Гидроэнергетика

ГИДРОЭНЕРГЕТИКА, раздел энергетики, связанный с использованием энергии воды, главным образом для производства электрической энергии на гидроэлектростанциях. Гидроэнергетические объекты имеют комплексное назначение, и кроме производства электроэнергии, предназначаются для развития водного транспорта, ирригации, промышленного и коммунально-бытового водоснабжения, защиты территорий от затопления в период паводков, рекреации. Гидроэнергетика является инфраструктурой для деятельности и развития целого ряда важнейших отраслей экономики и страны в целом.

Человек ещё в глубокой древности обратил внимание на реки как на доступный источник энергии. Вода была первым источником энергии, и, вероятно, первой машиной, в которой человек использовал энергию воды, была примитивная водяная турбина. Свыше 2000 лет назад горцы на Ближнем Востоке уже пользовались водяным колесом в виде вала с лопатками. Об использовании водной энергии свидетельствуют материалы археологических исследований, в частности, проведённых на территории Армении и в бассейнах реки Амударья (смотри также в статье Гидротехника).

В 17 веке водяные колёса были в России единственной энергетической базой развивавшегося мануфактурного производства. Значительные успехи в строительстве гидросиловых установок в России достигнуты в 18 веке в горнорудной промышленности на Урале и Алтае. Гидросиловые установки стали неотъемлемой частью металлургического, лесопильного, бумажного, ткацкого и других производств. В 1765 году К. Д. Фролов соорудил на реке Корболиха (Алтай) гидросиловую установку, в которой вода подводилась по специальному каналу к рабочему колесу, приводившему в движение группы машин, в том числе предложенный К. Д. Дьяковым внутризаводской транспорт в виде системы вагонеток. Самые мощные водяные колёса (диаметром 9,5 м, шириной 7,5 м) были установлены в конце 18 века в России на реке Нарова для Кренгольмской мануфактуры. При напоре 5 м они развивали мощность до 368 кВт. В 1-й половине 19 века была изобретена гидротурбина, открывшая новые возможности перед гидроэнергетикой. С изобретением электрической машины и способа передачи электроэнергии на значительные расстояния гидроэнергетика приобрела новое значение - как направление электроэнергетики; началось освоение водной энергии путём преобразования её в электрическую на гидроэлектрических станциях (ГЭС). К 1917 году мощность ГЭС России составила 16 МВт, в то время как суммарная мощность ГЭС в мире в 1920-м достигла 17 тысяч МВт, причём были построены такие крупные электростанции, как, например, ГЭС «Adams» на Ниагарском водопаде (США) мощностью 37 МВт.

Для устранения острого дефицита электроэнергии в послереволюционной России потребовалась разработка специальной программы её электрификации, что было реализовано в ГОЭЛРО плане (1920), который предусматривал сооружение за 15 лет десяти ГЭС общей установленной мощностью 640 МВт. В 1928-32 годах введены в действие ГЭС суммарной мощностью 377 МВт, построены 12 ГЭС в различных районах страны, начато сооружение Нижнесвирской, Канакерской, Иваньковской ГЭС и др. В 1932-м построена Днепрогэс имени В. И. Ленина проектной мощностью 560 МВт - в то время самая крупная в Европе. В 1933-37 годах была намечена программа планомерного использования гидротехнических ресурсов страны; начато сооружение Волжского каскада ГЭС, продолжены работы по сооружению каскадов ГЭС в республиках Средней Азии и Закавказья. К 1940 мощность всех ГЭС СССР достигла 1,6 тысяч МВт, а выработка электроэнергии - 5,1 миллиардов кВтч. Доля гидроэнергетики в электроэнергетическом балансе страны достигла 10,6%.

В послевоенные годы продолжалось интенсивное строительство гидроэлектростанций: на Волге - Нижегородской, Куйбышевской, Волгоградской ГЭС, затем Саратовской и Чебоксарской ГЭС; на Днепре - Каховской, Днепропетровской, Кременчугской, Днепродзержинской, Каневской и Киевской ГЭС; на Каме - Камской, Боткинской, а затем Нижнекамской ГЭС; ряда крупных каскадов ГЭС в республиках Закавказья и Средней Азии. В 1960 году мощность ГЭС СССР достигла 14,8 тысяч МВт, выработка ими электроэнергии - 51 миллиард кВтч, что составило 17% от общей выработки электроэнергии в стране. Дальнейшее использование гидроэнергетических ресурсов связано со строительством крупных ГЭС в Сибири. За 1917-70 годы Советский Союз стал одной из ведущих стран в области гидроэнергетики, уступая по установленной мощности ГЭС только США и Канаде (таблица 1).

Выделяют три категории потенциала гидроэнергетических ресурсов водотока. Теоретический (валовой) потенциал - совокупность полной мощности всех отдельных участков водотока независимо от технической возможности и экономической целесообразности его использования. Технический потенциал - часть валового потенциала водотока, которая может быть использована. Экономический потенциал - часть технического потенциала, использование которого экономически оправдано в существующих условиях.

В 1990 году суммарная мощность ГЭС в СССР достигла 65 тысяч МВт (уступая только США) при производстве электроэнергии 233 миллиард кВтч/год, доля в электроэнергетике около 20%; 3-е место после США и Канады. ГЭС, расположенные на территории России, имели в этот период суммарную установленную мощность 43,2 тысяч МВт и вырабатывали электроэнергии около 170 миллиардов кВтч.

Распределение величины мировых потенциальных гидроэнергоресурсов речного стока на 2000 приведены в таблице 2.

В 2005 году суммарная мощность ГЭС России (тысяч МВт) составила 45,9, в том числе в Европейской части страны - 18,6, в Сибири - 23,3, на Дальнем Востоке - 3,9. Суммарная выработка электроэнергии всеми ГЭС России равна 174,4 миллиарда кВтч, доля в электроэнергетике около 18,7%. Теоретический потенциал выработки электроэнергии речного стока России определён в 2900 миллиардов кВт ч/год. Потенциал крупных и средних рек составляет 2400 миллиардов кВтч, малых рек - 500 миллиардов кВтч. Технически достижимый уровень использования гидроэнергетических ресурсов крупных и малых рек России оценивается в 1670 миллиардов кВтч.

По имеющемуся гидропотенциалу Российская Федерация занимает 2-е место в мире (после Китая), однако по степени его освоения (18,7%) она уступает развитым странам. Так, во Франции и Швейцарии этот показатель превышает 90%, Канаде и Норвегии - 70%, США и Бразилии - 50%.

Наибольший интерес представляет экономически эффективная для практического использования часть гидроэнергетического потенциала. Суммарный экономический потенциал стока рек России определён в 852 миллиарда кВтч годовой выработки электроэнергии. Региональное распределение этого потенциала и потенциал наиболее крупных рек России, а также уровень его практического использования вместе со строящимися станциями приведены в таблице 3.

Степень освоения гидроэнергетического потенциала речного стока в России пока невелика и значительно отстаёт от уровня его использования в других странах. Во многих странах, в том числе европейских, США, Канаде, Японии, странах Азии и Южной Америки уровень использования гидроэнергетического потенциала значительно выше 50%, а в ряде стран он превысил 90%. Наиболее интенсивно гидроэнергетический потенциал осваивается в КНР, где уже в течение многих лет одновременно один за другим строятся более 50 крупных гидроэнергетических объектов.

Малая гидроэнергетика за последние 20 лет заняла устойчивое положение в электроэнергии многих стран. Создание новых гидроагрегатов позволило малым ГЭС занять устойчивое положение в электроснабжении КНР, США, Канады, Германии, Швеции, Испании. Лидирующая роль принадлежит КНР, где суммарная установленная мощность малых ГЭС превышает 14 тысяч МВт. В мире с помощью малой гидроэнергетики в 2010 году планируется получить электрической энергии 220 ТВт-ч/год, а установленная мощность достигнет 55 тысяч МВт.

В Российской Федерации число малых рек превышает 2,5 миллионов, их суммарный сток более 1000 км³/год, что позволит производить 500 миллиардов кВтч/год электроэнергии.

В России на предстоящие 15-20 лет намечается программа дальнейшего использования гидроэнергетических ресурсов. Разрабатываются проекты строительства малых, средних и крупных ГЭС во всех регионах России. Осуществление этой программы позволит к 2025-30 годам удвоить существующие в настоящее время мощности гидроэлектростанций.

Гидроэнергетика - одна из важнейших подотраслей топливно-энергетического комплекса страны. Используя возобновляемые энергетические ресурсы, гидроэнергетика уменьшает потребности в топливе для выработки электроэнергии, улучшает структуру топливно-энергетического баланса, повышает надёжность и качество электроснабжения, снижает себестоимость производства электроэнергии. В 2005 году при выработке электроэнергии 175 миллиардов кВтч сокращена годовая потребность в топливе более чем на 50 миллионов тонн условного топлива. При этом предотвращён выброс в атмосферу около 1,3 миллионов тонн золы, оксидов серы и азота и около 180 миллионов тонн диоксида углерода. Стоимость производства электроэнергии на ГЭС в 5-7 раз ниже, чем на тепловых и атомных электростанциях.

Создание крупных гидроузлов и электростанций оказывает значительное и многообразное влияние на природные и хозяйственные условия в районе строительства. Возникает необходимость переселения населения из зон затопления и негативного влияния водохранилищ, вынос из этих зон хозяйственных объектов и объектов инфраструктуры. Так, за весь период гидроэнергетического строительства на территории России в зоне водохранилищ и подтопления оказалось 45 тысяч км² земель, в том числе 16 тысяч км² сельскохозяйственных угодий и 21 тысяча км² лесных площадей. За этот период из зон затопления переселено 840 тысяч человек. Ущерб, наносимый созданием гидроузлов экологической среде и социально-экономической сфере в период их строительства, полностью или частично компенсирован.

Г. Г. Лапин, В. И. Лелеков.