Гидроэнергетика

С самых древних времен пользование энергией рек было важным фактором, который определял темпы развития цивилизации. Все это время, а это свыше трех тысяч лет, ученые работали над совершенствованием водяного двигателя. Началось все с самых обычных водяных колес, которые использовали в древнем мире для подачи воды на оросительные нужды, водоснабжение, для работы водяных мельниц. Позже появились водяные двигатели, обеспечивавших во времена промышленной революции увеличивающиеся потребности в механической энергии на заводах и рудниках. Быстрые темпы развития и успехи электроэнергетики в конце XIX века стали причиной формирования совершенно нового этапа использования гидроэнергетических ресурсов путем преобразования энергии воды в электроэнергию на ГЭС.

История гидроэнергетики

На рубеже XIX и XX веков уже были разработаны эффективные гидравлические турбины, электрогенераторы переменного тока, а также осуществлялась передача электроэнергии на большие расстояния. Колоссальный вклад в развитие гидроэнергетики внес русский инженер М.О. Доливо-Добровольский. Именно он руководил строительством в 1891 году первой промышленной ГЭС мощностью 220 кВт, оснащенной генератором трехфазного тока. Строительство велось в небольшом городке Лауфен на р. Неккар в Германии. От этой гидроэлектростанции передали первый раз электроэнергию переменным током с напряжением 8,5 кВ на расстояние 170 км во Франкфурт-на-Майне. На территории Германии в Рейнфельде в 1898 г. Возвели довольно крупную для того времени ГЭС, которая имела мощность 16,8 тыс. кВт с напором 3,2 м.
В России в 1892 г. под управлением инженера Кокшарова возвели гидроэлектрическую установку, имевшую мощность 150 кВт на реке Березовка в Алтайском крае. Она обеспечивала электричеством шахтный водоотлив на Зыряновском руднике. Стоит отметить, что в это время строились исключительно небольшие ГЭС, несмотря на то, что предлагались и проекты крупных ГЭС. К примеру, в 1892 г. инженер Н.Н. Бенардос составил проект для ГЭС мощностью до 15 МВт на р. Неве у Ивановских порогов, для обеспечения энергией Санкт-Петербурга. Предложено было еще много аналогичных проектов, но они так и не были реализованы.
На начало ХХ в. суммарный уровень мощности всех ГЭС составлял около 1000 МВт. К сожалению, первые ГЭС отличались низким качеством гидросилового оборудования, невысоким КПД гидротурбин (0,80–0,84).
Путем постепенного совершенствования конструкций, гидротехнических сооружений и технологического оборудования, рос уровень эффективности новых ГЭС. Главной причиной для возведения новых станций стало использование возобновляемых природой гидроэнергоресурсов, отсутствие загрязнения природы и легкость обслуживания.

Использование гидроэнергетики

Более активно началось внедрение проектов на территории США и стран Европы по окончанию первой мировой войны, когда требовалось мощное восстановление экономики.
Отдельного внимания стоит строительство крупных гидроузлов с ГЭС и плотинами различного характера. Примечательно, что каменно-земляная плотина Matheews в 1918 году имела высоту 80 м, бетонно гравитационные плотины Long Lake в 1916 году – 70 м. После этого в 1936 г начала работать наиболее крупная в мире ГЭС – Hoover, которая имела мощность 1344 МВт. Ее арочно-гравитационная плотина имела высоту 222,5 м, а в водохранилище находилось 35,2 км3 воды.
Первые крупные ГЭС в Европе:

• Франция - Le Chambon (1934 г.) с высотой плотины 136 м и Le Sautet (1934 г.) с высотой плотины 126 м
• Швейцария - Schr ä h (1924 г.), имевшая высоту плотины 111 м, а также Spitallamm (1932 г.) с высотой плотины 114 м.

В 1927 году приступили к возведению наибольшей на тот в мире Днепровской ГЭС, которая имела мощность 560 МВт. Расположена она около острова Хортица. В плотине впервые был размещен большой судоходный шлюз.
На сегодняшний день абсолютным лидером по производству гидроэнергии на душу населения признана Исландия. На втором месте находится Норвегия (часть ГЭС в суммарной выработке - 98 %). Следом за ними расположились Канада и Швеция. А вот Парагвай все 100 % производимой энергии получает от гидроэлектростанций.
Наиболее активно объекты гидроэнергетики возводятся в Китае, где гидроэнергетика страны является наиболее доступной. Здесь находятся около 50% из всех малых гидроэлектростанций мира, а также самая большая на сегодняшний день ГЭС мира - «Три ущелья» на реке Янцзы.

Малая гидроэнергетика

Малую гидроэнергетику справедливо считают одним из экологически чистых направлений энергетики. Российские и иностранные специалисты рассматривают потенциал этого сектора на уровне 3750 - 8250 ГВт часов ежегодно, что можно сравнить с энергообеспечением целого региона. Помимо генерации энергии развитие малой гидроэнергетики в местах заброшенных МГЭС приведет к значительному оздоровлению экологии, даст толчок экономике, а также поспособствует энергетической децентрализации.
Такой вид гидроэнергетики активно применяется в 148 государствах. По информации Международного центра малой гидроэнергетики (МЦМГ), общий уровень мощности данного сектора уже перевалил за 75 ГВт, что можно сравнить с 43% ее потенциала (до 173 ГВт). Проблемы гидроэнергетики связанны не только с природными условиями, но и с уровнем распространения возобновляемой энергетики. Власти Северной Америки, Европы и Китая сумели максимально использовать возможности этого направления возобновляемой энергетики. К примеру, Северная Америка реализовала потенциал малых ГЭС (МГЭС) на 86% (7,84 ГВт из 9 прогнозируемых ГВт), Северная Европа — около 95% (3,64 ГВт из 3,84 прогнозируемых ГВт), Западная Европа — около 85% (5,8 ГВт из прогнозируемых 6,64 ГВт). Испанские МГЭС производят 2,8% от суммарного баланса, шведские — 3%, в швейцарские — 8,3%, а австрийские — 10%. Стоит отметить, что на территории итальянского Южного Тироля функционируют свыше 1 тыс. МГЭС.
Наибольшее количество МГЭС сосредоточено на территории Китая. Их здесь свыше 80 тыс.. Гидроэнергетика вырабатывает 17% всей необходимой энергии для Китая, а также 85% возобновляемой электроэнергии государства. Чаще всего МГЭС устанавливают на малых реках и водотоках.

Плюсы и минусы малой гидроэнергетики

К плюсам использования малых и мини-ГЭС можно отнести:

• повышение энергетической безопасности региона
• гарантия независимости от поставщиков топлива, которые располагаются в других регионах
• экономия дефицитного органического топлива
• не нужны крупные инвестиции, энергоемкие строительные материалы
• быстрая окупаемость
• возможность снизить себестоимость строительства путем унификации и сертификации оборудования
• не образуются парниковые газы в процессе работы
• не загрязняется окружающая среда продуктами горения и токсичными отходами.

Из минусов стоит отметить:

• уязвимость с точки зрения поломки, вследствие чего потребители могут остаться без энергоснабжения. Решить эту проблему можно при помощи создания совместных или резервных генерирующих мощностей — ветроагрегата, когенерирующей мини-котельной на биотопливе, или фотоэлектрической установки
• возможность разрушения плотины и гидроагрегатов вследствие перелива через гребень плотины или от неожиданного подъема уровня воды
• МГЭС могут иногда заиливать водохранилища и оказывать отрицательное влияние на руслоформирующие процессы
• снижение выработки электроэнергии в зимний и летний период. Это приводит к тому, что в некоторых регионах малая гидроэнергетика превращается в резервную (дублирующую).

Гидроэнергетика России

Из числа всех действующих видов электростанций именно ГЭС можно назвать самыми маневренными. Они могут в случае необходимости быстро и существенно нарастить объемы выработки, покрыв пиковые нагрузки.
Российская Федерация характеризуется большим гидроэнергетическим потенциалом, что подразумевает колоссальные возможности развития российской гидроэнергетики. На территории России расположено примерно 9 % мировых запасов гидроресурсов. По объему обеспечения гидроэнергетическими ресурсами Россия находится на втором месте в мире, оставив позади США, Бразилию, Канаду.
К сожалению, сегодня освоено только 20 % имеющегося потенциала. Главным препятствием для более бурного развития гидроэнергетики можно назвать труднодоступность основного потенциала, который сконцентрирован в центральной и восточной Сибири, а также на Дальнем Востоке. Большое расстояние до основных потребителей, на сегодняшний день, главная проблема.
Производство электрической энергии российскими ГЭС позволяет экономить 50 млн тонн условного топлива каждый год. Однако, потенциал экономии достигает 250 млн тонн. Помимо своей непосредственной задачи - производства электроэнергии, применение возобновляемых ресурсов помогает решить еще целый перечень приоритетных целей:

• формирование систем питьевого и промышленного водоснабжения
• развитие судоходства
• формирование ирригационных систем для сельского хозяйства
• рыборазведение
• управление стоками рек, благодаря чему удается бороться с паводками и наводнениями, тем самым гарантируя безопасность для населения.

На сегодняшний день, в России действуют 102 гидроэлектростанции мощностью более 100 МВт. Суммарная номинальная мощность гидроагрегатов на ГЭС в России достигает 46 ГВт (5 место в мире).
Перспективы развития гидроэнергетики в Российской Федерации заключаются в освоении потенциала рек Северного Кавказа.