Гидроэнергетика

Гидроэнерге́тика, 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, обеспечивающей деятельность и развитие 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 (см. также в ст. Гидротехника).

В 17 в. водяные колёса были в России единственной энергетической базой развивавшегося мануфактурного производства. Значительные успехи в строительстве гидросиловых установок в России достигнуты в 18 в. в горнорудной промышленности на Урале и Алтае. Гидросиловые установки стали неотъемлемой частью металлургического, лесопильного, бумажного, ткацкого и других производств. В 1765 г. 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 т. ч. 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 в. в России на реке Нарова для Кренгольмской мануфактуры. При напоре 5 м они развивали мощность до 368 кВт. В 1-й половине 19 в. 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 г. мощность ГЭС России составила 16 МВт, в то время как суммарная мощность ГЭС в мире в 1920 г. достигла 17 тыс. 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 плане ГОЭЛРО (1920), который предусматривал сооружение за 15 лет десяти ГЭС общей установленной мощностью 640 МВт. В 1928–1932 гг. 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 г. построена Днепрогэс имени В. И. Ленина проектной мощностью 560 МВт – в то время самая крупная в Европе. В 1933–1937 гг. 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 г. мощность всех ГЭС СССР достигла 1,6 тыс. МВт, а выработка электроэнергии – 5,1 млрд кВт·ч. 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, Воткинской, а затем Нижнекамской ГЭС; ряда крупных каскадов ГЭС в республиках Закавказья и Средней Азии. В 1960 г. мощность ГЭС СССР достигла 14,8 тыс. МВт, выработка ими электроэнергии – 51 млрд кВт·ч, что составило 17 % от общей выработки электроэнергии в стране. Дальнейшее использование гидроэнергетических ресурсов связано со строительством крупных ГЭС в Сибири. За 1917–1970 гг. Советский Союз стал одной из ведущих стран в области гидроэнергетики, уступая по установленной мощности ГЭС только США и Канаде (таблица 1).

Таблица 1. Освоение гидроэнергетических ресурсов в некоторых странах (на начало 1970-х гг.)

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 г. суммарная мощность ГЭС в СССР достигла 65 тыс. МВт (уступая только США) при производстве электроэнергии 233 млрд кВт·ч/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 тыс. МВт и вырабатывали электроэнергии около 170 млрд кВт·ч.

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

Таблица 2. Гидроэнергетический потенциал мира и его использование

В 2005 г. суммарная мощность ГЭС России (тыс. МВт) составила 45,9, в т. ч. в Европейской части страны 18,6, в Сибири 23,3, на Дальнем Востоке 3,9. Суммарная выработка электроэнергии всеми ГЭС России равна 174,4 млрд кВт·ч, доля в электроэнергетике около 18,7 %. Теоретический потенциал выработки электроэнергии речного стока России определён в 2900 млрд кВт·ч/год. Потенциал крупных и средних рек составляет 2400 млрд кВт·ч, малых рек – 500 млрд кВт·ч. Технически достижимый уровень использования гидроэнергетических ресурсов крупных и малых рек России оценивается в 1670 млрд кВт·ч. По имеющемуся гидропотенциалу РФ 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 млрд кВт· ч 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.

Таблица 3. Распределение и степень освоения экономического гидроэнергетического потенциала рек России

Степень освоения гидроэнергетического потенциала речного стока в России пока невелика и значительно отстаёт от уровня его использования в других странах. Во многих странах, в т. ч. 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 тыс. МВт. В мире с помощью малой гидроэнергетики в 2010 г. планируется получить электрической энергии 220 ТВт·ч/год, а установленная мощность достигнет 55 тыс. МВт.

В РФ число малых рек превышает 2,5 млн, их суммарный сток более 1000 км³ /год, что позволит производить 500 млрд кВт·ч/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 2025–2030 гг. 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 г. при выработке электроэнергии 175 млрд кВт·ч сокращена годовая потребность в топливе более чем на 50 млн т условного топлива. При этом предотвращён выброс в атмосферу около 1,3 млн т золы, оксидов серы и азота и около 180 млн т 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 тыс. км² земель, в т. ч. 16 тыс. км² сельскохозяйственных угодий и 21 тыс. км² лесных площадей. За этот период из зон затопления переселено 840 тыс. человек. Ущерб, наносимый созданием гидроузлов экологической среде и социально-экономической сфере в период их строительства, полностью или частично компенсирован.