Гидроэнергетика как альтернативный источник энергии

Гидроэнергетика обеспечивает возможность производства «чистой» энергии на основе возобновляемых водных ресурсов. Эти факторы и сравнительно невысокая стоимость производства электроэнергии, не зависящая от изменчивости цен на углеводородные энергоресурсы, составляют основные преимущества отрасли. В связи с этим именно гидроэнергетика становится важной составляющей развития энергетики и экономики целых стран и регионов.

В мире отмечается непрерывный рост спроса на электроэнергию, что требует наращивания производственных мощностей. С 2010 по 2021 гг. суммарный прирост мировых электроэнергетических мощностей составил более чем 58% (+2933 ГВт), который был обеспечен преимущественно тепловой энергетикой, солнечными электростанциями и ветровыми электроустановками. Установленная мощность объектов гидроэнергетики также росла, но в 2 раза медленнее и за тот же период увеличилась на 33% (+335 ГВт).

За прошлое десятилетие наибольший рост мощностей в мире показали альтернативные восстанавливаемые источники энергии (далее – ВИЭ) — солнечная и ветровая энергетика. Мощность солнечной энергетики увеличилась в 21 раз (с 40 ГВт в 2010 г. до 843 ГВт в 2021 г.), мощность ветровой энергетики увеличилась в 4,6 раза (с 180 ГВт в 2010 г. до 825 ГВт в 2021 г.). Прирост мощностей угольной и газовой генерации не превышал 20–40% (уголь — с 637 ГВт в 2010 г. до 777 ГВт в 2021 г., природный газ — с 715 ГВт в 2010 г. до 1013 ГВт в 2021 г.) и был сконцентрирован в развивающихся странах.

1 Общие сведения о гидроэнергетике

Гидроэнергетика стала основным источником энергии более ста лет назад, обеспечивая энергией самые первые электростанции. В настоящее время гидроэлектроэнергия — это хорошо зарекомендовавшая себя технология, обеспечившая в 2021 г. выработку электроэнергии 4252 млрд. кВтч (около 15% мирового производства электроэнергии).

Этот тип энергии, как и большинство возобновляемых источников энергии, является косвенной солнечной энергией и на протяжении многих веков обеспечивал местное энергоснабжение, например, с помощью водяных колес, показанных на рисунках ниже.

2 Гидроэнергетические ресурсы – мировые, региональные, государственные

Почти четверть из 5,4 миллионов ЭДЖ (1,5 миллиарда ТВтч) солнечной энергии, ежегодно достигающей атмосферы Земли, расходуется на испарение воды. Таким образом, водяной пар в атмосфере представляет собой огромный запас энергии, который постоянно пополняется. К сожалению, большая ее часть нам недоступна.

Когда водяной пар конденсируется в воду, большая часть накопленной им энергии выделяется в атмосферу в виде тепла и в конечном итоге повторно излучается в космос. Но небольшая доля этой энергии (около 200 000 ТВтч/год) достигает Земли в виде дождя или снега. Примерно пятая часть этого количества осадков приходится на гористую местность, далее эти осадки в виде речных потоков спускаются с вершин на равнинную местность и в конечном итоге впадают в моря. Примерно 40 000 ТВтч/год энергии, переносимой водными потоками, можно рассматривать как общий мировой водный ресурс (валовой теоретический гидроэнергопотенциал).

Валовой теоретический гидроэнергопотенциал (Gross theoretical capability), в дальнейшем теоретический — представляет собой годовое количество электроэнергии, которое потенциально доступно в стране, если все природные потоки будут использованы для вращения турбин при 100% отдаче машинного оборудования и механизмов, работающих от движущейся воды. (определение WEC — World Energy Council – Мировой Энергетический Совет)

Очевидно, что невозможно построить гидроэлектростанции на каждой реке, поэтому используемая часть этого водного потока будет значительно ниже, и в 2020 году технический мировой гидроэнергопотенциал оценивался примерно в 16 000 ТВтч/год (две пятых от вышеуказанного общего мирового водного ресурса, по данным Международного энергетического агентства).

Общий технический гидроэнергопотенциал, в дальнейшем технический — это размер валового теоретического гидроэнергопотенциала, который можно использовать в рамках существующих технологий. (определение WEC)

Гидроэнергетический потенциал является ключевым понятием в гидроэнергетике. Согласно определению Всемирного Энергетического Совета  (WEC — World Energy Council), в мировой гидроэнергетический потенциал кроме валового теоретического гидроэнергопотенциала и общего технического гидроэнергопотенциала входит еще и экономический гидроэнергопотенциал.

Экономический гидроэнергопотенциал — это размер валового теоретического гидроэнергопотенциала, который можно использовать в рамках существующих технологий в нынешних и ожидаемых местных экономических условиях. (определение WEC)

Экономический гидроэнергопотенциал отражает то, насколько гидроэлектроэнергия доступна по цене, конкурентоспособна по сравнению с энергией из других источников, как она может быть использована в рамках текущих технологий при существующих и ожидаемых местных экономических условиях.

Экономические аспекты будут рассмотрены в разделе 10.

2.1 Региональные гидроресурсы

В первых четырех столбцах таблицы 1 ниже показаны теоретические гидроресурсы и технический потенциал для различных регионов мира, а также их процентная доля в техническом потенциале, причем общая сумма здесь в основном основана на национальных данных, которые могут включать небольшие гидроэлектростанции.

Таблица 1 Региональный, мировой гидроэнергетический потенциал и объем производства, 2015 г.

Регион	Теорети-ческий потенциал ТВтч/год	Техни-ческий потен-циал,  ТВтч/год	% от мирового техни-ческого потенциала	Установ- ленная мощ-ность, ГВт	Годовой объем произ-водства, ТВтч/ год	Процент использования технического потенциала
Северная Америка	5500	2420	15%	168	680	28%
Южная Америка	7500	2840	18%	132	689	24%
Европа	4900	2760	17%	221	892	32%
Ближний Восток	690	280	1,7%	22	21	7%
Африка	3900	1890	12%	22	114	6%
Азиатско-Тихо-океанский регион	17300	5820	36%	307	1627	28%
Мир	39800	16000			4023

Установленная мощность — суммарная номинальная электрическая мощность однотипных электрических машин. Термин применяется для оценки генерируемой или потребляемой мощности электрических систем как отдельных организаций и предприятий, так и отраслей и географических регионов в целом.

Установленная мощность электростанций показывает готовность страны (сообщества, региона) к наиболее эффективному использованию энергоносителей и их преобразованию в электрическую энергию; Установленная мощность является базовым понятием в электроэнергетике, ее уровень и структура решающим образом определяют уровень научно-технического прогресса стран.

2.2 Национальные гидроресурсы

Согласно данным, приведенным в таблице 2 по 14 странам, некоторые страны, судя по всему, уже реализовали более половины своего технического гидроэнергетического потенциала; правда некоторые страны оценки «технического потенциала» ограничивают только теми территориями, которые были хорошо изучены и освоены.

Таблица 2 Национальный гидроэнергетический потенциал, 2015 год

Страна	Технический потенциал, ТВтч/год	Установленная мощность, ГВт	Годовой объем производства, ТВтч/год	Средний коэффициент использования установленной мощности		Процентная доля электроэнергии в стране
Китай	2500	171	616	41%		17%
Канада	830	73	399	62%		64%
Бразилия	1250	78	391	58%		84%
США	1340	77	275	41%		7%
Россия	1670	50	176	40%		18%
Норвегия	240	30	127	49%		96%
Индия	660	38	106	32%		12%
Венесуэла	260	15	86	67%		69%
Япония	136	28	74	30%		7%
Швеция	130	16	76	54%		49%
Франция	100	21	58	32%		11%
Австрия	75	8	37	50%		53%
Италия	65	18	46	28%		16%
Швейцария	43	14	36	31%		52%

В 2021 г. установленная мощность ГЭС в мире достигла 1360 ГВт, что составляет 17% суммарных мировых электроэнергетических мощностей. Свыше половины мировой гидроэнергетики сконцентрирована в пяти странах — Китае, Бразилии, Канаде, США и России.

Страны с самыми высокими коэффициентами использования установленной мощности (capacity factors), как правило, являются странами, где гидроэнергетика вносит значительный вклад, но, тем не менее, не является единственным крупным источником электроэнергии, Такая ситуация позволяет использовать весь потенциал относительно дешевой гидроэнергии при наличии альтернативных источников электроэнергии, когда гидроэнергетика не может удовлетворить спрос.

Коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) — важнейшая характеристика эффективности работы предприятий электроэнергетики. Она равна отношению среднеарифметической мощности к установленной мощности электроустановки за определённый интервал времени.

В целом, если почти вся электроэнергия в стране вырабатывается гидроэлектростанциями, среднегодовые коэффициенты использования установленной мощности (annual capacity factors) обычно ниже, поскольку установленная мощность должна быть достаточно большой, чтобы удовлетворить максимальный спрос, испытываемый в течение любого дня (или года).

За период 2010–2021 гг. по вводу новых мощностей ГЭС безусловным фаворитом с большим отрывом являлся Китай (прирост на 175 ГВт). Лидерство Китая было обеспечено, в том числе, реализацией крупнейших по мощности проектов (например,  ГЭС «Три ущелья»). В число лидеров по вводу мощностей также входят Бразилия (2-е место в мире по абсолютному размеру установленных мощностей), Турция, Вьетнам, Индия, Канада.  

Лидерами по приросту мощностей ГЭС за последние 10 лет являлись преимущественно развивающиеся страны (за исключением Канады и Норвегии), а также Россия. Это вызвано опережающим ростом спроса на электроэнергию в этих странах и реализацией политики по развитию гидроэнергетики с целью обеспечения внутреннего рынка сравнительно недорогой энергией, а также ее низкоуглеродным характером и комплексными социально- экономическими эффектами.

3 Мировая выработка гидроэнергии

К 1900 году, после двадцати лет коммерческого использования гидроэлектроэнергии, мировое годовое производство достигло, по оценкам, 3,7 ТВтч при установленной мощности около 1,3 ГВт. Несмотря на две мировые войны и депрессию 1930-х годов, в течение первой половины двадцатого века мировые мощности росли почти на 10% в год, что привело к тому, что в 1950 году объем производства почти в сто раз превысил уровень 1900 года.

На протяжении второй половины столетия сохранялся довольно постоянный ежегодный прирост производства на 50 ТВтч/ч, но в 2001 году производство впервые упало примерно на 5%, несмотря на дальнейшее увеличение установленной мощности. Снижение было связано главным образом с исключительно засушливыми условиями в Северной и Южной Америке, где производится около трети мирового производства.

После 2003 года начался новый стремительный рост, и за двенадцать лет до 2015 года мировое производство увеличилось в общей сложности на 1500 ТВтч. Если предположить, что средний коэффициент мощности был на уровне 43%, то это означает увеличение мощности гидроэлектростанций примерно на 75 ГВт. В этот период увеличился вклад двух крупнейших в мире гидроэлектростанций — «Три ущелья» в Китае и «Итайпу» в Бразилии.

В 2021 г. в мире выработка электроэнергии на ГЭС составила 4252 млрд кВтч (около 15 % мирового производства электроэнергии), что на 2,7% ниже аналогичного показателя за 2020 г., но на 23% выше уровня 2010 г. Сокращение производства в 2021 г. было вызвано преимущественно погодным фактором — снижением водности рек.

Основную часть ввода мощностей ГЭС в 2020–2021 гг. обеспечил Китай, который ввел такие крупные объекты как Wudongde (10,2 ГВт) и Baihetan (16 ГВт). Значительные мощности также ввели Индия (1,3 ГВт) и Канада (1,2 ГВт). К 2030 г. ожидается активный ввод мощностей в Китае, Индии, Турции, Эфиопии, Пакистане и Индонезии.

В 2020–2021 гг. основные мощности ГЭС, помимо Китая, были введены в строй в Турции, Канаде, Лаосе.

4 Малые гидроэлектростанции

На заре развития электроэнергетики генераторы мощностью от нескольких киловатт до нескольких мегаватт устанавливались на реках, часто с использованием плотин и шлюзов старых водяных мельниц.

В условиях постоянно растущего спроса на электроэнергию и роста национальных сетей электропередачи мощность в несколько сотен мегаватт стала нормой для современных электростанций, а мощность станций ниже 10 МВт теперь называют малыми. В России малыми признаются ГЭС до 30 МВт.

В промышленно развитых странах экологические проблемы все больше ограничивают дальнейшее развитие крупных гидроэлектростанций, в то время как мелкомасштабные проекты, которые, как считается, наносят меньше вредного воздействия, оказываются более подходящими.

Совсем недавно начал формироваться рынок совсем маленьких гидроэлектростанций, вырабатывающих несколько десятков киловатт для отдельных домов или ферм. Такие небольшие установки — вполне реальный вариант получения электроэнергии в развивающихся странах, не имеющих развитых систем электроснабжения.

Согласно данным Организации Объединенных Наций по промышленному развитию (World Small Hydropower Development Report (UNIDO), общая мощность малых гидроэлектростанций (<10 МВт) в мире в 2019 году составляла около 78 ГВт.

5 Накопленная энергия и доступная мощность

Вода, находящаяся на высоте, обладает потенциальной энергией. Если m килограммов поднять на H метров, накопленная потенциальная энергия в джоулях определяется следующим простым уравнением (рис. 6):

Таким образом, чтобы поднять один килограмм чего-либо вертикально на один метр от поверхности Земли, требуется около 10 джоулей энергии, но емкость больших резервуаров обычно указывается в кубических метрах, а не в килограммах, поэтому мы можем выразить уравнение для накопленной энергии, как показано на рисунке 7.

5.1   Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)

В настоящее время единственным практически осуществимым и экономически выгодным способом накопления электроэнергии в больших количествах является накачка воды в высокорасположенные водоёмы, поэтому гидроаккумулирующие системы приобретают все большее значение. Суммарная мощность ГАЭС в мире на 2021 г. составляла 165 ГВт (по данным Международной ассоциации гидроэнергетики — IHA, 2022), и в ближайшее десятилетие прогнозируется существенный рост. По прогнозу МЭА, к 2030 г. мощность ГАЭС в мире увеличится на 65,2 ГВт, что составит около 30 % прироста суммарной гидроэнергетической мощности за данный период.

Целый ряд стран (например, Индия, Китай, США, Испания, Португалия, Франция, Вьетнам) планируют увеличить свои мощности ГАЭС. В основном новые объекты будут организованы в форме «зеленых» проектов по строительству новой инфраструктуры, но около 7% новых мощностей ГАЭС планируется ввести на базе уже существующей инфрастуктуры в тех местах, где есть естественные природные водохранилища.

Принцип ГАЭС прост. Электрическая энергия преобразуется в потенциальную энергию, когда вода перекачивается из нижнего резервуара в верхний, и процесс меняется на обратный, когда вода стекает обратно вниз, приводя в движение турбогенератор (рис. 8). Экономическая эффективность метода зависит от двух технологических фактов:

1. Генератор соответствующей конструкции должен быть способен работать как электродвигатель.

2. Гидротурбина соответствующей конструкции также должна работать в любом направлении, либо извлекая энергию, работая как турбина, либо в виде насоса, закачивая воду на верхний уровень.

Разработка машин, которые имеют возможность работать и как турбогенератор и как насос дает существенный экономический эффект.

Гидроаккумулирующие системы особенно полезны в качестве резервных мощностей на случай внезапных изменений электропотребления или сбоев в каких либо частях энергосистемы.

Местоположение, конечно, должно быть подходящим, и должен быть доступен/построен резервуар нижнего уровня емкостью не менее верхнего. Очевидно, идеальны такие места, как плотина Круачан в Шотландии, где горы окружают большое озеро.

Водохранилище высокого уровня, расположенное за большой плотиной, обеспечивает рабочий напор в 365 метров. Четыре насоса-гидротурбины мощностью 100 МВт, работая в течение двадцати часов на полной мощности в качестве электрических насосов или турбогенераторов, повышает или понижает уровень водохранилища примерно на 15 метров, накапливая или высвобождая около 8 миллионов киловатт-часов (8 ГВтч) энергии.

5.2 Мощность, напор и расход воды

Мощность, вырабатываемая электростанцией (количество ватт), — это скорость, с которой она производит энергию: количество джоулей в секунду. В гидроэлектростанции это, очевидно, будет зависеть от объемного расхода текущей воды — количества кубических метров (м³), проходящих через установку в секунду, обычно обозначаемого символом Q, g = ускорение свободного падения, а H – «эффективный напор» (напор нетто) воды:

В любой реальной системе вода, протекающая через трубу, будет терять часть энергии из-за трения и турбулентности, и эффективный напор будет меньше фактического или полного напора (напора брутто). Эти потери потока сильно варьируются — в одних случаях эффективный напор составляет не более 75% от фактического перепада высот, в других — до 95%.

Кроме того, существуют потери энергии в самой гидроэлектростанции. При оптимальных условиях гидроэлектрический турбогенератор работает чрезвычайно эффективно, преобразуя в электрическую энергию все, кроме нескольких процентов подводимой к нему мощности. Тем не менее, КПД (отношение выходной мощности к подводимой) всегда меньше 100%. С учетом этих факторов выходная мощность:

Использование эффективного напора — H_{эффективный}, а не полного напора позволяет учитывать потери из-за трения до того, как вода достигнет турбины, в то время как КПД установки η, учитывает потери в самой установке.

Если теперь использовать приближения g = 10 м/с² и ρ = 1000 кг/м³, получится очень простое выражение:

Пример расчета выходной мощности

Используя уравнение, показанное на рисунке 13, рассчитаем выходную мощность для объекта, представляющего собой горную речку с эффективным напором 25 метров, КПД турбогенератора 0,85 и скромным расходом 600 литров в минуту, что составляет 0,010 кубических метра в секунду.

6 Типы гидроэлектростанций

Мощность современных гидроэлектростанций варьируется от нескольких сотен ватт до более 10 000 мегаватт (10 ГВт).

Мы можем классифицировать установки так:

по эффективному напору воды

по мощности – номинальной выходной мощности

по типу используемых турбин

по местоположению и типу плотины, водохранилища и т.д.

Используемый напор воды является решающим фактором, а напор и мощность в совокупности во многом определяют тип установки.

По эффективному напору воды гидроэлектростанции можно классифицировать как низкого, среднего или высокого напора. Границы нечеткие, но высокий напор обычно подразумевает эффективный напор более 100 метров, а низкий напор — менее 10 метров. На рисунке 15 показаны основные характеристики трех типов.

Речные электростанции с низким напором 15(а), имеющие относительно небольшую накопительную емкость, зависят от интенсивности потока воды и у них могут возникать проблемы с надежностью, если поток сильно меняется в зависимости от времени года или погоды.

Установка ‘среднего напора’, показанная на рис. 15 (b), типична для очень крупных гидроэлектростанций с плотиной в самом узком месте речной долины. Большое водохранилище за плотиной обеспечивает достаточный запас для удовлетворения спроса во всех условиях, кроме исключительно засушливых периодов. Системы такого типа, конечно, не обязательно должны быть гигантского масштаба, и совсем небольшие водохранилища могут обеспечивать необходимый напор воды для гидроэлектростанций, расположенных под их плотинами.

Назвать 220-метровый напор плотины Гувера «средним» может показаться удивительным, но это иллюстрирует тот факт, что различие между этой системой и системами с высоким напором заключается скорее в типе установки. Установка с высоким напором, показанная на рисунке 15 (c), демонстрирует разницу: весь резервуар находится значительно выше выхода потока, и вода течет по длинному напорному водоводу (каналу или трубе, по которой проходит поток), возможно, проходящему через гору, прежде чем достигнет турбины.

При высоком напоре объем воды в потоке, необходимом для получения заданной мощности, намного меньше, чем в установке с низким напором, поэтому в этом случае турбины и генераторы более компактны. Но длинный напорный водовод увеличивает стоимость, а сама конструкция должна быть способна выдерживать чрезвычайно высокое давление.

В гидротехнических сооружениях используются различные типы турбин.

7 Типы гидротурбин

Современные гидротурбины бывают самых разных форм (рис. 17). Они также значительно различаются по размерам: диаметр лопастей турбины варьируется от всего лишь трети метра до примерно в 20 раз большего. Здесь мы рассмотрим, как они работают, факторы, определяющие их эффективность, и параметры месторасположения, которые определяют выбор наиболее подходящей турбины.

Турбины Фрэнсиса (рис. 17, вверху слева), безусловно, являются наиболее распространенным типом современных средне- или крупномасштабных установок и используются в местах, где напор может достигать до 600 метров. Это радиально-осевая турбина, что означает, что поток воды направлен внутрь по направлению к центру, и современные турбины могут достигать КПД до 95%  — но только при оптимальных условиях, поскольку важно точно поддерживать правильную скорость и направление поступающей воды относительно рабочих лопастей. Самые мощные турбины этого типа мощностью 1 ГВт установлены на ГЭС Байхэтань в Китае (по состоянию на 2023 г.).

Пропеллерные или осевые турбины c фиксированным наклоном лопастей (Fixed pitch propeller, рис. 17 вверху по центру) перегораживают своими лопастями всю площадь водяного потока, и поэтому подходят для водного потока очень большого объема и стали обычными там, где напор составляет всего несколько метров. В таких турбинах эффективность может быть повышена путем изменения угла наклона лопастей при изменении потребности в мощности. Турбины Каплана (рис. 17 внизу по центру) – поворотно-лопастные — представляют собой осевые турбины, угол наклона лопастей которых можно изменять для повышения эффективности. Угол установки лопастей в поворотно-лопастных турбинах может изменяться в пределах примерно 35°, они сложнее пропеллерных, но у них выше энергетические показатели. Самые большие по диаметру (11,5 м) и мощности (240 МВт) осевые гидротурбины установлены в Китае на ГЭС Саньмэнься.

Колеса Пелтона (рис. 17 внизу слева) являются предпочтительной турбиной для установок типа, показанного на рис.15 (с), с напором выше 250 метров или около того. В отличие от турбин, рассмотренных выше, колесо Пелтона представляет собой impulse turbine ковшовую гидротурбину, вариант свободноструйной гидротурбины, у которой давление в потоке воды, падающее на лопасти рабочего колеса и на выходе из него равно атмосферному. Поток воды в свободноструйной гидротурбине направляется в рабочее колесо в виде свободнопадающей струи.

Такие гидротурбины работают при очень больших напорах, и в основном представляют собой колеса с набором двойных чаш или ‘ковшей’, установленных по ободу. На рабочем колесе может быть установлено до 40 таких чаш. Вода попадает на изогнутые чаши и при оптимальных условиях отдает почти всю свою кинетическую энергию. Скорость потока воды, падающей на лопасти может достигать значительных величин, порядка 500—600 км/ч. Скорость вращения турбины также весьма велика, до 3000 об.мин. Ковшовые гидротурбины чаще всего применяются при напорах 300—500 метров и более, при расходах до 100 м³/с. Мощность наиболее крупных ковшовых турбин может достигать свыше 250 МВт.

Ковшовые турбины очень часто применяются на малых ГЭС, сооружаемых на небольших реках с большими перепадами высот в горных районах.

Преимуществами ковшовых турбин является возможность использования очень больших напоров при небольших расходах воды. Недостатки турбины — неэффективность при небольших напорах, невозможность использования как насоса, высокие требования к качеству подаваемой воды (различные включения, такие как песок, вызывают быстрый износ турбины).

Крупнейшие в мире ковшовые турбины установлены на швейцарской ГЭС Бьедрон, их мощность составляет 423 МВт.

Наклонно-струйная гидротурбина (турбина Тюрго) (рис. 17 вверху справа) представляют собой вариант колеса Пелтона, в котором двойные чаши заменены одинарными, менее глубокими. Это тоже ковшовая турбина, но она предназначена для работы со средним напором и с большим объемом воды, чем колесо Пелтона того же диаметра, что дает ей преимущество при выработке электроэнергии при средних напорах. Турбины Turgo обладают КПД до 90%. Работают при напоре от 15 до 300 м. Турбина Turgo имеет ряд преимуществ перед турбинами Фрэнсиса и Пелтона для конкретных применений.

Во-первых, рабочее колесо дешевле в изготовлении, чем колесо Pelton. Во-вторых, оно не нуждается в герметичном корпусе, таком как у Francis. В-третьих, оно имеет более высокую удельную частоту вращения и может обрабатывать больший поток, чем колесо Пелтона того же диаметра, что приводит к снижению затрат на генератор и установку.

Такие турбины популярны для небольших гидроэлектростанций, где очень важна низкая стоимость, даже для микро ГЭС мощностью до 4 кВт и скоростью вращения ротора 2400 об/мин.

Турбина поперечного потока, турбина Банки-Митчелла или турбина Оссбергера (рис. 17 внизу справа) представляет собой еще один вариант свободноструйной гидротурбины. Вода поступает в виде плоского листа, а не круглой струи. Вода проходит через лопатки турбины в поперечном направлении два раза, сначала в направлении оси, а потом от неё. Поэтому данный тип турбины иногда называют двукратной турбиной. Ввиду небольшой стоимости и хорошей управляемости, турбины с поперечным потоком в основном используются в энергоблоках мини и микро ГЭС, имеющих мощность менее двух тысяч кВт и действующих при напорах менее 200 м.

8 Гидроэнергетика как компонент электроэнергетической системы

Лишь немногие крупные электростанции работают изолированно, и то, насколько каждая конкретная станция может стать эффективной составной частью общей энергосистемы, имеет большое значение. Идеальными характеристиками электростанции являются:

1. постоянная готовность

2. наличие резервного накопителя воды для компенсации колебаний количества потребляемой воды

3. отсутствие взаимной зависимости между гидроэлектростанциями в колебаниях количества подаваемой воды на гидротурбины

4. быстрое реагирование на изменение потребности в вырабатываемой энергии

5. количество подаваемой воды, соответствующее ежегодным колебаниям в спросе на электроэнергию

6. отсутствие внезапных или непредсказуемых изменений в количестве подаваемой воды на гидротурбины

7. расположение, не требующее длинных линий электропередач.

Немногие электростанции, если таковые вообще имеются, соответствуют всем этим критериям, а каждый компромисс с этими идеальными характеристиками увеличивает реальную стоимость сооружения.

Почти все гидроэлектростанции имеют хорошие показатели по пункту 4, а в регионах с холодными, темными и влажными зимами – также по пункту 5, если только вода сплошь не сковывается льдом. Кроме того, внезапные незапланированные колебания в количестве подаваемой воды (пункт 6) редки, по крайней мере, на крупных ГЭС.

То, насколько хорошо гидроэлектростанция соответствует пунктам 1, 2 и 3, частично зависит от типа станции. Высокогорная станция с большим водохранилищем обычно не испытывает особых трудностей с работоспособностью в засушливый период, в то время как количества воды, хранящейся за низкой плотиной речной установки, может быть недостаточно для восполнения уровня воды в период снижения речного потока. Серьезная засуха, конечно, может затронуть все гидроэлектростанции в обширном регионе, поэтому нельзя сказать, что они полностью удовлетворяют третьему требованию.

В целом, гидроэнергетика занимает достаточно хорошие позиции по вышеперечисленным критериям.

Но влияет ли гидроэлектроэнергия на окружающую среду? И если да, то каким образом?

9 Воздействие гидроэлектроэнергии на окружающую среду

Начнем с краткого описания экологических преимуществ гидроэлектростанций по сравнению с другими типами электростанций:

• при эксплуатации они не производят CO₂ и выделяют незначительные количества оксидов серы и азота, которые приводят к кислотным дождям

• при их использовании не образуются твердые взвешенные частицы или химические соединения, такие как диоксины, которые очень вредны для здоровья человека

• они не выделяют радиоактивных веществ

• плотины могут разрушаться, но не вызывают сильных пожаров

• гидроэлектростанции часто ассоциируются с положительным воздействием на окружающую среду, таким, как борьба с наводнениями или орошение, а в некоторых случаях их строительство приводит к созданию объекта благоустройства.

Однако в течение двадцатого века строительство крупных плотин привело к переселению многих миллионов людей из их домов, а из-за прорывов плотин погибли многие тысячи. Мы рассмотрим эти и другие пагубные последствия в трех разделах:

• гидрологическое воздействие

• другие физические воздействия

• социальные последствия.

Эти три категории, конечно, не являются независимыми. Любое гидрологическое изменение, безусловно, повлияет на экологию и, следовательно, на местное сообщество.

9.1 Гидрологическое воздействие

Гидроэлектростанция, сама по себе, не является потребителем воды, но при ее строительстве происходит серьезное «перераспределение» ресурсов. Отвод реки в канал или горного потока в трубу может не сильно изменить общий расход воды, но способно оказать заметное влияние на окружающую среду. Кроме того, испарение с открытой поверхности большого водохранилища может значительно сократить доступный запас воды.

Любое сооружение масштаба крупной плотины гидроэлектростанции будет влиять на окружающую среду не только своими гидрологическими изменениями, но и многими другими способами. Сам процесс строительства может вызвать массовые нарушения, а воздействие на хрупкую экосистему может быть длительным. В долгосрочной перспективе большое водохранилище неизбежно приведет к другим значительным изменениям в окружающей среде. Будут ли они рассматриваться как катастрофические, благоприятные или нейтральные зависит от географической и биологической ситуации, а также от точек зрения и интересов заинтересованных лиц.

В целом вопрос о правах на воду имеет большое международное значение и, поскольку потоки воды мало уважают международные границы, этот вопрос является причиной многочисленных международно-правовых споров и, возможно, даже нескольких войн. Некоторые из этих споров на всех континентах связаны со строительством гидроэлектростанций, в том числе в последние годы — на реке Брахмапутра, текущей из Китая в Индию, «Большой плотины Эфиопского Возрождения» на Ниле и плотины Илису на реке Тигр в Турции.

В условиях возросшего спроса на пресную воду, обусловленного как увеличением численности населения, так и повышением уровня жизни, устойчивое управление водными ресурсами, включая их использование в производстве электроэнергии, является приоритетной задачей.

Кроме того, изменение климата изменяет гидрологические системы во многих регионах, поскольку изменение характера осадков, таяние снега и ледников влияет на качество и количество водных ресурсов во многих мировых регионах.

9.2 Другие физические воздействия

Разрушение плотин

С 1960 года произошло около 35 крупных разрушений плотин (приведшие к серьезному материальному ущербу и/или гибели людей, хотя многие плотины не были предназначены для гидроэнергетики: для борьбы с наводнениями, водоснабжения, ирригации или отдыха). В США для выработки электроэнергии используются менее 2200 из более, чем 87 000 плотин страны (Министерство энергетики США, 2016), поэтому неудивительно, что в мировом списке крупных разрушений плотин всего пять или шесть гидроэлектростанций.

Однако безопасность плотин гидроэлектростанций вызывает озабоченность (и, естественно, требует затрат).

Крупнейшей в истории катастрофой на гидроэнергетическом объекте России и одной из самых значительных в истории мировой гидроэнергетики стала  промышленная техногенная катастрофа, произошедшая 17 августа 2009 года на Саяно-Шушенской гидроэлектростанции. В результате аварии погибло 75 человек, оборудованию и помещениям станции нанесён серьёзный ущерб. Работа станции по производству электроэнергии была приостановлена.  Последствия аварии отразились на экологической обстановке акватории, прилегающей к ГЭС, на социальной и экономической сферах региона.

Зимой 2016 — 17 года на плотине гидроэлектростанции Оровилл в Калифорнии был поврежден один из водосбросов в результате сильных дождей. Это потребовало временной эвакуации почти 200 000 человек на время проведения ремонтных работ. Около 110 000 м³ эрозионного мусора засорили русло реки Фезер ниже плотины, препятствуя сбросу воды с гидроэлектростанции, тем самым снижая общую пропускную способность плотины по сбросу воды. Нанесен ущерб рыбоводному заводу в реке Фезер из-за высокой мутности.

В июне 2023 года в результате военных действий на Украине была разрушена плотина Каховской гидроэлектростанции на реке Днепр. В результате этого были затоплены 14 населённых пунктов с населением около 16 тысяч человек на правом берегу Днепра, и 14 с населением около 22 тысяч человек — на левом. В результате затопления погибли не менее 52 человек. Большой ущерб был нанесён окружающей среде и сельскому хозяйству.

Данные о разрушениях плотин в Китае скудны. Известно, что сильное наводнение 1975 года привело ко многим разрушениям плотин, и оценки общего числа погибших варьируются от примерно 70 000 до более чем четверти миллиона. Если цифра действительно находится в этом диапазоне, и значительную долю разрушенных плотин составили плотины гидроэлектростанций, то гидроэнергетика должна занимать  одно из первых мест в списке источников энергии с точки зрения количества погибших на кВт/ч полезной энергии.

Частицы ила

Накопление ила за плотинами является известной проблемой на протяжении многих лет. Его накопление уменьшает объем хранимой воды и, следовательно, гидропотенциал объекта. Например, плотина Гувера за первые тридцать лет потеряла около одной шестой полезного объема хранилища, хотя после строительства плотины Глен-Каньон в 370 милях выше по течению этот показатель снизился.

Рыба

Во Франции есть много плотин, построенных в начале XX века на реках, в которых ранее заходила рыба из Атлантики. В 1990-х года были введены строгие требования по строительству рыбопропускных сооружений. Одним из следствий этого стал вывод из эксплуатации плотин, которые посчитались непригодными для дальнейшей эксплуатации по экологическим или экономическим соображениям.

Углекислый газ

Количественной оценкой уровня низкоуглеродности той или иной технологии в электроэнергетике является углеродный след производства электроэнергии, которая исчисляется как масса выбросов парниковых газов (в эквиваленте СО₂) на единицу производства электроэнергии (1кВтч). Выбросы парниковых газов при выработке электроэнергии за счет отсутствия топливной составляющей на ГЭС равны нулю. При этом наиболее полным является расчет показателя на всем жизненном цикле объекта электрогенерации, включающим строительство, эксплуатацию, а иногда и вывод из строя и утилизацию компонентов.

В соответствии с различными оценками, углеродный след электроэнергии ГЭС является одним из самых низких среди прочих видов генерации. Оценки варьируются в диапазоне 10–80 г СО₂-экв./кВтч, со средними значениями 23–24 г СО₂-экв./кВтч. Эти значения находятся примерно на одном уровне с атомной и ветровой энергетикой, но значительно ниже аналогичных показателей в других видах генерации: в 2–3 раза чем в солнечной энергетике (40–80 г СО₂-экв./кВтч), в 20–30 раз чем в газовой генерации (400–700 г СО₂-экв./кВтч) и в 40–50 раз чем в угольной генерации (900–2000 г СО₂-экв./кВтч).

Таким образом, развитие гидроэнергетики способствует декарбонизации энергетики и экономики.

Метан

Давно известно, что растительная масса, которая обычно разлагается в воздухе с образованием углекислого газа (CO₂), может анаэробно разлагаться под водой с образованием метана (CH₄). Когда было установлено, что этот газ является более мощным парниковым газом, чем CO₂, возник вопрос о том, должны ли гидротехнические сооружения, затопляющие земли, ранее покрытые растительностью, присоединиться к списку источников фактора глобального потепления также как и станции, работающих на ископаемом топливе.

Были проведены детальные исследования отдельных водохранилищ. По данным исследований, проведенных на ГЭС на реке Ааре в северной Швейцарии, каждый квадратный метр поверхности озера выделял около 0,15 грамма метана в день — гораздо больше, чем можно было бы ожидать для умеренного климата, что эквивалентно общему годовому выбросу метана около 150 тонн, вероятно, из-за анаэробного разложения большого количества растительной массы, ежегодно приносимого рекой. Однако в отчете также отмечается, что угольная электростанция, производящая такое же количество электроэнергии, выделила бы примерно в 40 раз больше парниковых газов, выраженных в CO₂-эквиваленте.

В настоящее время проблема выбросов метана, по-видимому, играет относительно небольшую роль в оценках проектов. В «Обзоре возобновляемых источников энергии за 2016 год» Всемирного энергетического совета говорится, что «состояние парниковых газов в пресноводных водохранилищах является областью постоянных научных исследований, и политические меры реагирования все еще продолжают развиваться по мере накопления знаний».

9.3 Социальные последствия использования гидроэлектроэнергии

Подъем воды за китайской плотиной «Три ущелья» (рис. 24) привел к затоплению около 100 городов и перемещению 1,3 млн. человек, что стало самым масштабным переселением в истории при возведении искусственных сооружений. По некоторым оценкам, во второй половине XX века только в Китае из-за строительства водохранилищ было перемещено около 10 миллионов человек.

Но даже для тех, кто непосредственно пострадал, строительство плотин может иметь самые разные последствия. Для тех, кто живет в долине, которая станет водохранилищем, это означает потерю семейного очага, возможно, средств к существованию, а зачастую и исчезновению всей общины. Напротив, для людей, живущих на реке, которая периодически выходит из берегов, плотина гидроэлектростанции может, наконец, принести свободу от разрушительных наводнений.

9.4 Сравнительный анализ

Результатом сотрудничества представителей различных секторов гидроэнергетической отрасли под руководством Международной гидроэнергетической ассоциации (IHA) является Протокол оценки устойчивости гидроэнергетики  (Hydropower Sustainability Assessment Protocol — HSAP, 2017). По сути, это список критериев, которым должен соответствовать любой новый проект в области гидроэнергетики, без сомнения, это ответ отрасли на многие экологические проблемы, рассмотренные ранее.

Воздействие на окружающую среду

Мелкомасштабные системы должны оказывать меньшее вредное воздействие, чем крупные системы, и в некоторых отношениях это действительно так – мало кто был вынужден покинуть свои дома из-за установки небольших электростанций мощностью 5 МВт, а случаи гибели людей в результате разрушения плотин на небольших речках очень редки. Однако сторонники крупномасштабных гидроэлектростанций оспаривают эту точку зрения, утверждая, что КПД и коэффициент использования установленной мощности небольших станций, как правило, ниже, и в некоторых случаях площадь водохранилища в расчете на единицу вырабатываемой мощности оказывается больше.

Сравнения

Не следует забывать, что выбор стоит не между тем, строить или не строить гидроэлектростанции, а между тем, что лучше — строить гидроэлектростанции или какие-то другие типы электростанций. Несмотря на некоторые имеющиеся отрицательные стороны, рассмотренные выше, гидроэнергетика оценивается относительно хорошо по многим другим критериям.

Общий объем выбросов парниковых газов, включая этап строительства плотин ниже, чем у электростанций, работающих на ископаемом топливе. Актуальные проблемы гидроэнергетики включают в себя вопрос о выбросах метана и о стоимости долгосрочной компенсации людям, перемещенным в результате строительства новых крупных гидроэлектростанций. Тем не менее, если исходить из вышеизложенных критериев, гидроэнергетика является одним из наименее вредных источников электроэнергии.

10 Экономика гидроэнергетики

Потенциальные инвесторы в гидроэнергетику должны знать, сколько будет стоить каждый киловатт-час выработки, с учетом всех соответствующих факторов:

• капитальные затраты
• расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание
• прогнозируемый срок службы и коэффициент использования установленной мощности
• внешние факторы, такие как учетная ставка, которая определяет стоимость выданных кредитов.

Поскольку гидроэнергетика хорошо развита, большая часть этой информации легко доступна — системы контроля воды, турбогенераторы и регуляторы мощности являются стандартными элементами, охватывая диапазон мощности от нескольких сотен ватт до сотен мегаватт с ожидаемым сроком службы 20-25 лет для оборудования и 50-100 лет для внешних конструкций, но трудно оценить стоимость в сочетании с чрезвычайно специфическими затратами на проектно-изыскательские работы и строительство. Доминирующим фактором при определении стоимости единицы гидропродукции являются первоначальные капитальные затраты, и большую часть этих затрат составляет стоимость строительных работ, которые сильно варьируются в зависимости от места строительства.

Одно из исследований гидропотенциала в США оценило затраты для более чем двух тысяч участков с потенциальными гидромощностями в диапазоне 1-1300 МВт. Примерно половина этих участков была без существующих плотин или гидростанций, и расчетные затраты на строительство здесь ГЭС, в основном находились в диапазоне $2000-$4000 за 1кВт. (В 2020 году с учетом инфляции эти первоначальные затраты составили бы примерно $2400-$4800).

На строительные работы, в том числе земляные работы, прокладку туннелей, строительство плотин и зданий электростанций,  обычно приходится 65-75% от этой стоимости, а соответствие экологическим и другим критериям, необходимым для получения лицензии, — добавляют еще 15-20%. В целом, 85-95% капитальных затрат составляют затраты на строительство объекта, а на электромеханическое оборудование (турбины, генераторы и другие вспомогательные системы) — всего 10% или около того. При отсутствии затрат на топливо и относительно низких затратах на эксплуатацию и техническое обслуживание именно эти первоначальные затраты преобладают в стоимости электроэнергии.

Однако в сравнительно недавнем (2014 г.) отчете Оксфордского университета говорится о том, что большинство крупных плотин не являются экономически выгодными инвестициями, главным образом из-за того, что конечные капитальные затраты на строительство значительно превышают расчетные показатели их стоимости. Три четверти всех изученных проектов крупных плотин имели перерасход средств, а половина всех проектов превышала бюджет более чем на 27%. Средние затраты почти в два раза превышали сметную стоимость. Хотя аналогичная доля проектов других крупных электростанций также страдает от перерасхода средств, средний перерасход средств для гидроэлектростанций выше, чем для атомных или тепловых. Все это может оказать существенное влияние на экономическую жизнеспособность.

После строительства это уже совсем другая история. Инвесторы, будь то частный или государственный сектор, не смогут вернуть свои инвестиции, «разобрав» плотину (стоимость строительства на тот момент экономисты называют «невозвратными затратами»), и смогут возместить их только за счет выработки электроэнергии.

11 Перспективы развития гидроэнергетики

В 2021 г. в мире выработка электроэнергии на ГЭС составила 4252 млрд кВтч (около 15% мирового производства электроэнергии). В прогнозах МЭА предполагается увеличение мощности ГЭС в мире более чем на 15% к 2030 г. и на 45–100% к 2050 г. В результате к 2050 г. суммарная мощность ГЭС (включая ГАЭС) в мире может достигнуть 2050 ГВт, что на 54% больше уровня 2020 г.

Прогнозируемый рост будет происходить неравномерно по регионам мира, основными драйверами выступят крупные развивающиеся страны с быстро растущим спросом на электроэнергию и необходимостью развития энергетики на основе низкоуглеродных источников энергии. Около половины мирового неосвоенного гидроэнергетического потенциала остается, преимущественно, в Азии и в Африке.

На протяжении многих десятилетий процентный вклад гидроэнергетики постепенно снижался, поскольку строительство новых электростанций не успевало за быстрым ростом общего мирового потребления электроэнергии. Основной прирост мирового производства гидроэнергии с 2005 года происходил в Китае, где потребление электроэнергии постоянно увеличивается примерно на 8% в год. Этому темпу роста соответствует строительство гидроэлектростанций, мощность которых за последнее десятилетие увеличилась более чем вдвое.

В период 2020-2030 г.г. Китай и дальше останется лидером ввода гидроэнергетических мощностей и обеспечит до 40% мирового прироста мощности. Правительство Китая ставит целью к 2025 году увеличить мощность до 380 ГВт (одобрены к строительству новые проекты: Gangtuo, Xulong, Yalong River Yagen II, Mengdigou, Dadu River Danba, Yellow River Yangqu и другие).

Со стороны Индии, второго по величине растущего рынка гидроэнергетики в мире, также планируются вводы новых или отложенных проектов. Несмотря на прогнозируемое МЭА снижение после 2030 г. темпов вводов в эксплуатацию новых ГЭС практически во всех крупнейших странах, Индия может стать исключением, сохранив объемы ввода новых ГЭС на уровне 24-27 ГВт в десятилетие.

В большинстве развитых стран, входящих в число лидеров по производству гидроэлектроэнергии, практически не ожидается чистого прироста мощностей ГЭС из-за исчерпания экономически эффективного гидропотенциала.

Существует большой потенциал для развития гидроэнергетики в Южной Америке, где ГЭС уже обеспечивают около половины электроэнергии. Увеличение вводов ожидается в Колумбии и Аргентине, а Бразилия, до этого времени обеспечивавшая большую долю вводов, практически исчерпала экономически эффективный гидроэнергетический потенциал.

В Норвегии гидроэлектроэнергия уже снабжает электричеством все домохозяйства, а также почти половину промышленных предприятий. Выработка гидроэлектростанций составляет уже более 90% от общего объема производства электроэнергии в стране, кроме того, в строительстве находятся гидроэнергетические объекты, которые будут вырабатывать дополнительно 2,3 ТВтч энергии.

Турция планирует достичь максимума своего гидроэнергетического потенциала уже к 2023 году, планируя достигнуть установленной мощности объектов гидроэнергетики в 32 ГВт.

ЕС стремится диверсифицировать источники энергии, поэтому параллельно с развитием солнечной и ветровой энергетики будет искать способы аккумулировать полученную энергию, в том числе развивая ГАЭС.

Несмотря на ожидания по росту установленных мощностей ГЭС в мире в целом и в крупнейших странах, к 2050 г. их доля в структуре суммарных установленных электроэнергетических мощностей и выработке электроэнергии будет иметь тенденцию к снижению. Так, в мире  прогнозируется снижение показателя с 17% в 2020 г. до 11% в 2050 г. Аналогичная тенденция прогнозируется во всех крупнейших странах и регионах мира. Наибольшее снижение ожидается в Бразилии (с 61% до 36%), в Китае (с 17% до 10%), в Индии (с 12% до 5%) и ЕС (с 16% до 11%).

Основная причина снижения роли ГЭС в энергетике — опережающий рост генерирующих мощностей на основе альтернативных ВИЭ (солнечная энергетика, ветровая) на фоне замедления роста гидроэнергетических мощностей из-за освоения большей доли экономически целесообразного гидропотенциала (ЕС, США) или относительного снижения темпов роста (Китай, Индия).

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.

12 Крупнейшие действующие ГЭС в мире (6000 МВт и выше) 

1. ГЭС Три ущелья (The Three Gorges Dam, Китай) — 22500 МВт

2. ГЭС Байхэтань (The Baihetan Dam, Китай) — 16000 МВт

3. ГЭС Итайпу (The Itaipu Dam, Бразилия-Парагвай) — 14000 МВт

4. ГЭС Силоду (The Xiluodu Dam, Китай) — 13860 МВт

5. ГЭС Белу-Монти (UHE Belo Monte, Бразилия) – 11233,1 МВт

6. ГЭС Удондэ (Wudongde Hydropower Station, Китай)  — 10200 МВт

7. ГЭС Гури (Central Hidroeléctrica Simón Bolívar, Guri — Венесуэла) — 10000 МВт

8. ГЭС Тукуруи (UHE Tucuruí, Бразилия) — 8535 МВт

9. ГЭС Гранд-Кули (The Grand Coulee Dam, США) — 6495 МВт

10. ГЭС Сянцзяба (The Xiangjiaba Dam, Китай) — 6448 МВт

11. Саяно-Шушенская ГЭС (Россия) — 6400 МВт

12. ГЭС Лунтань (The Longtan Dam, Китай) — 6300 МВт  

13. Красноярская ГЭС (Россия) — 6000 МВт

Источник

13 Выводы

Усиление глобальной климатической политики и стремление снизить уровень выбросов парниковых газов — один из ключевых драйверов развития гидроэнергетики в долгосрочной перспективе.

Гидроэнергетика в последние 15–20 лет стала одним из основных источников роста производства электроэнергии. За 2010-2020 гг. выработка увеличилась на четверть, отрасль обеспечила около 15% мирового прироста производства электроэнергии. Драйвером роста выступили Китай, на который пришлось более половины вводов новых мощностей, и прочие развивающиеся страны. В результате гидроэнергетика стала наиболее крупным и по установленной мощности (17%) и выработке электроэнергии (15%) низкоуглеродным возобновляемым источником электроэнергии в мире, опережая атомную энергетику и все остальные ВИЭ.

На фоне роста производственных показателей роль гидроэнергетики в мировой энергетике за 2010-2020 гг.  была относительно стабильной с небольшим трендом к снижению. МЭА прогнозирует, что такая тенденция сохранится до 2030 г. и усилится в более долгосрочной перспективе до 2050 г. ввиду значительного снижения темпов роста производственных показателей в гидроэнергетике и ожидаемого бурного развития других видов ВИЭ — солнечной и ветровой энергетики.

ГЭС являются «зеленым» источником энергии, углеродный след электроэнергии ГЭС (на всем жизненном цикле) находится на уровне прочих ВИЭ и АЭС, но в 20-50 раз ниже генерации на угле. При этом прямые выбросы парниковых газов при производстве электроэнергии на ГЭС как возобновляемом источнике равны нулю, так как не используется топливная составляющая.

---