Гидроэнергия.

Человечество более 14 веков назад освоило преобразование по-тенциальной энергии воды в механическую энергию вращения водяного колеса, которое системой приводов заставляло работать мельницы, воздуходувки в кузницах и т.п. Гидроэнергия относится к числу возобновляемых источников энергии. Преобразование гидроэнергии в электричество с помощью динамомашин, изобретенных в начале XIX в., на гидроэлектростанциях (ГЭС) началось в конце того же века. В 2005 г. на ГЭС в мире вырабатывалось около 17 % электроэнергии, в России - около 15 %.

Физические принципы процесса преобразования энергии падающей воды в электроэнергию хорошо известны, но технические детали достаточно сложны [2.1] - [2.3]. Основные сооружения гидроэлектростанции - плотина, создающая водохранилище и необходимый перепад уровней воды (напор), и здание ГЭС, в котором размещено электрическое и механическое оборудование. Водное пространство перед плотиной называют верхним бьефом, а ниже плотины - нижним бьефом. Вода под действием силы тяжести движется по водоводам плотины из верхнего бьефа в нижний, вращая рабочее колесо турбины (рис. 2.1). Турбина вращает вал, к которому присоединен ротор генератора, вращающийся в магнитном поле статора. Турбина и генератор вместе образуют гидроагрегат.

Таким образом, на ГЭС происходит преобразование энергии по цепочке: потенциальная энергия воды - кинетическая энергия воды - механическая (вращательная) энергия ротора - электрическая энергия. Коэффициент полезного действия ГЭС обычно составляет 85 - 90 %.

Выработка электроэнергии на ГЭС за год определяется накопленным запасом и напором воды и характеризуется значительной сезонной неравномерностью. Для большинства рек России маловодный период наблюдается зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая. Чтобы избавиться от этой неравномерности поверхностного стока воды сооружают водохранилище большой емкости в реке выше ГЭС (см. табл. 2.1).

Для создания таких водохранилищ порой требуется затопить огромные территории, занятые сельхозугодьями, лесными массивами, населенными пунктами, промышленными предприятиями. Водохранилища, образованные плотинами ГЭС, могут оказывать вредное воздействие на окружающую среду: уничтожать уникальную флору и фауну, сокращать сток рек и сезонные паводки, наносить ущерб ландшафту, вызывать климатические изменения, увеличивать давление на земную кору и тем самым создавать напряжения в породе, что может вызвать землетрясения.

Ввиду высокой маневренности ГЭС на них обычно возлагают функцию поддержания частоты тока в энергосистеме, к которой подключена ГЭС. Пуск агрегата (гидротурбина + гидрогенератор) занимает меньше 1 мин. Другой отличительной особенностью ГЭС является небольшое потребление электроэнергии на собственные нужды, которые обычно в несколько раз меньше, чем у тепловых электростанций. Благодаря высокой автоматизации и низким эксплуатационным расходам себестоимость электроэнергии на ГЭС, как правило, в 6 - 8 раз меньше, чем на ТЭС и АЭС. Численность эксплуатационного персонала ГЭС примерно в 20 раз меньше, чем на ТЭС и АЭС. К крупным недостаткам ГЭС относят высокие капитальные затраты на строительство, отчуждение под водохранилища больших земельных площадей, переселение людей (в России при строительстве ГЭС переселено более 800 тыс. чел.) и зависимость от погодных условий.

Мировые потенциальные гидроэнергоресурсы оцениваются в 0,12 в год, а экономически доступные - в три раза меньше. Наибольшие запасы гидроресурсов находятся в Китае, России, США и Бразилии. В развитых странах значительная часть гидроэнергетического потенциала уже освоена: в Северной Америке - более 60 %, в Европе - более 40 %. Большая часть новых ГЭС будет построена в развивающихся странах, на долю которых приходится около 45 % мировых гидроресурсов. Диапазон мощностей ГЭС очень велик - от 3 кВт до 18 ГВт. ГЭС с установленной мощностью менее 1 МВт называют малыми. В мире насчитывается более 100 ГЭС мощностью более 1 ГВт. Некоторые характеристики крупнейших из них представлены в табл. 2.2. Наиболее крупные ГЭС в последнее время построены и строятся в Китае и Бразилии. крупнейшим не только в Латинской Америке, но и в мире: Бразильско-Парагвайская ГЭС «Итайпу» (Поющий камень) мощностью 13 ГВт, Аргентино-Парагвайская «Ясирета» - 4 ГВт, «Ака- рай» - 3 ГВт. Вторая по мощности в регионе Венесуэльская ГЭС «Гури» на реке Карони имеет мощность более 10 ГВт. В бассейне Параны установлено почти 2/3 мощностей всех ГЭС Бразилии. Длина плотины ГЭС «Итайпу» - почти 8 км, высота - 196 м (т.е. примерно высота небоскреба в 75 этажей), ширина - 400 м. Мощность генераторов по 700 МВт.

Выработка электроэнергии в этих районах подвержена сильным колебаниям, особенно в засушливые годы. В результате засухи в 2001 г. и из-за неготовности к ней энергосистемы Бразилии на протяжении восьми месяцев некоторые районы страны были погружены в темноту и жили в режиме апагона - периодического отключения электроэнергии на 4 - 5 часов в день.

В Китае на р. Янцзы построена крупнейшая ГЭС «Санься» (Три ущелья) мощностью 18 ГВт. Из района строительства водохранилища благополучно отселено около 1 млн человек. Началось строительство второй крупнейшей гидроэлектростанции - «Силоду» в нижнем течении р. Цзиньшацзян в провинции Юньнань. Проектная мощность составит почти 13 ГВт. По данному показателю электростанция займет второе место в Китае после ГЭС «Санься» и третье место среди таких же объектов мира. Это одна из 4 запланированных ГЭС на р. Цзиньшацзян, которые составят каскад крупнейших гидроэлектростанций.

На долю России приходится около 12 % гидроэнергетического экономически приемлемого потенциала мира. Гидроресурсы в России расположены крайне неравномерно: более 80 % из них сосредоточены в Сибири и на Дальнем Востоке. В европейской части России экономический потенциал гидроресурсов практически исчерпан.

Другие возобновляемые энергетические ресурсы (приливы, океанские волны, температурные градиенты теплых морей, ветер, геотермальные источники) могут играть важную роль в отдельных регионах, но их общие ресурсы малы по сравнению с ожидаемым потреблением энергии