительства ряда сооружений. Ведь гидроэнергия это  не совсем то, чем можно воспользоваться в любом месте обращения воды. Вот почему на практике экономически оправдано её получение за счёт нескольких, доказавших свою эффективность способов.

Обычные (плотины)

Классический способ влечёт организацию водохранилища, ограничиваемого искусственно созданной плотиной. Возникает энергетический потенциал, обусловленный разностью уровней верхнего и нижнего бьефа (водной поверхности водохранилища и естественного русла реки) – напором.

Проложенный в теле плотины напорный водопровод обеспечивает подачу воды от водоприёмника к гидротурбине, что приводит в действие генератор электрической энергии.

Гидроаккумулирующие

При всех своих достоинствах, электрическая энергия обладает одним очень существенным недостатком – её невозможно хранить в больших объёмах. А покрывать пиковые значения энергосистем надо.

При отсутствии значительных нагрузок гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) работают в насосном режиме, заполняя верхний бассейн – аккумулируя потенциальную энергию воды. Чтобы при необходимости сбросить её в нижний бассейн во время турбинного режима, попутно генерируя электроэнергию.

К началу 2019 года общая мощность всех гидроаккумулирующих электростанций мира составляла 109,1 ГВт, что позволяет ежесуточно корректировать коэффициент мощности генерирующих систем в сторону улучшения.

Сток реки

Гидроэлектростанция, размещающаяся в русле реки, или вообще не имеет водохранилища или располагает водоёмом незначительной ёмкости. Устанавливаются они на ручьях, реках с минимальными стоками, либо в случае подпитки потока от расположенного выше по течению озера или водохранилища. При меньшей площади затопления, такие станции находятся в прямой зависимости от сезонных перепадов уровня воды, что существенным образом влияет на стабильность поставок энергии.

Прилив

Принцип действия приливных электростанций основан на использовании энергии приливов, обязанных своему происхождению вращению Земли. Сооружают их на морских побережьях, где перепад воды в процессе прилива-отлива может достигать 18 метров высоты. Есть варианты и с установкой гидротурбины на морские суда.

Такие станции могут использоваться как аккумулирующее энергию сооружение – гидроаккумулирующие электростанции. В таком случае в водохранилище, образованное посредством перекрытия устья реки или залива плотиной, перекачивается вода (гидроагрегаты здесь выступают в роли насосов), электроэнергия посредством которой вырабатывается в дальнейшем путём обратного сброса, сопровождающегося работой гидроагрегатов в генераторном режиме.

Классификация гидроэлектростанций

В основу классификации ГЭС положен ряд признаков: способ использования гидроресурсов, определяющий напор; уровень производимой мощности и максимум достижимого напора.

По принципу действия

Плотинные

Поперёк реки сооружается плотина, предназначенная для подъёма уровня воды. Местом установки станций – полноводные реки равнин или горные реки в местах сужения русла.

Большинство ГЭС в мире именно такого типа.

Приплотинные

В случае естественного значительного перепада воды (до 300 м) сооружаются приплотинные ГЭС. Где здание станции возводится непосредственно за плотиной внизу, а подача воды к турбинам происходит с помощью специально выполненных напорных тоннелей.

Деривационные

Деривационные речные ГЭС возводят в тех местах, где уклон реки не позволяет напрямую воспользоваться её потоком. Для чего выполняется отвод воды по спрямлённым водоводам или каналом (деривация). В итоге, – поток поступает непосредственно внутрь станции. Различают два вида деривационных гидроэлектростанций – с напором, возникающим в результате значительного уклона водовода, или без него – за счёт возведения высокой плотины.

Гидроаккумулирующие

Станции, что созданы для выработки электроэнергии в моменты пиковых нагрузок. Они могут иметь шлюзы и судоподъёмники, ирригационные, водозаборные и рыбопропускные сооружения.

По вырабатываемой мощности

Величина генерируемой мощности находится в прямой зависимости от расхода воды, напора и технических характеристик турбогенераторов. Малые ГЭС вырабатывают до 5 МВт, средние до 25 МВт, мощные – свыше 25 МВт. Деление весьма условно и в целом ряде стран мира приняты другие цифры для классификации гидроэлектростанций по вырабатываемой мощности.

По напору воды

В зависимости от максимума напора воды ГЭС бывают:

• низконапорные – 3÷25 м,
• средненапорные – 25÷60 м,
• высоконапорные – более 60 м.

Условия создания гидроэлектростанций строго нормированы целым рядом федеральных законов, постановлений Правительства РФ, ГОСТов, Правил и СТО. Наиболее актуальным регламентирующим документом, учитывающим все нормативно-технические требования можно считать разработанный НП «Гидроэнергетика России», ОАО «Инженерный центр ЕЭС» СТО 17330282.27.140.011-2008 «Гидроэлектростанции. Условия создания. Нормы и требования» (далее – Стандарт).

Документ был принят и введён в действие приказом по ОАО РАО «ЕЭС России» от 30 июня 2008 года за № 306, в результате чего стал действующим Стандартом этой организации. Однако его действие не распространяется на сооружение бесплотинных, приливных и волновых гидроэлектростанций.

Стандарт предписывает принимать решение о строительстве гидроузла, составной частью которого может быть и гидроэлектростанция, «на основании комплексного рассмотрения всех технических, природоохранных, водохозяйственных, водноэнергетических, социальных и экономических проблем, возникающих в результате строительства гидроузла».

Рассмотрим подробнее некоторые из них, упоминаемые партнёрством компаний-лидеров в международном строительстве Limak Marash: Limak Group и МАРАЩСТРОЙ.

Сильная река, текущая под углом и обеспечивающая круглогодичный доступ воды

Идеальные условия для возведения гидростанции это – мощный  стабильный поток с большим уклоном. Что обеспечит круглогодичную работу турбогенераторов и нивелирование испарения с водного зеркала водохранилища.

Приближённость мест добычи сырья и строительных материалов

Данный момент не критичен. Однако близость размещения нерудных материалов для строительства существенным образом снижает капитальные затраты и сокращает сроки выполнения проекта. Тем более что иногда их доставка может потребовать прокладки новых дорог.

Устойчивость почвы

Также весьма важным условием выступает прочность грунта, на котором будет возводиться сооружение. Ведь он должен выдерживать сильнейшее давление воды и тяжесть построенных зданий в течение многих лет эксплуатации.

Осадки и горизонтальные смещения – основной бич всех гидротехнических сооружений!

Устройство и конструкция ГЭС

Чтобы энергия воды могла приносить практическую пользу, предварительно возводят ряд сооружений. Гидроэнергетические станции составная часть гидроузла, предназначенного для:

• производства электроэнергии путём использования водных природных ресурсов,
• водоснабжения и орошения,
• защиты от паводков и наводнений,
• рыболовства и судоходства.

Разнообразие функций и определяет необходимость строительства гидротехнических сооружений, в состав которых входят плотины и дамбы; водовыпускные, водоподпорные, водосбросные, водоспускные конструкции; водоприёмники, водозаборы, напорные водоводы, уравнительные резервуары, отстойники; каналы и туннели; защитные сооружения от наводнений, от разрушения берегов и дна рек и водохранилищ. Но и это ещё далеко не всё. Как правило, гидроузел должен быть оборудован сооружениями, предназначенными для судоходства, лесосплава, пропуска и защиты рыбы, транспортного сообщения.

Гидростанция представляет собой комплекс зданий, ядром которых выступает машинный зал с установленными внутри него турбогенераторами. Кроме того имеются помещения, предназначенные для контроля и управления, трансформаторная подстанция, распределительные устройства и отходящие линии электропередачи.

Плюсы и минусы гидроэлектростанций

Говоря о гидроэлектростанциях, надо, прежде всего, помнить, что используемая ими гидроэнергия выступает здесь как альтернативный источник энергии. То есть, является возобновляемым ресурсом и не требует расходования топлива, запасы которого на планете постепенно и неуклонно истощаются. Кроме того, положительными сторонами ГЭС служат:

• низкая цена вырабатываемой электрической энергии;
• длительный – продолжительностью свыше 100 лет – срок эксплуатации;
• простота содержания и обслуживания;
• низкая вероятность возникновения аварий и катастроф;
• высокий уровень генерируемых мощностей на одном объекте при первоначальных оптимальных условиях;
• строительство станций на малых реках и значительная концентрация гидроэлектростанций при благоприятных природных обстоятельствах – каскад ГЭС;
• форсированность достижения рабочего режима эксплуатации при запуске станции и быстрота её адаптации к нужному уровню потребления мощности – простота и высокая скорость регулирования;
• отсутствие прямых вредных воздействий на воздушную среду;
• создание условий для прохождения судов путём строительства водохранилищ,
• орошение сельскохозяйственных угодий;
• размножение рыб в искусственных водоёмах.

К недостаткам станций можно отнести:

• занятие больших площадей под водохранилища, что приводит к сокращению раннее обжитых территорий и сельскохозяйственных угодий;
• длительные сроки возведения гидросооружений, сопровождающиеся значительными первоначальными вложениями и необходимостью периодических реконструкций;
• ограниченность количества мест для строительства гидростанций, обусловленная природным потенциалом гидроресурсов;
• опасность вовлечения значительных территорий в зону экологического бедствия в случае разрушения самой станции,
• вредное воздействие на окружающую среду.

Существующие крупные ГЭС

С тех пор, как весной 1891 года заработала гидроэлектростанция Эймса, выстроенная вблизи шахтёрского города Офира (США, штат Колорадо), впервые созданная для обеспечения электроэнергией промышленного объекта (мельницы с рудника Голд Кинг) прошло много времени. Сегодня ГЭС мощностью, превышающей 1000 МВт, никого не удивишь. Только в России их насчитывается 15 действующих объектов.

Название ГЭС	Место расположения	Мощность, ГВт	Выработка электроэнергии за год, млрд кВт∙ч
Саяно-Шушенская	р. Енисей, рп. Черёмушки возле г. Славяногорска	6,4	23,50
Красноярская	р. Енисей, г. Дивногорск	6,0	20,40
Братская	р. Ангара, г. Братск	4,52	22,60
Усть-Илимская	р. Ангара, г. Усть-Илимск	3,84	21,70
Богучанская	р. Ангара, г. Кодинск	3,0	17,60
Волжская	р. Волга, г. Волгоград и г. Волжский	2,66	11,63
Жигулёвская	р. Волга, г. Жигулёвск	2,46	10,34
Бурейская	р. Бурея, пос. Талакан	2,01	7,10
Чебоксарская	р. Волга, г. Новочебоксарск	1,4 (0,8)	3,5 (2,2)
Саратовская	р. Волга, г. Балаково	1,4	5,7

В мире

Сегодня больше всего гидроэнергии в абсолютном значении производится в Китае, Канаде и Бразилии. А в пересчёте на душу населения первенство удерживают Норвегия, Исландия и Канада.

Название ГЭС	Страна/река	Мощность, ГВт	Выработка электроэнергии за год, млрд кВт∙ч	Год создания
Три ущелья	Китай/Янцзы	22 500	98,1	2003/2007/2012
Байхэтань	Китай/Янцзы	16 000	60,24	2022?
Итайпу	Бразилия и Парагвай/Парана	14 000	98,6	1984/1991/2003
Силоду	Китай/Янцзы	13 860	55,2	2014
Белу Монти	Бразилия/Шингу	11 233	39,5	2016/2019

Однако на этом мировая гидроэнергетика останавливаться не собирается. Продолжается начатое в 1988 году возведение каскада ГЭС на реке Янцзы, плановой суммарной мощностью в 97 000 МВт. Кроме того в самых ближайших планах:

• Строительство под руководством международного консорциума сверхмощной (в 39 000 МВт) ГЭС «Гранд Инга» на реке Конго, что протекает в Демократической Республике Конго, стоимостью в 80 млрд долларов.
• Создание Пенжинской приливной электростанции в 87 000 МВт мощности в одноимённой губе (северо-восток залива Шелихова Охотского моря, что территориально относится к Магаданской области и Камчатскому краю РФ), требующее вложений на пол триллиона долларов!

Влияние ГЭС на экологию

Использование гидроэнергии даёт существенные блага в сравнении с традиционными методами выработки электроэнергии в плане отсутствия выброса дымовых газов, исключения опасностей в процессе добычи топливных полезных ископаемых. Но вместе с тем она оказывает широкомасштабное воздействие на близлежащую среду посредством:

• затопления обширных территорий, приводящего к потере земель и нанесению значительного ущерба экосистеме;
• испарений с поверхности зеркала водохранилища и вызывания засухи на прилегающих к нему регионах;
• заиливания русла реки, приводящего к уменьшению стока;
• выбросов метана за счёт разложения затопленной растительности в анаэробных условиях пребывания;
• необходимости переселения местных жителей (число которых по данным Всемирной комиссии по плотинам к 2000 году составило 40-80 млн человек);

рисков возникновения стихийных бедствий с катастрофическими последствиями при разрушении или повреждении плотины.

Экологический мониторинг процессов вызванных в окружающей среде строительством гидростанции продемонстрирован в видеоматериале:

Кто здесь не бывал…

Проблемы данной области энергетики

В общемировом производстве электрической энергии на долю ГЭС приходится лишь 6% генерации. При том, что в ряде стран этот показатель доходит до 50% (Канада, Бразилия, Швеция), а в Норвегии достигает почти 100%.

Высокие темпы развития отрасли демонстрирует Китай, стремительно пытаясь уйти от сжигания каменного угля на тепловых электростанциях, что вызывает сильнейшее загрязнение воздуха дымовыми газами.

Действительно, гидроэнергетическая генерация – дело весьма привлекательное вследствие исключения потребности в топливных ресурсах. Но, создающее множество проблем своим негативным воздействием на расположенные рядом территории и на водные артерии планеты. Так, строительство гидроэлектростанции ведёт к отчуждению значительных площадей и разрушению местных экологических систем в процессе затопления.

Почти 6 млн га территории ушло под воду в России из-за возведения ГЭС.

Мало того, в процессе эксплуатации станций постоянно наблюдается подъём уровня грунтовых вод за пределами водохранилищ, часть прилегающей местности приходится переводить в разряд заболоченных, а береговая линия требует постоянного укрепления. Также нельзя сбрасывать со счетов ухудшение качества воды и процесс заиливание водостока.

Значительная часть этих проблем уходит при строительстве станций на горных реках, но здесь сказываются сейсмологические факторы в виде оползней и землетрясений.

Есть и текущие объективные обстоятельства замедления:

• исчерпанность гидроресурсов;
• отдалённость рек с высоким потенциалом от развитых регионов;
• сезонность эксплуатации (покрытие водной поверхности зимним льдом);
• большая величина первоначальных вложений и длительность введения в эксплуатацию.

Всё сказанное отнюдь не свидетельствует о том, что энергия воды, предназначенная для выработки электричества, теряет свою актуальность. Скорее наоборот.

Перспективы и потенциал гидроэнергетики

Сегодня гидроэлектроэнергетика выполняет ряд важнейших функций, позволяя оперативно регулировать уровень расхода электрической энергии, тем самым обеспечивая высокую стабильность работы гигантских энергосистем. При этом она накапливает гидроэнергетический ресурс, столь необходимый в моменты пиковых нагрузок в системах электроснабжения.

Поэтому дальнейшие перспективы отрасли лежат, прежде всего, в плоскости быстрейшего внедрения достижений научно-технического прогресса. Также наиболее привлекательными для инвесторов может быть сооружение объектов малой гидроэнергетики.

Теоретически валовой гидроэнергетический потенциал всех рек мира составляет 39 100 млрд кВт∙ч При этом технический составляет 14 650 млрд кВт∙ч, а эффективный в экономическом отношении – 8 770 млрд кВт∙ч.

А используется он следующим образом (гидроэнергетическая доля в общей выработке электроэнергии):

• Европа – 75%;
• Северная Америка – 70%;
• Азия – 15%;
• Африка – 5%.

На долю Южной Америки и Австралии приходится лишь 11% вырабатываемой в мире гидроэлектроэнергии.

Статистика по России:

• 2,8 млн рек, протяжённостью в 12,4 млн км;
• 9% мировых гидроэнергетических ресурсов;
• возможность ежегодно производить до 900 млрд кВт∙ч электроэнергии;
• реальное использование лишь 1/5 своих гидроресурсов.

Однако во главу угла в нашей стране пока что лишь ставиться повышение эффективности процесса гидрогенерации на 1% к 2024 году и на 2% к 2035 году, предусмотренные Энергостратегией-2035. Что можно объяснить отдалённостью большинства рек и множеством проблем экологического плана. На состоявшемся 10 ноября Круглом столе Комитета Государственной Думы по энергетике было отмечено наличие целого ряда сдерживающих проблем и принято решение о формировании необходимого перечня рекомендаций…

Значительно более оптимистичными выглядят перспективы использования приливно-отливных циклов Мирового Океана, одного колебание которого оценено в 8 триллионов кВт∙ч, морских течений (Гольфстрим располагает порядка 50 млн кВт энергетической мощности) и тепловой энергии океана.

Положительные наработки в этом плане уже дают о себе знать.