Гидроэнергетика

Гидроэнергетика — отрасль энергетики, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования энергии водного потока в электрическую энергию.

Крупнейшая в мире ГЭС — Три ущелья.

ГОСТ 19431-84 «Энергетика и электрификация. Термины и определения» определяет гидроэнергетику как раздел энергетики, связанный с использованием механической энергии водных ресурсов для получения электрической энергии.

Оборудование

Электрическая энергия вырабатывается электрогенераторами на:

• Гидроэлектростанция (ГЭС) (в том числе малая гидроэлектростанция)
• Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС)

Специфическое место в возобновляемых источниках энергии вообще и гидроэнергетике, в частности, занимают электростанции, использующие энергию приливов, отливов и океанских течений. Установленная мощность этих электростанций на конец 2018 года 519 МВт

Ключевым понятием в гидроэнергетике является гидроэнергетический потенциал. В соответствии с определениями WEC (World Energy Council) гидроэнергетический потенциал классифицируется на валовой теоретический гидроэнергопотенциал, общий технический гидроэнергопотенциал и экономический гидроэнергопотенциал.^[1][2]

Диапазон изменения гидроэнергопотенциала существенно отличается по регионам и странам мира. Так, в соответствии с данными EES EAEC^[3], в регионах мира максимальный теоретический гидроэнергетический потенциал в Азии и Океании (15606 ТВт∙ч/год) и минимальный на Ближнем Востоке (690 ТВт∙ч/год).

Для крупных стран мира различие превышает два порядка, а именно: Китай — 6083 ТВт∙ч/год (максимальный) и Южная Корея — 52 ТВт∙ч/год (минимальный).

Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция (ГЭС) — электростанция, преобразующая механическую энергию воды в электрическую энергию.^[1]

В структуре установленной мощности электростанций регионов мира на конец 2018 года на долю ГЭС приходится от 5,2 % на Ближнем Востоке до почти 51 % в Центральной и Южной Америке. Диапазон изменения этой доли в структуре установленной мощности крупных стран, например, Бразилии — доля ГЭС достигает 63,7 %, а в Саудовской Аравии ГЭС отсутствуют. Наибольший удельный вес ГЭС в странах мира (179 стран), составляющий практически 100 % приходится на Парагвай, где установленная мощность-нетто всех электростанций 8761 МВт, в том числе ГЭС — 8760 МВт.

На конец 2018 года установленная мощность ГЭС мира составляет — 1283,4 ГВт, включая ГАЭС.

Гидроаккумулирующие станции

Под гидроаккумулирующей станцией (ГАЭС) понимается комплекс сооружений и оборудования, выполняющий функции аккумулирования и выработки электрической энергии путем накачки воды из нижнего бассейна в верхний (насосный режим) и последующего преобразования потенциальной энергии воды в электрическую энергию (турбинный режим)^[4]. В соответствии с глоссарием EIA к ГАЭС (Pumped-storage hydroelectric plant) относят электростанции, использующие предварительно закаченную воду в верхний бассейн из нижнего в период провала графика нагрузок и вырабатывающие электрическую энергию в период максимума нагрузок^[5].

На конец 2018 года установленная мощность ГАЭС мира — 109,1 ГВт

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• использование возобновляемой энергии;
• очень дешевая электроэнергия;
• работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу;
• быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции;
• смягчение климата вблизи крупных водохранилищ.

Недостатки:

• затопление населенных пунктов и сельскохозяйственных земель;
• строительство экономически целесообразно только там, где есть большие запасы энергии воды;
• опасны в районах с высокой сейсмической активностью;
• сокращенные и нерегулируемые попуски воды из водохранилищ по 10—15 дней приводят к перестройке уникальных пойменных экосистем по всему руслу рек, как следствие, загрязнение рек, сокращение трофических цепей, снижение численности рыб, элиминация беспозвоночных водных животных, повышение агрессивности компонентов гнуса (мошки) из-за недоедания на личиночных стадиях, исчезновение мест гнездования многих видов перелётных птиц, недостаточное увлажнение пойменной почвы, негативные растительные сукцессии (обеднение фитомассы), сокращение потока биогенных веществ в океаны.

Статистика

Плотина крупнейшей в Киргизии Токтогульской гидроэлектростанции на банкноте достоинством в 100 сом

На 2006 год гидроэнергетика обеспечивала производство до 88 % возобновляемой и до 20 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигала 777 ГВт.

На 2020 год гидроэнергетика обеспечивает производство до 41 % возобновляемой и до 16,8 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 1 170 ГВт.^[6]

Абсолютным лидером по выработке гидроэнергии на душу населения является Исландия. Кроме неё этот показатель наиболее высок в Норвегии (доля ГЭС в суммарной выработке — 98 %), Канаде и Швеции. В Парагвае 100 % производимой энергии вырабатывается на гидроэлектростанциях.

В пятерку крупнейших стран мира по техническому гидроэнергопотенциалу на 2008 год входили (в порядке убывания): Китай, Россия, США, Бразилия и Канада.

Основные производители гидроэнергии на 2008 год, включая ГАЭС^[7]

Страна	Потребление гидроэнергии в ТВт·ч
Китай	585
Канада	369
Бразилия	364
США	251
Россия	167
Норвегия	140
Индия	116
Венесуэла	87
Япония	69
Швеция	66
Франция	63

Основные гидромощности на 2020 год, включая ГАЭС^[8]

Территория	Мощность, ГВт
Китай	370
EU-27	152
Бразилия	109
США	103
Канада	81
Россия	52
Индия	51
Япония	50
Норвегия	33
Турция	31
Вьетнам	18

Выработка гидроэнергии на гражданина в 2020 году

Страна	Выработка, тыс. кВт⋅ч/чел.
Исландия	36,0
Норвегия	26,2
Канада	10,3
Парагвай	9,3
Бутан	9,1
Гренландия	7,1
Новая Зеландия	4,9
Швейцария	4,4
Лаос	4,0
Грузия	2,5
Албания	2,1

Наиболее активное гидростроительство на начало 2000-х ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии. В этой стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира, а также крупнейшая ГЭС мира «Три ущелья» на реке Янцзы и строящийся крупнейший по мощности каскад ГЭС. Ещё более крупная ГЭС «Гранд Инга» мощностью 39 ГВт планируется к сооружению международным консорциумом на реке Конго в Демократической Республике Конго (бывший Заир).

EES EAEC. Структура установленной мощности электростанций мира по типам за 1992 год, %

EES EAEC. Структура установленной мощности электростанций мира по типам за 2018 год, %

Только за период с 1992 года по 2018 год происходят значительные изменения в структуре установленной мощности электростанция мира (здесь и далее мир включает 179 стран). Доля гидроэнергетики, включающая гидроэлектростанции (ГЭС) и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) уменьшилась с 23,3 % (659,3 ГВт) в 1992 году до 18,0 % (1283,4 ГВт) на конец 2018 года.

История

Впервые для выработки электричества гидроэнергию использовал в 1878 году англичанин Уильям Армстронг для питания единственной электродуговой лампы в своей художественной галерее. Первая электростанция была запущена в 1882 году на Фокс-Ривер в городе Эплтон, штат Висконсин, США. Через пять лет в США и Канаде было уже 45 гидроэлектростанций, а к 1889 году — 200^[9].

В России

Основная статья: Гидроэнергетика России

Доля выработки электроэнергии в России: красный — ТЭС(68 %), синий — ГЭС(16 %), зелёный — АЭС(16 %).

Наиболее достоверным считается, что первой гидроэлектростанцией в России была Березовская (Зыряновская) ГЭС, построенная в Рудном Алтае на реке Березовка (приток реки Бухтармы) в 1892 году; это была четырехтурбинная общей мощностью 200 кВт и предназначалась для обеспечения электричеством шахтного водоотлива из Зыряновского рудника^[10]. На роль первой также претендует Ныгринская ГЭС, которая появилась в Иркутской губернии на реке Ныгри (приток р. Вачи) в 1896 году. Энергетическое оборудование станции состояло из двух турбин с общим горизонтальным валом, вращавшим три динамо-машины мощностью по 100 кВт. Первичное напряжение преобразовывалось четырьмя трансформаторами трехфазного тока до 10 кВ и передавалось по двум высоковольтным линиям на соседние прииски. Это были первые в России высоковольтные ЛЭП. Одну линию (длиной 9 км) проложили через гольцы к прииску Негаданному, другую (14 км) — вверх по долине Ныгри до устья ключа Сухой Лог, где в те годы действовал прииск Ивановский. На приисках напряжение трансформировалось до 220 В. Благодаря электроэнергии Ныгринской ГЭС в шахтах установили электрические подъёмники. Кроме того, электрифицировали приисковую железную дорогу, служившую для вывоза отработанной породы, которая стала первой в России электрифицированной железной дорогой.^[11]

В 1919 году Совет труда и обороны признал строительства Волховской и Свирской гидростанций объектами, имеющими оборонное значение. В том же году началась подготовка к возведению Волховской ГЭС, первой из гидроэлектростанций, возведенных по плану ГОЭЛРО.

Первая очередь строительства ГЭС^[12]

Район	Название	Мощность, тыс. кВт
Северный	Волховская	30
	Нижнесвирская	110
	Верхнесвирская	140
Южный	Александровская	200
Уральский	Чусовая	25
Кавказский	Кубанская	40
	Краснодарская	20
	Терская	40
Сибирь	Алтайская	40
Туркестан	Туркестанская	40

В советский период развития энергетики упор делался на особую роль единого народнохозяйственного плана электрификации страны — ГОЭЛРО, который был утвержден 22 декабря 1920 года. Этот день был объявлен в СССР профессиональным праздником — Днём энергетика. Глава плана, посвященная гидроэнергетике, называлась «Электрификация и водная энергия». В ней указывалось, что гидроэлектростанции могут быть экономически выгодными, главным образом, в случае комплексного использования: для выработки электроэнергии, улучшения условий судоходства или мелиорации. Предполагалось, что в течение 10—15 лет в стране можно соорудить ГЭС общей мощностью 21 254 тыс. лошадиных сил (около 15 млн кВт), в том числе в европейской части России — мощностью 7394, в Туркестане — 3020, в Сибири — 10 840 тыс. л. с. На ближайшие 10 лет намечалось сооружение ГЭС мощностью 950 тыс. кВт, однако в последующем было запланировано сооружение десяти ГЭС общей рабочей мощностью первых очередей 535 тыс. кВт.^{[источник не указан 1356 дней]}

В 2020 году мощность гидроэнергетики в России составляла 51 811 МВт.^[8]

См. также

• Список стран по мощности гидроэлектростанций
• Научный консенсус по изменению климата