Что такое гидроэнергетическое строительство

Гидроэнергетика России
В настоящее время 19% энергии, производимой на международном уровне, поступает из возобновляемых источников. Из этого количества примерно 84% вырабатывается гидроэлектростанциями (ГЭС). Всего гидроэлектроэнергия (называемая также «водной») составляет 1/6 от всей электрической энергии, генерируемой на планете.

По данным международных организаций и исследовательских центров, занимающихся энергетическими аспектами, основными производителями гидроэлектроэнергии в мире являются КНР, Бразилия, Канада, США и Российская Федерация. По оценкам специалистов, к 2035 году мировое производство гидроэлектроэнергии может достигнуть 15000 ТВт·ч в год.

Типы гидроэлектростанций

Несмотря на сходный принцип действия, существуют ГЭС разных типов. Так как при их строительстве в большинстве случаев используется естественный рельеф местности, то различия связаны с использованием конкретных преимуществ, которые предоставляют природные условия. Типы гидроэлектростанций:

Что такое гидроэнергия💧Узнайте всё о гидроэнергетике💦Смотрите видео о гидроэлектроэнергетике

• Деривационные. Размещаются на горных реках, где перепад высот позволяет использовать энергию падающего потока, но сильное течение исключает строительство плотины. Потоки воды направляют в специальные отводы, наклон которых сооружают так, чтобы обеспечить необходимый напор.
• Плотинные. Основной тип ГЭС, предусматривающий строительство плотины, перегораживающей русло реки и создающей водохранилище. Плотина часто также имеет функцию борьбы с наводнениями. Благодаря водному резервуару, с помощью которого можно регулировать поток воды, электростанция способна реагировать на изменение потребления энергии (снижать и увеличивать выработку) и адаптироваться к сезонным колебаниям количества проточной воды.
• Смешанного типа. Применяются в тех случаях, когда для успешной работы деривационных ГЭС необходимо и возможно построить плотину для создания резерва воды с целью регулирования потока.
• Аккумуляторные (ГАЭС). У них есть два резервуара для воды: верхний и нижний. В период низкого энергопотребления электростанция перекачивает воду из нижнего в верхний, таким образом накапливая потенциальную энергию (это насосная работа ГАЭС). В свою очередь, генератор начинает работать, когда энергопотребление возрастает. Вода поступает из верхнего резервуара, приводя в движение турбину, посредством которой вырабатывается электричество.
• Приливные (ПЭС). Используют колебания уровня воды, часто в устьях рек, где приливные явления вызывают двунаправленный поток. На прибрежном участке возводят плотину. Для эффективной работы необходимо, чтобы перепад воды был не менее 5 м. Мощность таких электростанций невелика, это связано с низкой энергией проточной воды. Большинство ПЭС используют пропеллерные турбины. Некоторые из них имеют внушительные размеры. Во Франции турбины, расположенные в нижней части Ла-Манша, имеют диаметр 21 м и мощность около 2,2 МВт.

Существует классификация гидроэлектростанций по совокупной мощности установленных генераторов, позволяющая разделить малые и крупные ГЭС, но она отличается для разных стран. Например, в Португалии, Испании, Ирландии, Греции и Бельгии 10 МВт было принято в качестве верхнего предела для малых ГЭС, в Италии – 3 МВт, Швеции – 1,5 МВт, а в Польше – 5 МВт.

Однако эти границы достаточно условны и могут изменяться государственными нормативными актами. Так, В США сначала максимальная мощность малых ГЭС была равной 5 МВт, затем 15 МВт, а сейчас уже 30 МВт. В РФ также гидроэлектростанции мощностью более 30 МВт считаются крупными.

Генерация без механизмов

Заместитель генерального директора по стратегии, инновациям и перспективному развитию ПАО «РусГидро» Роман Бердников
отметил, что, несмотря на все преимущества гидроэнергетики и ее существенный удельный вес в выработке электроэнергии, гидроэнергетика сейчас — единственный тип генерации, для которого в России до сих пор не определены планы и механизмы дальнейшего развития, не оценено его влияние на промышленное и территориальное развитие, а также другие секторы экономики Российской Федерации. В «Энергетической стратегии России на период до 2035 года» не определены конкретные направления и показатели развития гидроэнергетики и отсутствуют какие-либо мероприятия по ее развитию.

Важная и нерешенная проблема — неурегулированность вопросов создания водохранилищ, являющихся, согласно Водному кодексу, объектами федеральной собственности. Сейчас нет нормативно установленных требований к составу мероприятий по подготовке зон затопления водохранилищ, порядка финансирования этих мероприятий, определения заказчиков работ и приемки их результатов. Не решены также правовые вопросы включения планируемых к строительству водохранилищ в схемы территориального планирования.

Кроме того, подчеркнул Роман Бердников, отсутствуют экономические стимулы строительства гидроаккумулирующих станций — мощных накопителей электроэнергии и инструмента обеспечения системной надежности энергоснабжения. А ведь известно, что установленная мощность ГАЭС в нашей стране составляет 0,5% от всех генерирующих мощностей России, что в разы ниже аналогичных показателей развитых стран. К сожалению, по действующим правилам функционирования оптового рынка электроэнергии и мощности экономика немногих существующих российских ГАЭС балансирует на грани безубыточности. При этом объективная потребность в строительстве новых ГАЭС увеличивается с каждым годом в связи с ростом доли маломаневренной атомной энергетики и нерегулируемой выработки ветровых и солнечных электростанций.

Роман Бердников рассказал о сложностях, которые препятствуют активному развитию малой гидроэнергетики. Это недостаточный объем квот на проекты малых ГЭС в механизмах стимулирования развития ВИЭ в Российской Федерации после 2024 года, завышенные и избыточные требования к проектам малых ГЭС, их схемам выдачи мощности, готовности станций к несению нагрузки. Если к малым ГЭС отнести электростанции мощностью до 50 МВт, а не объекты до 25 МВт, это даст существенное удешевление их строительства.

История развития гидроэнергетики в мире и России

Вода была основным источником энергии, используемым человеком на протяжении многих лет. Первой машиной, применившей энергию воды, стало колесо для водяных мельниц. Первая гидроэлектростанция была построена в 1878 году в Нортумберленде, в Великобритании, и использовалась для обеспечения электропитания всего одной лампочки для картинной галереи изобретателя У. Дж. Армстронга.

А в 1920 году на ГЭС уже была произведена большая часть мировой электроэнергии. Основная технология строительства ГЭС оставалась неизменной в течение всего ХХ столетия.

В России в конце XIX и начале ХХ века различные предприниматели для своих предприятий возводили малые ГЭС, но настоящий толчок строительству мощных электростанций дал принятый в 1920 г. план ГОЭЛРО.

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.

Преимущества и недостатки

Гидроэнергетика обладает неоспоримыми преимуществами:

• Чистота электроэнергии. Она вырабатывается при абсолютном отсутствии вредных выбросов.
• Возможность строительства мощных электростанций при соответствующих природных условиях.
• Гибкость производства. Система плотин позволяет регулировать интенсивность потока воды и конечную выработку электроэнергии. Электростанции легко адаптируются к уровню энергопотребления.
• Высокая безопасность. Так как ГЭС не используют ископаемое или ядерное топливо, внутри этих станций нет риска взрыва с тяжелыми последствиями.

• Высокий уровень инвестиций в строительство.
• Неблагоприятное воздействие на окружающую природу. Возведение гидроэлектростанций плотинного типа нарушает естественную экосистему, так как затапливаются огромные участки суши. Строительство вблизи ГЭС линий электропередачи, новых дорог, прокладка кабелей также оказывает влияние на ландшафт.
• Необходимость иметь адекватные природные условия: значительный перепад воды в реках, выраженные приливные явления. Большинство мест, пригодных для строительства мощных гидроэлектростанций, уже использованы.
• В отдельных районах имеется риск засухи. Длительное отсутствие осадков не очень предсказуемо, иногда может привести к полному прекращению выработки электроэнергии и способно вызвать проблемы в энергосистеме.

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).

Крупнейшие ГЭС

В мире двумя самыми крупными ГЭС являются:

1. Итайпу, расположенная на границе между Бразилией и Парагваем, с высотой падения воды 195 м, максимальной выходной мощностью 14 тыс. МВт (20 турбогенераторов мощностью 700 МВт каждый).
2. «Три ущелья» на реке Янцзы в Китае с перепадом воды 185 м и максимальной установленной мощностью 22 500 МВт.

На территории РФ построено много ГЭС, входящих в список крупнейших в мире:

• Саяно-Шушенская;
• Красноярская;
• Братская;
• Усть-Илимская;
• Богучанская;
• Волжская;
• Жигулевская;
• Бурейская;
• Саратовская;
• Чебоксарская.

Крупнейшая аккумулирующая электростанция в РФ – Загорская ГАЭС. Она также присутствует среди 10 мировых самых мощных станций подобного типа.

Региональная эффективность ГЭС

Руководитель департамента развития ЖКХ Министерства строительства и ЖКХ РФ Светлана Никонова
обратила внимание на то, что работа многих гидрогенерирующих станций не увязана с региональным развитием. В частности, существующая модель рынка электроэнергии и тепла фактически не дает сфере ЖКХ использовать энергоресурсы, производимые гидроэлектростанциями, в том числе малыми. При этом они могли бы стать более доступными для потребителей. Светлана Никонова уверена, что надо менять подход и сегодня Минстрой РФ изучает возможности по более эффективному использованию объектов гидроэнергетики для развития ЖХК в регионах присутствия ГЭС.

Представители отрасли считают необходимым разработать программу развития гидроэнер-гетики как отрасли, обеспечивающей комплексное и ускоренное развитие территорий, промышленности, транспортного сектора и инфраструктуры России и регионов. Ожидается, что будет сформирован перечень рекомендаций по совершенствованию законодательства, регулирующего различные аспекты строительства и эксплуатации ГЭС и ГАЭС. Такие шаги, по мнению участников видеовстречи, повысят инвестиционную привлекательность гидроэнергетики, что позволит увеличить выработку возобновляемой электроэнергии, повысить надежность энергоснабжения, обеспечить значительный положительный мультипликативный эффект в смежных отраслях, в первую очередь строительстве и энергомашиностроении.

МНЕНИЕ

Николай Петрунин, заместитель председателя Комитета Госдумы по энергетике:

«Очевидно, что гидроэнергетика будет играть особую роль в процессе декарбонизации отечественной экономики. Именно поэтому в центре сегодняшнего обсуждения Комитета — перспективы развития гидроэнергетической отрасли. Ни для кого не секрет, что наша страна обладает невероятно обширными водными ресурсами — около 2,8 млн рек общей длиной 12,4 млн км.

Общий национальный гидроэнергетический потенциал — около 9% от мирового. Если говорить о конкретных цифрах, то экономический потенциал российских гидроэнергетических ресурсов оценивается в размере 800-900 млрд кВт.ч годовой выработки. Однако только порядка 20% из них в настоящее время используется.

А в той же Швейцарии и Франции гидропотенциал использован на 90%, в Канаде и Китае — более чем на 60%. Почему? Это и стало предметом дискуссии. Цель нашей работы — выявить все «факторы замедления» развития отечественной гидроэнергетической отрасли и предложение путей их разрешения в форме итогового документа рекомендаций Комитета Государственной Думы по энергетике».

Крупнейшие объекты

Саяно-Шушенская ГЭС

Расположена в Хакасии, на Енисее. Является самой крупной в России. Расчетный напор воды – 194 м при высоте плотины в 242 м. Суммарная мощность турбогенераторов – 6,4 тыс. МВт (10 машин по 640 МВт каждая). Себестоимость производимой электроэнергии считается одной из самых низких в РФ.

Снабжает электрической энергией промышленные и гражданские объекты, самые энергоемкие из которых – это два алюминиевых завода (Саянский, Хакасский) и Абаканвагонмаш, предприятие по добыче угля и железной руды.

Кроме основного предназначения, комплекс сооружений ГЭС защищает ниже расположенные по течению реки участки от паводков.

Красноярская ГЭС

Наряду с Саяно-Шушенской и Майнской гидроэлектростанцией образует каскад ГЭС на Енисее, являясь его заключительной ступенью. При расчетном напоре 93 м обладает мощностью 6 тыс. МВт, которая обеспечивается 12 агрегатами по 500 МВт.

ГЭС является основным генерирующим электроэнергию предприятием Красноярского края, играет ключевую роль в объединенной энергетической системе Сибири. На ГЭС продолжается масштабная техническая реконструкция, уже позволившая значительно повысить эффективность работы оборудования.

Для пропуска судов через гидротехнические сооружения здесь построен судоподъёмник, являющийся уникальной конструкцией, единственной в РФ.

Братская ГЭС

Располагается на Ангаре, в Восточной Сибири. Несмотря на то что по установленной мощности она уступает Саяно-Шушенской и Красноярской гидроэлектростанциям, по годовой выработке электроэнергии Братская ГЭС стоит вровень с ними, а в некоторые годы и превосходит. Расчетный напор – 101,5 м. На станции установлены 18 турбогенераторов по 250 МВт (общая мощность – 4,5 тыс. МВт). Поставляет электроэнергию Братскому алюминиевому заводу и другим важным потребителям.

Водохранилище ГЭС является самым крупным в РФ и позволяет эффективно регулировать сток воды: в годы с большим количеством осадков происходит его заполнение, а в засушливые времена – срабатывание.

Усть-Илимская ГЭС

Третья ступень ангарского каскада гидроэлектростанций вырабатывает 1/3 всей электроэнергии Иркутской области. Основные потребители – алюминиевые заводы и предприятия лесохимии. Имеет расчетный напор в 90,7 м. 16 агрегатов по 240 МВт составляют общую мощность 3840 МВт.

Водохранилище ГЭС по площади поверхности в 3 раза уступает аналогичному водоему Братской ГЭС.

Так как предприятие сдано в эксплуатацию еще в 1980 году, то на нем постепенно проводятся работы по реконструкции гидроагрегатов. В частности, замена их рабочих колес дает существенный прирост выработки электроэнергии каждым генератором – более 4%.

Богучанская ГЭС

Является составляющей частью ангарского каскада, образует его четвертую ступень. Гидроэлектростанция относится к объектам, строительство которых шло продолжительное время. Несмотря на то что ее возведение началось в 1974 г., ввод в эксплуатацию состоялся только в 2012-2015 годах.

Расчетный напор – 65,5 м при высоте плотины в 77 м. Общая мощность станции – 2997 МВт, обеспечивающаяся 9 генераторами по 333 МВт.

50% и более всей вырабатываемой электроэнергии будет потреблять Богучанский и Тайшетский алюминиевые заводы. А мощная электросетевая инфраструктура способна повысить надежность электроснабжения регионов Восточной Сибири – Красноярского края и Иркутской области.

Волжская ГЭС

Это самая крупная ГЭС на европейском континенте, в начале 60-х годов прошлого века была мощнейшей в мире. Находится на Волге, недалеко от Волгограда.

Является важным звеном, гарантирующим надежность работы ЕЭС РФ, а ее водохранилище играет ключевую роль в обеспечении водой засушливых районов юга России, в том числе оросительных систем и создании условий для пропуска крупнотоннажных судов.

Максимальная высота плотины – 47 м, расчетный напор – 21,5 м. Суммарная мощность гидрогенераторов – 2671 МВт (7 – по 115 МВт, 5 – по 120 МВт, 1 – 11 МВт).

В конце 90-х началась модернизация гидроагрегатов, а в 2010 г. – замена и реконструкция электросетевого оборудования (трансформаторов, коммутационной аппаратуры, кабелей и т. д.).

Жигулевская ГЭС

Гидроэлектростанция расположена на реке Волге, недалеко от города Тольятти, уступает по мощности только Волжской. Здесь установлены 16 генераторов по 125,5 МВт и 4 генератора по 120 МВт. Суммарная мощность – 2488 МВт. Расчетный напор – 21 м при максимальной высоте плотины в 45 м.

Водохранилище Жигулевской ГЭС имеет определяющее значение среди всех объектов каскада электростанций на Волге для регулирования стока воды, так как обладает самыми крупными размерами в Европе. Благодаря Куйбышевскому водохранилищу обеспечиваются комфортные навигационные глубины, и вода поступает в оросительные системы по мере необходимости.

Бурейская ГЭС

Мощнейшая на Дальнем Востоке ГЭС была полностью сдана в эксплуатацию в 2014 году и разрешила ряд региональных проблем:

• помогла повысить надежность снабжения электричеством;
• увеличила экспортные возможности (основное направление – Китай);
• исключила необходимость строительства электростанций, работающих на ископаемом топливе, следовательно, отпала необходимость в его завозе, окружающая атмосфера будет освобождена от продуктов сгорания угля;
• обеспечила защиту от паводков.

Высота плотины станции – 140 м при расчетном напоре в 103 м. Суммарная мощность гидрогенераторов – 2010 МВт (6 агрегатов по 335 МВт).

Саратовская ГЭС

Предпоследняя ступень в Волжско-Камском каскаде гидроэлектростанций. Построена в городе Балаково Саратовской области. Если до ее ввода в эксплуатацию этот регион испытывал дефицит электроэнергии, то после стал энергоизбыточным. Мощность электростанции – 1415 МВт. Установлено 6 агрегатов по 66 МВт, 15 – по 60 МВт, 2 – по 54 МВт и 1 – 11 МВт.

Длина машинного зала превосходит все подобные сооружения в России. Высота плотины – 40 м.

Как и все звенья каскада, Саратовская ГЭС обеспечивает надежность снабжения электрической энергией Поволжья, участвует в улучшении условий для навигации крупнотоннажных судов, помогает орошать засушливые земли.

Чебоксарская ГЭС

Находится в Чувашии. Возведена последней из всех ГЭС на Волге, считается, что ее строительство до сих пор не завершено, хотя предприятие начало выдавать электроэнергию в сеть с 1981 года. ГЭС используется только на 60% от проектной мощности. Основная проблема – агрегаты работают на напоре ниже проектного.

Общая мощность должна составлять 1370 МВт, но из-за низкого напора она не превышает 820 МВт. Всего функционируют 17 генераторов по 78 МВт и 1 – 44 МВт.

Прорабатываются различные варианты завершения строительства электростанции и вывода ее на проектную мощность, но даже сейчас она выполняет важную роль в электроснабжении региона.

Гидроэнергетика уже давно верно служит человечеству, основным направлением ее деятельности, является преобразование естественного движения водных масс в электроэнергию (приливные движения водных масс, падение водных масс и.т.д.). Также ее подразделяют на естественную и искусственную, большую и малую гидроэнергетику.

При использовании малых гидроэлектростанций можно обеспечить электричеством небольшие районы и поселки, при этом достаточно небольшого водотока, такое преимущество позволяет обходиться без водохранилищ и платин.

В настоящее время ведется много разработок в области гидроэнергетики.

Схемы искусственных гидроэнергетических систем для (ГЭС)

1) Платинная схема – создается платина для напора водных масс; 2) Деривационная схема – создается канал, трубопровод или туннель для напора водных масс; 3) Плотинно-деревационная схема – создаются платины и деривации.

Достоинства и недостатки гидроэнергетики на основе водохранилищ (ГЭС)

1) Для поддержки работоспособности, не нуждается в доставке каких-либо расходных материалов. 2) Сокращается выброс вредных веществ. 3) Простата эксплуатации водных электростанций. 4) Водохранилище служит отстойником для мусора и других примесей переносимых естественными водотоками.

5) Платина может создать надежный запас воды для населения и промышленности, а также предотвратить паводковые затопления. 6) Используемая вода в работе гидроэлектростанций вполне пригодна для развода рыб и сельскохозяйственных целей.

1) Для части стран мира ограниченность в водных ресурсах. 2) Затопление территорий для создания водохранилищ. 3) Изменение физико-химических характеристик воды, вследствие снижения скорости течения, по сравнению с бытовыми условиями реки (нарушение жизнь экосистемы реки, накопление вредных веществ на дне водоемов). 4) Изменение микроклимата под влиянием водохранилищ (повышение влажности воздуха, изменение ветрового режим прибрежной зоны, изменение температурного и ледяного режима водотока). 5) Влияние на фауну при строительстве водохранилищ (миграция животных из зоны затопления, однако в ряде случаев способствуют обогащению фауны новыми видами рыб и водоплавающих птиц).

Гидроэнергетика в России

Протяжённость рек на территории России составляет около 3.5 млн. км, энергетический потенциал приблизительно равен 600 млрд. кВт•ч, мощность всех гидроэлектростанций в России на начало 21 века составила 44 000 МВт (вырабатывает 160 млрд. кВт•ч), поэтому перспектива развития гидроэнергетики в России довольно высока.

Крупные (ГЭС) преобладают на Волге и реках Сибири (Ангарская, Шушенская, Красноярская, Братская и др.).

Гидроэнергетика других стран

Гидроэнергетика более всего развита в Соединенных Штатах, затем в России, Украине, Канаде, Японии, Бразилии, КНР и Норвегии. В Африке, Азии и Южной Америке за счет неосвоенных гидроэнергетических ресурсов открываются широкие возможности для строительства новых ГЭС. Например, в Северной Америке, где в распоряжении находится около 13% мировых ресурсов гидроэнергетики, работают на полной мощности 35% (ГЭС), в Африке при 21% мировых гидроресурсов всего 5% (ГЭС), в Азии (39% гидроресурсов) работает 18% (ГЭС). В Европе при (21% гидроресурсов) задействованы 31% (ГЭС), а в Южной Америке и Австралии, которая располагает около 15% (мировых гидроресурсов) воспроизводят всего 11% гидроэлектроэнергии.

Самые большие ГЭС в мире находятся в Китае (мощностью 13 млн. кВт), в Бразилии (ГЭС «Итайпу» мощностью 12,6 млн. кВт) на реке Парана, в Венесуэле («ГУРИ» мощностью 10 млн. кВт, которая соответствует 10 средним АЭС).

Краткая историческая справка по Гидроэнергетике

История применения энергии водного потока насчитывает уже более 2 тыс. лет. С давних времен, люди строили водяные колёса, для движения мельничных жерновов. Энергию воды, до изобретения паровой машины, использовали, как основную движущую силу в приводах станков, в молотах и т. п. С течением времени эффективность и размеры водяных колёс увеличились. В Англии и Франции в XI в. на 250 человек приходилась одна мельница. Применение мельниц расширялось, их использовали в распилке леса, сукновальном производстве, для работы откачивающих насосов, при варке пива.

В 1891 году эмигрировавший в Германию российский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский должен был продемонстрировать во Франкфурте-на-Майне на электротехнической выставке изобретённый им двигатель переменного тока. Этот год можно считать началом развития современной гидроэнергетики, поскольку двигатель, который он представил, был мощностью около 100 киловатт, но главной неожиданностью того времени оказалось построенное им сооружение питавшее этот двигатель – гидроэлектростанция. В небольшом городке был установлен генератор трёхфазного тока, вращение которого осуществлялось за счет небольшой водяной турбины, энергия на территорию выставки подавалась по проводам, протяженностью 175 километров.

В начале ХХ века построили всего несколько гидроэлектростанций, по причине сложности их возведения. Для такого сооружения требуется большое количество материалов, однако освоение гидроресурсов осуществлялось быстрыми темпами, примером может служить реализация такого крупного проекта, как ГЭС Гувер (мощностью 1,3 Гигаватт) в США.

В настоящее время гидроэнергетика все более становится актуальной, а основным направлением является преобразование электроэнергии.

Новый курс

Сегодня в России действует всего несколько сотен малых ГЭС. В 1997 г. авторы Федеральной целевой программы «Топливо и энергия» предприняли первую попытку возродить малую гидроэнергетику. Полностью выполнить планы не удалось из-за недостаточного бюджетного финансирования. Однако подвижки всё же есть: начато строительство малых ГЭС мощностью 660 кВт в Республике Тыва и на Алтае.

Завершено строительство малой ГЭС с тремя гидроагрегатами на р. Мочен-Бурей в Тыве и на р. Каиру на Алтае. В Башкортостане построены Мечелинская МГЭС общей мощностью 445 кВт, Слакская МГЭС мощностью 112 кВт, микроГЭС на реках Авзян и Гута мощностью по 75 кВт.

Несмотря на финансовые проблемы, сегодня продолжается строительство новых и восстановление действовавших прежде, но остановленных и частично разрушенных малых ГЭС. Большинство проектов обходится без федерального финансирования. Средства привлекаются из местных бюджетов, от спонсоров и частных инвесторов. В новом строительстве преобладают микроГЭС с единичной мощностью агрегатов от 10 до 50 кВт, объединённые в системы по 2–5 единиц, и малые ГЭС с единичной мощностью агрегатов от 200 до 550 кВт, объединённые в системы по 2–7 единиц.

Следы былого величия. Что осталось от Булгаковской ГЭС на реке Наре на границе Калужской и Московской областей

По мнению ряда специалистов, в едином комплексе целесообразно совмещать малые ГЭС, ветровые, солнечные и биогазовые установки для компенсации свойственных этим энергоисточникам суточной и сезонной неравномерности выработки электроэнергии (см. статью на с. 7. в этом номере. – Прим. ред.).

Также отметим, что строить малые ГЭС рационально там, где социально-экономические условия и перспективы развития местного производства недостаточны для большой энергетики. Роль малых ГЭС особенно велика в отдалённых регионах (Восточная Сибирь, Камчатка, Дальний Восток, горные районы) с рассредоточенными потребителями энергии. Преобладающие здесь дизельные электростанции работают на солярке, а она с каждым годом обходится всё дороже.

Несмотря на то, что потребность в малой гидроэнергетике существует объективно, темпы её возрождения в России весьма скромные. Сказывается отсутствие проработанной законодательной базы и унифицированного отечественного оборудования для малых ГЭС. Однако недавнее решение государства обеспечить поддержку их строителям с помощью механизма договоров о предоставлении мощности позволяет надеяться, что в ближайшие годы всё изменится.

Источник: natural-world.ru

Российская гидроэнергетика: проблемы при преимуществах

В настоящее время 19% энергии, производимой на международном уровне, поступает из возобновляемых источников. Из этого количества примерно 84% вырабатывается гидроэлектростанциями (ГЭС). Всего гидроэлектроэнергия (называемая также «водной») составляет 1/6 от всей электрической энергии, генерируемой на планете.

По данным международных организаций и исследовательских центров, занимающихся энергетическими аспектами, основными производителями гидроэлектроэнергии в мире являются КНР, Бразилия, Канада, США и Российская Федерация. По оценкам специалистов, к 2035 году мировое производство гидроэлектроэнергии может достигнуть 15000 ТВт·ч в год.

Типы гидроэлектростанций

Несмотря на сходный принцип действия, существуют ГЭС разных типов. Так как при их строительстве в большинстве случаев используется естественный рельеф местности, то различия связаны с использованием конкретных преимуществ, которые предоставляют природные условия. Типы гидроэлектростанций:

• Деривационные. Размещаются на горных реках, где перепад высот позволяет использовать энергию падающего потока, но сильное течение исключает строительство плотины. Потоки воды направляют в специальные отводы, наклон которых сооружают так, чтобы обеспечить необходимый напор.
• Плотинные. Основной тип ГЭС, предусматривающий строительство плотины, перегораживающей русло реки и создающей водохранилище. Плотина часто также имеет функцию борьбы с наводнениями. Благодаря водному резервуару, с помощью которого можно регулировать поток воды, электростанция способна реагировать на изменение потребления энергии (снижать и увеличивать выработку) и адаптироваться к сезонным колебаниям количества проточной воды.
• Смешанного типа. Применяются в тех случаях, когда для успешной работы деривационных ГЭС необходимо и возможно построить плотину для создания резерва воды с целью регулирования потока.
• Аккумуляторные (ГАЭС). У них есть два резервуара для воды: верхний и нижний. В период низкого энергопотребления электростанция перекачивает воду из нижнего в верхний, таким образом накапливая потенциальную энергию (это насосная работа ГАЭС). В свою очередь, генератор начинает работать, когда энергопотребление возрастает. Вода поступает из верхнего резервуара, приводя в движение турбину, посредством которой вырабатывается электричество.
• Приливные (ПЭС). Используют колебания уровня воды, часто в устьях рек, где приливные явления вызывают двунаправленный поток. На прибрежном участке возводят плотину. Для эффективной работы необходимо, чтобы перепад воды был не менее 5 м. Мощность таких электростанций невелика, это связано с низкой энергией проточной воды. Большинство ПЭС используют пропеллерные турбины. Некоторые из них имеют внушительные размеры. Во Франции турбины, расположенные в нижней части Ла-Манша, имеют диаметр 21 м и мощность около 2,2 МВт.

Существует классификация гидроэлектростанций по совокупной мощности установленных генераторов, позволяющая разделить малые и крупные ГЭС, но она отличается для разных стран. Например, в Португалии, Испании, Ирландии, Греции и Бельгии 10 МВт было принято в качестве верхнего предела для малых ГЭС, в Италии – 3 МВт, Швеции – 1,5 МВт, а в Польше – 5 МВт.

Однако эти границы достаточно условны и могут изменяться государственными нормативными актами. Так, В США сначала максимальная мощность малых ГЭС была равной 5 МВт, затем 15 МВт, а сейчас уже 30 МВт. В РФ также гидроэлектростанции мощностью более 30 МВт считаются крупными.

Принцип работы гидроэлектростанции

Принцип работы гидроэлектростанции когда энергия воды преобразуется в механическую через гидравлические турбины. Генератор преобразует эту механическую энергию воды в электричество.

Работа генератора основана на принципах Фарадея: когда магнит перемещается мимо проводника то вырабатывается электроэнергия. В генераторе электромагниты созданы текущим постоянным током. Они создают поля полюсов и установлены по периметру ротора. Ротор присоединен к валу который вращают турбины на фиксированной скорости.

Когда ротор вращается, это вызывает смену полюсов в проводнике, смонтированном в статоре. Это, в свою очередь, по закону Фарадея вырабатывает электричество на выводах генератора.

История развития гидроэнергетики в мире и России

Вода была основным источником энергии, используемым человеком на протяжении многих лет. Первой машиной, применившей энергию воды, стало колесо для водяных мельниц. Первая гидроэлектростанция была построена в 1878 году в Нортумберленде, в Великобритании, и использовалась для обеспечения электропитания всего одной лампочки для картинной галереи изобретателя У. Дж. Армстронга.

А в 1920 году на ГЭС уже была произведена большая часть мировой электроэнергии. Основная технология строительства ГЭС оставалась неизменной в течение всего ХХ столетия.

В России в конце XIX и начале ХХ века различные предприниматели для своих предприятий возводили малые ГЭС, но настоящий толчок строительству мощных электростанций дал принятый в 1920 г. план ГОЭЛРО.

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.

Преимущества и недостатки

Гидроэнергетика обладает неоспоримыми преимуществами:

• Чистота электроэнергии. Она вырабатывается при абсолютном отсутствии вредных выбросов.
• Возможность строительства мощных электростанций при соответствующих природных условиях.
• Гибкость производства. Система плотин позволяет регулировать интенсивность потока воды и конечную выработку электроэнергии. Электростанции легко адаптируются к уровню энергопотребления.
• Высокая безопасность. Так как ГЭС не используют ископаемое или ядерное топливо, внутри этих станций нет риска взрыва с тяжелыми последствиями.

• Высокий уровень инвестиций в строительство.
• Неблагоприятное воздействие на окружающую природу. Возведение гидроэлектростанций плотинного типа нарушает естественную экосистему, так как затапливаются огромные участки суши. Строительство вблизи ГЭС линий электропередачи, новых дорог, прокладка кабелей также оказывает влияние на ландшафт.
• Необходимость иметь адекватные природные условия: значительный перепад воды в реках, выраженные приливные явления. Большинство мест, пригодных для строительства мощных гидроэлектростанций, уже использованы.
• В отдельных районах имеется риск засухи. Длительное отсутствие осадков не очень предсказуемо, иногда может привести к полному прекращению выработки электроэнергии и способно вызвать проблемы в энергосистеме.

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).

Крупнейшие ГЭС

В мире двумя самыми крупными ГЭС являются:

1. Итайпу, расположенная на границе между Бразилией и Парагваем, с высотой падения воды 195 м, максимальной выходной мощностью 14 тыс. МВт (20 турбогенераторов мощностью 700 МВт каждый).
2. «Три ущелья» на реке Янцзы в Китае с перепадом воды 185 м и максимальной установленной мощностью 22 500 МВт.

На территории РФ построено много ГЭС, входящих в список крупнейших в мире:

• Саяно-Шушенская;
• Красноярская;
• Братская;
• Усть-Илимская;
• Богучанская;
• Волжская;
• Жигулевская;
• Бурейская;
• Саратовская;
• Чебоксарская.

Крупнейшая аккумулирующая электростанция в РФ – Загорская ГАЭС. Она также присутствует среди 10 мировых самых мощных станций подобного типа.

Проекты, реализованные с 2000 года

В таблице указаны ГЭС, чей первый гидроагрегат введён в эксплуатацию не ранее 2000 года. Таблица основана на статье Список гидроэлектростанций России.

Название ГЭС	Мощность, МВт	Годы ввода агрегатов	Регион	Примечания
МГЭС-3	3,5	2000	Кабардино-Балкария
МГЭС-1 (Северокурильская)	1,26	2000	Сахалинская область
Кора-Урсдонская МГЭС	0,6	2000	Северная Осетия
Бавтугайская	0,6	2000	Дагестан
Озёрская ГЭС	0,5	2000	Калининградская область
МГЭС-2 (Северокурильская)	0,4	2000	Сахалинская область
Малая ГЭС на р. Моген-Бурен (пос. Кызыл-Хая)	0,165	2001	Тыва
Толмачевская ГЭС-3	18,4	2001	Камчатская область
Таналыкская микроГЭС	0,05	2001	Башкирия
Аушигерская ГЭС	60	2002	Кабардино-Балкария
Мечетлинская МГЭС	0,445	2002	Башкирия
МикроГЭС Авзян	0,075	2002	Башкирия
МикроГЭС Кага	0,075	2002	Башкирия
МикроГЭС Узян	0,065	2002	Башкирия
Сенежская ГЭС	0,06	2002	Московская область
Бурейская ГЭС	2010	2003—2007	Амурская область
Хоробровская МГЭС	0,16	2003	Ярославская область
Кармановская ГЭС	0,1	2003	Московская область
Вилюйская ГЭС-III (Светлинская ГЭС)	277,5	2004—2008	Якутия
Юмагузинская ГЭС	45	2004—2008	Башкирия
ГЭС Кайру	0,4	2004	Республика Алтай
Гунибская ГЭС	15	2004	Дагестан
ГЭС Сурского гидроузла	0,2	2004	Пензенская область
М. Краснополянская	1,5	2005	Краснодарский край
Гельбахская ГЭС	44	2006	Дагестан
Ульяновская МГЭС-1	1,2	2006	Ульяновская область
Агульская МГЭС	0,6	2006	Дагестан
ГЭС Джазатор	0,63	2007	Республика Алтай
Белохолуницкая ГЭС	1,25	2007	Кировская область
Магинская МГЭС	1,2	2007	Дагестан
Амсарская МГЭС	1	2007	Дагестан
Абдулкаримовская МГЭС	0,3	2007	Башкирия
Фаснальская МГЭС	6,4	2008	Северная Осетия
Аракульская МГЭС	1,32	2008	Дагестан
Шиназская МГЭС	1,32	2008	Дагестан
Киселёвская	0,2	2008	Свердловская область
Головная ГЭС	15	2009	Северная Осетия
Эшкаконская МГЭС	0,6	2009	Карачаево-Черкесия
Кашхатау ГЭС	65,1	2010	Кабардино-Балкария
Толмачевская ГЭС-2	24,8	2010	Камчатская область
Егорлыкская ГЭС-2	14,2	2010	Ставропольский край
Ляскеля	4,8	2011	Карелия
Ульяновская МГЭС-2	0,5	2011	Ульяновская область
Богучанская ГЭС	2997	2012—2014	Красноярский край
Усть-Среднеканская ГЭС	168	2013—	Магаданская область
Новокарачаевская МГЭС	1,2	2013	Карачаево-Черкесская Республика
МГЭС Рюмякоски	0,63	2013	Карелия
Томская мини-ГЭС	1	2014	Томская область
МГЭС Каллиокоски	0,975	2014	Карелия

Крупнейшие объекты

Саяно-Шушенская ГЭС

Расположена в Хакасии, на Енисее. Является самой крупной в России. Расчетный напор воды – 194 м при высоте плотины в 242 м. Суммарная мощность турбогенераторов – 6,4 тыс. МВт (10 машин по 640 МВт каждая). Себестоимость производимой электроэнергии считается одной из самых низких в РФ.

Снабжает электрической энергией промышленные и гражданские объекты, самые энергоемкие из которых – это два алюминиевых завода (Саянский, Хакасский) и Абаканвагонмаш, предприятие по добыче угля и железной руды.

Кроме основного предназначения, комплекс сооружений ГЭС защищает ниже расположенные по течению реки участки от паводков.

Красноярская ГЭС

Наряду с Саяно-Шушенской и Майнской гидроэлектростанцией образует каскад ГЭС на Енисее, являясь его заключительной ступенью. При расчетном напоре 93 м обладает мощностью 6 тыс. МВт, которая обеспечивается 12 агрегатами по 500 МВт.

ГЭС является основным генерирующим электроэнергию предприятием Красноярского края, играет ключевую роль в объединенной энергетической системе Сибири. На ГЭС продолжается масштабная техническая реконструкция, уже позволившая значительно повысить эффективность работы оборудования.

Для пропуска судов через гидротехнические сооружения здесь построен судоподъёмник, являющийся уникальной конструкцией, единственной в РФ.

Братская ГЭС

Располагается на Ангаре, в Восточной Сибири. Несмотря на то что по установленной мощности она уступает Саяно-Шушенской и Красноярской гидроэлектростанциям, по годовой выработке электроэнергии Братская ГЭС стоит вровень с ними, а в некоторые годы и превосходит. Расчетный напор – 101,5 м. На станции установлены 18 турбогенераторов по 250 МВт (общая мощность – 4,5 тыс. МВт). Поставляет электроэнергию Братскому алюминиевому заводу и другим важным потребителям.

Водохранилище ГЭС является самым крупным в РФ и позволяет эффективно регулировать сток воды: в годы с большим количеством осадков происходит его заполнение, а в засушливые времена – срабатывание.

Усть-Илимская ГЭС

Третья ступень ангарского каскада гидроэлектростанций вырабатывает 1/3 всей электроэнергии Иркутской области. Основные потребители – алюминиевые заводы и предприятия лесохимии. Имеет расчетный напор в 90,7 м. 16 агрегатов по 240 МВт составляют общую мощность 3840 МВт.

Водохранилище ГЭС по площади поверхности в 3 раза уступает аналогичному водоему Братской ГЭС.

Так как предприятие сдано в эксплуатацию еще в 1980 году, то на нем постепенно проводятся работы по реконструкции гидроагрегатов. В частности, замена их рабочих колес дает существенный прирост выработки электроэнергии каждым генератором – более 4%.

Богучанская ГЭС

Является составляющей частью ангарского каскада, образует его четвертую ступень. Гидроэлектростанция относится к объектам, строительство которых шло продолжительное время. Несмотря на то что ее возведение началось в 1974 г., ввод в эксплуатацию состоялся только в 2012-2015 годах.

Расчетный напор – 65,5 м при высоте плотины в 77 м. Общая мощность станции – 2997 МВт, обеспечивающаяся 9 генераторами по 333 МВт.

50% и более всей вырабатываемой электроэнергии будет потреблять Богучанский и Тайшетский алюминиевые заводы. А мощная электросетевая инфраструктура способна повысить надежность электроснабжения регионов Восточной Сибири – Красноярского края и Иркутской области.

Волжская ГЭС

Это самая крупная ГЭС на европейском континенте, в начале 60-х годов прошлого века была мощнейшей в мире. Находится на Волге, недалеко от Волгограда.

Является важным звеном, гарантирующим надежность работы ЕЭС РФ, а ее водохранилище играет ключевую роль в обеспечении водой засушливых районов юга России, в том числе оросительных систем и создании условий для пропуска крупнотоннажных судов.

Максимальная высота плотины – 47 м, расчетный напор – 21,5 м. Суммарная мощность гидрогенераторов – 2671 МВт (7 – по 115 МВт, 5 – по 120 МВт, 1 – 11 МВт).

В конце 90-х началась модернизация гидроагрегатов, а в 2010 г. – замена и реконструкция электросетевого оборудования (трансформаторов, коммутационной аппаратуры, кабелей и т. д.).

Жигулевская ГЭС

Гидроэлектростанция расположена на реке Волге, недалеко от города Тольятти, уступает по мощности только Волжской. Здесь установлены 16 генераторов по 125,5 МВт и 4 генератора по 120 МВт. Суммарная мощность – 2488 МВт. Расчетный напор – 21 м при максимальной высоте плотины в 45 м.

Водохранилище Жигулевской ГЭС имеет определяющее значение среди всех объектов каскада электростанций на Волге для регулирования стока воды, так как обладает самыми крупными размерами в Европе. Благодаря Куйбышевскому водохранилищу обеспечиваются комфортные навигационные глубины, и вода поступает в оросительные системы по мере необходимости.

Бурейская ГЭС

Мощнейшая на Дальнем Востоке ГЭС была полностью сдана в эксплуатацию в 2014 году и разрешила ряд региональных проблем:

• помогла повысить надежность снабжения электричеством;
• увеличила экспортные возможности (основное направление – Китай);
• исключила необходимость строительства электростанций, работающих на ископаемом топливе, следовательно, отпала необходимость в его завозе, окружающая атмосфера будет освобождена от продуктов сгорания угля;
• обеспечила защиту от паводков.

Высота плотины станции – 140 м при расчетном напоре в 103 м. Суммарная мощность гидрогенераторов – 2010 МВт (6 агрегатов по 335 МВт).

Саратовская ГЭС

Предпоследняя ступень в Волжско-Камском каскаде гидроэлектростанций. Построена в городе Балаково Саратовской области. Если до ее ввода в эксплуатацию этот регион испытывал дефицит электроэнергии, то после стал энергоизбыточным. Мощность электростанции – 1415 МВт. Установлено 6 агрегатов по 66 МВт, 15 – по 60 МВт, 2 – по 54 МВт и 1 – 11 МВт.

Длина машинного зала превосходит все подобные сооружения в России. Высота плотины – 40 м.

Как и все звенья каскада, Саратовская ГЭС обеспечивает надежность снабжения электрической энергией Поволжья, участвует в улучшении условий для навигации крупнотоннажных судов, помогает орошать засушливые земли.

Чебоксарская ГЭС

Находится в Чувашии. Возведена последней из всех ГЭС на Волге, считается, что ее строительство до сих пор не завершено, хотя предприятие начало выдавать электроэнергию в сеть с 1981 года. ГЭС используется только на 60% от проектной мощности. Основная проблема – агрегаты работают на напоре ниже проектного.

Общая мощность должна составлять 1370 МВт, но из-за низкого напора она не превышает 820 МВт. Всего функционируют 17 генераторов по 78 МВт и 1 – 44 МВт.

Прорабатываются различные варианты завершения строительства электростанции и вывода ее на проектную мощность, но даже сейчас она выполняет важную роль в электроснабжении региона.

Мировая гидроэнергетика: настоящее и будущее

Но самый интересный прогноз касался развития гидроэнергетики. По мнению людей, живших сто лет назад, в каждой реке будет установлено специальное оборудование для производства электричества. Вдоль побережья морей и океанов появятся устройства, превращающие энергию волн в электрическую. Что ж, XX век действительно можно назвать веком гидроэнергетики. Однако что будет с ней в XXI веке?
Что сделано, что предстоит

Сейчас крупнейшими производителями гидроэнергии (включая гидроаккумулирующие станции) в абсолютных значениях являются Китай, Канада, Бразилия и США, замыкает пятерку лидеров Россия. Однако абсолютный лидер по выработке гидроэнергии на душу населения – Исландия. Кроме нее, этот показатель наиболее высок в Норвегии (доля ГЭС в суммарной выработке – 98 процентов), Канаде и Швеции.

Однако в развитых странах уже освоена большая часть экономически целесообразного гидропотенциала, в частности в Европе это 75 процентов, в Северной Америке – около 70 процентов, и возможности для строительства крупных ГЭС практически исчерпаны. В то же время Африка (21 процент мировых гидроэнергетических ресурсов) и Азия (39 процентов) вносят в мировую выработку гидроэлектроэнергии лишь 5 и 18 процентов, соответственно. Южная Америка и Австралия вместе взятые, располагая примерно 15 процентами ресурсов, дают только 11 процентов производимой в мире гидроэлектроэнергии.

Так что смело можно прогнозировать, что новые большие ГЭС будут строить в основном в Африке, Азии и Южной Америке, так как на других континентах, везде, где только можно построить большую ГЭС, они уже стоят.

Эти выводы подтверждаются тем, что крупнейшие ГЭС мира находятся именно в этих регионах. Так, именно в Азии, в Китае, располагается крупнейшая ГЭС мира «Три ущелья» на реке Янцзы. Мощность этой станции составляет 22,4 ГВт (для сравнения – мощность крупнейшей гидроэлектростанции России Саяно-Шушенской ГЭС составляла до аварии 6,4 ГВт).

Кроме того, в Китае ведется строительство крупнейшего по мощности каскада ГЭС. Вторая по величине гидроэлектростанция в мире называется «Итайпу» и стоит на реке Парана, на границе Бразилии и Парагвая. Ее мощность – 14 ГВт. Наконец, «тройку призеров» замыкает гидроэлектростанция имени Симона Боливара, или «Гури», в Венесуэле, на реке Карони. Ее мощность – 10,3 ГВт.

Однако все эти достижения инженерной мысли меркнут перед ГЭС «Гранд Инга». Эта гидроэлектростанция, мощность которой составит 39 ГВт, планируется к сооружению международным консорциумом на реке Конго в Демократической Республике Конго (бывший Заир). У «Гранд Инга» будут пятьдесят две гидротурбины по 750 МВт каждая, плотина высотой 150 метров, будет использоваться часть потока скоростью 26 400 кубометров в секунду. В случае успеха проекта «Гранд Инга» вдвое превзойдет «Три ущелья».

Стоимость сооружения составит около 80 миллиардов долларов США. Ожидается, что строительство начнется в 2014 году и может быть завершено около 2025 года.

Удел развивающихся стран?

Однако на фоне успехов гидроэнергетики не стоит забывать и о минусах, которые она несет окружающей среде. К тому же эти минусы приобретают все больший вес в глазах общественности и могут кардинальным образом сказаться на будущем отрасли.

Поскольку строительство крупных ГЭС, как правило, сопряжено с существенными экологическими проблемами – затоплением больших территорий, изменением климата (например, в Красноярске из‑за ГЭС не замерзает Енисей, лед здесь не образуется на протяжении 80 километров вниз по течению от плотины гидростанции) в странах с высокими природоохранными стандартами это стало дополнительным барьером для развития крупной гидрогенерации.

Кстати, недостаточно изучен вопрос, как нивелировать экологические последствия при выводе ГЭС из эксплуатации, так как ни одну из крупнейших гидроэлектростанций еще не выводили. Ясно одно: вывод ГЭС из эксплуатации потребует больших бюджетных затрат.

В результате происходит отчетливая «миграция» гидроэнергетики в развивающиеся страны, где велик неосвоенный гидропотенциал, а экологические соображения играют меньшую роль (как в силу менее строгих экологических стандартов, так и по причине невысокой политизированности вопросов экологии). В результате, по оценкам Международного энергетического агентства, в предстоящие полтора-два десятилетия до 80 процентов прироста мощностей гидрогенерации придется на развивающиеся государства.

Еще одним минусом гидроэнергетики можно назвать довольно низкий коэффициент использования установленной мощности. Этот общий показатель для энергетики у атомных станций составляет порядка 80‑85 процентов, самый высокий из всех видов генерации. А у ГЭС он лишь порядка 50 процентов. То есть один гигаваттный блок в лучшем случае выдает 500 мегаватт, что также сказывается на перспективах развития гидроэнергетики.

Значит ли это, что времена расцвета гидроэнергетики в прошлом и ее ждет угасание? Конечно же, нет. Об этом можно судить по тому, какими темпами развивается малая гидроэнергетика, не требующая больших территорий, приближенная к потребителю и быстро окупающаяся. За последние десятилетия малая энергетика заняла устойчивое положение во многих странах мира.

Мировой опыт показывает, что освоение гидропотенциала малых рек решает проблемы энергоснабжения мелких потребителей. Например, в Китае построено более 90 тысяч малых ГЭС, которые обеспечивают 30 процентов энергопотребления в сельских районах. В США разработана государственная программа развития малой гидроэнергетики: до 2020 года планируется ввести малые ГЭС суммарной мощностью 50 тысяч МВт, что обеспечит производство 200 миллиардов кВт-ч электроэнергии. При этом стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, выработанной на малой ГЭС, составляет 1,8‑2,4 цента (на больших ГЭС – 3,2‑5,5 цента, на АЭС – 2,8‑3,9 цента).

Альтернативы развития

Впрочем, помимо традиционной малой гидроэнергетики, в настоящее время активно продвигают и другие способы получения электроэнергии от воды. Основные направления развития альтернативной гидроэнергетики связаны с использованием механической энергии приливов, волн, течений и тепловой энергии океана.

Только один приливно-отливный цикл Мирового океана энергетически эквивалентен 8 триллионам кВт-ч. По экспертным оценкам, технически возможно использование примерно 2 процентов этого потенциала. Наибольшими запасами приливной энергии обладают Атлантический и, в меньшей мере, Тихий океаны.

Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на возможность использования энергии приливов, являются особенности береговой линии, а также прибрежного и придонного рельефа. В длинных узких заливах с пологим дном приливы имеют максимальную высоту, иногда превышающую 10 метров, что существенно повышает эффективность энергетического использования приливно-отливного цикла. Есть мнение, что работа приливных электростанций тормозит вращение Земли, что может привести к негативным экологическим последствиям, однако, с точки зрения большинства экспертов, ввиду колоссальной массы Земли влияние приливных электростанций незаметно.

Первые экспериментальные приливные электростанции (ПЭС) появились в начале XX века, однако серьезный интерес к приливной энергетике возродился опять‑таки во времена энергетического кризиса, в середине 1970‑х годов. Преимущества ПЭС – экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатки – высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из‑за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью электростанций других типов.

В 1984 году в Канаде была построена ПЭС «Аннаполис» мощностью 20 МВт. Активно развивают направление ПЭС США и Франция. Энергетический потенциал ПЭС в США оценивается в 350 миллиардов кВт-ч в год. Перспективные возможности сооружения ПЭС во Франции оцениваются в 40 миллиардов кВт-ч в год. Постепенно к развитию ПЭС присоединяются и другие страны.

Так, в прошлом году в Южной Корее была запущена крупнейшая в мире приливная электростанция Shihwa. В начале августа 2011 года запустили шесть из десяти ее генераторов. После полного запуска в эксплуатацию мощность сеульской электростанции составит 254 МВт. Электроэнергии, которую она будет вырабатывать, будет достаточно для обеспечения города с населением в 500 тысяч человек. Как считают южнокорейские специалисты, с помощью приливной электростанции Южная Корея будет экономить каждый год более 860 тысяч баррелей нефти и тем самым сможет снизить выбросы углекислого газа на 3,2 миллиона тонн в год.

Однако быть крупнейшей ПЭС ей осталось недолго: в 2012 году во французской Бретани завершится строительство приливной электростанции, которая, согласно утверждению французов, станет самым крупным подобным объектом в мире. Проект стоимостью 55 миллионов долларов США был разработан в 2004 году. Строительство электростанции началось в 2008‑м, и вот теперь компании заявляют, что ее запуск будет осуществлен в начале следующего года. Компания OpenHydro поставила для проекта четыре двухмегаваттные турбины, которые в настоящее время устанавливаются на глубине 115 метров у побережья.

Еще одно направление развития альтернативной гидроэнергетики – волноприбойная энергетика. Технический потенциал энергии волн оценивается примерно в 3 миллиарда кВт-ч в год, однако реальные возможности его использования по целому ряду причин (в том числе из‑за непостоянства ветров и волн) существенно ниже.

Экспериментальные волноприбойные электростанции (ВПЭС) в основном строятся по поплавковым схемам: в электричество преобразуется работа волн по поднятию расположенных на водной поверхности систем поплавков. Еще одним перспективным техническим вариантом ВПЭС считается «поршневая» схема, в которой волновые колебания уровня воды в вертикальных колодцах используются в качестве «поршней», прогоняющих через турбины воздух, находящийся над водой в этих колодцах. Пока эксплуатация опытных ВПЭС ведется только в Великобритании и Японии. Однако разработками в этом направлении активно занимаются в США, Канаде, Австралии и других странах.

Почти фантастика. Пока

Если же взглянуть в будущее гидроэнергетики чуть дальше, то человечеству стоит задуматься об энергетическом потенциале океанских и морских течений, который составляет сотни миллиардов киловатт-часов в год. Так, Гольфстрим, основная часть которого проходит между Флоридой и Багамскими островами, имеет эквивалентную энергетическую мощность в 50 миллионов кВт, и эксперты в США считают, что реально использовать примерно 10 процентов этой мощности. Возможная технология – погружение систем низкооборотных турбин (скорость течения – менее 1 м/с) в поток. Однако воплощение таких проектов – дело будущего.

Еще одним направлением может стать использование тепловой энергии океана. Его перспективы основаны на том, что между водой на поверхности и водой на глубинах уже в первые сотни метров существует очень значительная разница температур. Поскольку такое явление наблюдается повсеместно в низких широтах, теоретический потенциал данного типа энергетики очень велик.

Программы «Преобразование термальной энергии океана» уже осуществляются в США, Японии, Франции. Построены опытные моретермальные электростанции у Гавайских островов, острова Науру, у побережья Кот-д’Ивуара. МТЭС работают с применением испарительно-конденсационного цикла теплоагента, на принципе испарения жидкого аммиака, фреона или другого теплоносителя за счет отбора тепла глубинной холодной водой. Испаренный теплоноситель используется в турбинах низкого давления либо в поршневых системах для выработки электроэнергии. Впрочем, пока их мощность не превышает первых сотен киловатт, коэффициент преобразования энергии 10‑15 процентов, а себестоимость энергии неконкурентоспособна с большинством других традиционных и нетрадиционных энерготехнологий.

Основные перспективы развития МТЭС связывают с технологиями сооружения крупных плавающих станций погружного или полупогружного типа большой мощности; расчеты показывают, что при этом коэффициент преобразования энергии можно поднять более чем вдвое. Однако для МТЭС с такими технологиями пока не вполне решены проблемы накопления и передачи выработанной энергии к потребителям на материке.

И все же рано или поздно эти технологические проблемы будут решены. И кто знает, может быть, в будущем большую часть энергии человечество будет получать от воды. А значит, гидроэнергетика не утратит своего значения ни в XXI, ни даже в XXII веке.

Источник: ecobeltex.ru

Гидроэнергетика в России: отечественные гидростанции их типы и характеристики

Развитие гидроэнергетики в России началось только после Великой Октябрьской социалистической революции. По утвержденному в 1920 г. государственному плану электрификации (ГОЭЛРО), составленному по инициативе В. И. Ленина, в течение 10—15 лет надлежало построить 30 электростанций общей мощностью 1 750 000 кет, в том числе 10 гидроэлектростанций мощностью 640 000 кет (Волховскую, Нижне- и Верхне-Свирские, Днепровскую и др.).

Первая крупная гидроэлектростанция — Волховская мощностью 66 000 кВт была введена в эксплуатацию з 1926 г., в 1932 г. начала работать Днепровская ГЭС имени В. И. Ленина мощностью 650 000 /сет, а к 1937 г. общая мощность гидроэлектростанций страны составляла уже 1 400 000 Квт.

Особенно быстро гидроэнергетика начала развиваться в послевоенные годы, и в настоящее время мощность гидроэлектростанций России составляет свыше 30 млн. квт с выработкой электроэнергии до 120 млрд. квт — ч.

Преимущества и развитие гидроэнергетики

Гидроэлектростанции, используя непрерывно возобновляющиеся энергетические ресурсы рек, являются высокорентабельным и долговечным источником электроснабжения народного хозяйства. Они отличаются надежностью в работе и низкой стоимостью вырабатываемой электроэнергии. Высокая маневренность гидроэлектростанций и готовность их немедленно принимать нагрузку имеют особенно важное значение при работе гидроэлектростанции в энергосистеме для покрытия пиков электропотребления и .выравнивания графикоз нагрузки системы. В связи с этим, а также учитывая достаточные запасы гидроэнергетических ресурсов, в ближайшие годы намечается продолжение роста общей мощности гидроэлектростанций. Такое развитие отечественной гидроэнергетики может быть обеспечено только строительством в основном крупных многоагрегатных гидроэлектростанций с установкой на них мощных уникальных гидроагрегатов.

Отечественное гидроэнергомашиностроение за послевоенный период достигло значительных успехов в конструировании и изготовлении основного технологического оборудования для строящихся гидроэлектростанций. В связи со все увеличивающейся потребностью народного хозяйства страны в электроэнергии основной тенденцией развития современного гидроэнергомашиностроения является повышение единичной мощности гидроагрегатов, так как это дает возможность получения больших мощностей на одной гидроэлектростанции при уменьшении удельной металлоемкости и стоимости гидротурбин и генераторов. Так, агрегаты с поворотнолопастными турбинами Волжских ГЭС имени В. И. Ленина и XXII съезда КПСС, имеющие рабочие колеса диаметром 9,3 м мощностью 115 тыс. квт, и Саратовской ГЭС с рабочим колесом диаметром 10,3 м мощностью 60 тыс.квт по размерам и мощности значительно превосходят зарубежные агрегаты аналогичного типа. На Братской гидроэлектростанции имени 50-летия Великого Октября работают агрегаты мощностью по 250 тыс. квт. Для Нурекской ГЭС изготовляются агрегаты по 300 тыс. квт, уникальные гидроагрегаты Красноярской ГЭС имеют мощность 500 тыс. квт, а для Саянской ГЭС создаются гидроагрегаты мощностью по 640 тыс. квт с радиально-осевыми турбинами диаметром рабочего колеса 7,5 м.

Состав энерго гидроагрегатов

Энергетический агрегат гидроэлектростанции состоит из гидротурбины, непосредственно соединенного с ней гидрогенератора и вспомогательного оборудования, необходимого для обеспечения нормальной работы агрегата. Гидротурбины и гидрогенераторы разрабатываются и изготовляются различными заводами, однако конструируются они как части единого гидроагрегата. Только общая компоновка применительно к зданию ГЭС и наиболее целесообразное сочетание конструктивных и технологических решений, принятых совместно для турбины и генератора, дают возможность создать надежный энергетический агрегат с высокими энергетическими, эксплуатационными и экономическими показателями.

На средних и крупных современных гидроэлектростанциях устанавливаются, в основном вертикальные гидроагрегаты. Горизонтальные агрегаты ранее широко применялись для оборудования небольших преимущественно сельских гидроэлектростанций. Однако в последние годы горизонтальные гидроагрегаты начали устанавливаться и на более мощных гидроэлектростанциях.

В европейской части России преобладают средне- и низконапорные гидроэлектростанции с напорами до 40 м и вертикальными агрегатами, состоящими из генератора и поворотнолопастной турбины.

На Дальнем Востоке и в Сибири сооружаются в основном мощные средне- и высоконапорные гидроэлектростанции с напорами до 200 м, а на Кавказе и в Средней Азии — высоконапорные гидроэлектростанции с напорами до 500 м. Развитие гидроэнергетики этих районов потребовало создания крупных гидроагрегатов с радиально-осевыми турбинами. Крупнейший в мире гидроагрегат Красноярской ГЭС с радиально-осевой турбиной диаметром рабочего колеса 7,5 м мощностью 500 тыс. квт.

В связи с ростом потребности укрупненных энергосистем в пиковой энергии все большее значение начинают приобретать и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) как основное средство для выравнивания нагрузок. Эти станции требуют применения специальных видов гидроэнергетического оборудования: обратимых машин (турбина — насос) и обратимых двигателей — генераторов.

В настоящее время такие первые агрегаты и установлены на Киевской ГАЭС. Дальнейшее совершенствование компоновок и конструкций вертикальных гидроагрегатов характеризуется стремлением к максимальному конструктивному и технологическому объединению деталей и узлов турбины и генератора. Так, подпятники зонтичных генераторов опираются теперь обычно на крышку турбины, что дало возможность отказаться от нижней крестовины генератора. В некоторых конструкциях крупных гидроагрегатов генератор не имеет вала и втулка его ротора крепится непосредственно к верхнему концу вала турбины.

Конструктивные и компоновочные изменения гидроагрегатов за последние 25 лет не только привели к существенному повышению энергетических параметров, но и значительно уменьшили осевые габариты их при одинаковом диаметре рабочего колеса.

Особенности современного строительства гидроагрегатов

Характерной особенностью современного крупного гидроэнергомашиностроения является то, что турбины и генераторы из-за своих габаритов и весов, а также отсутствия на заводах необходимых энергетических ресурсов и невозможности создания специальных стендов не могуг быть полностью собраны, обкатаны и испытаны на заводах-изготовителях, и поэтому их вынуждены поставлять на гидроэлектростанции в.виде отдельных механизмов, узлов и деталей, иногда даже без заводской общей и поузловой контрольной сборки. Гидроагрегаты полностью собирают, испытывают и -пускают в работу впервые только на месте установки. Поэтому монтаж гидроэнергетического оборудования является по существу заключительным этапом в общем цикле создания гидроагрега-та, в процессе которого приходится выполнять не только монтажные операции по сборке, установке, выверке и креплению деталей и узлов гидроагрегата, но и производить чисто заводские технологические операции по контрольной сборке узлов и механизмов с доводкой и подгонкой деталей.

Одновременно монтаж гидроагрегатов — технологического оборудования гидроэлектростанции — является и составной частью единого, связанного организационно и технологически процесса строительно-монтажных работ по сооружению гидроэлектростанции.

Эти две особенности изготовления и установки крупных гидроагрегатов, требующие- сочетания и обеспечения их высококачественного монтажа и своевременного ввода гидроэлектростанции в эксплуатацию, обусловливают необходимость четких инженерно-технических методов организации и технологии монтажных работ.

Гидравлические двигатели, применявшиеся в промышленности России и за рубежом до XIX в., представляли собой различного типа водяные колеса, вращающиеся под действием только веса воды или скоростной энергии потока. Водяные колеса как двигатели имели ряд существенных недостатков: громоздкость, малую скорость вращения и низкий к. п. д., а главное — с их помощью невозможно было получить большие мощности. Так, водяное колесо диаметром 9,15 м при напоре 5,2 м, работавшее на Кренгольмской мануфактуре в г. Нарве до 1874 г., развивало мощность всего 330 квт при скорости вращения 4—4,5 об/мин.

В начале XIX в. была создана гидравлическая турбина, которая стала быстро вытеснять водяные колеса, особенно в промышленности, где требовались более значительные мощности. Гидравлическая турбина по сравнению с водяным колесом дала возможность получать большие мощности в одном агрегате при сравнительно высоких скоростях вращения и достаточно простой связи турбины с потребляющей ее энергию машиной.

Особенно важное значение получило гидротурбостроение в конце XIX и начале XX вв. в связи с широким развитием электротехнической промышленности и появлением возможности получения больших количеств электроэнергии на создаваемых для этой цели гидроэлектростанциях и ‘передачи ее на значительные расстояния.

Использование гидравлической энергии в дореволюционной России находилось на чрезвычайно низком уровне, а гидротурбостроение по существу отсутствовало.

Ещё одно интересное видео о работе Сибирских ГЭС и влиянии на них меняющейся экологической обстановки:

Источник: pue8.ru