4. Гидроэнергетика

4.1. Общие положения

Термин "гидроэнергетика" определяет область энергетики, использующей энергию движущейся воды, как правило, рек. Эта энергия преобразуется или в механическую, или чаще всего в электрическую. Помимо гидроэнергетики водными источниками энергии являются морские волны и приливы.

Гидроэнергетика является наиболее развитой областью энергетики на возобновляемых ресурсах.

Важно отметить, что в конечном итоге возобновляемость гидроэнергетических ресурсов также обеспечивается энергией Солнца. Действительно, реки представляют собой потоки воды, движущиеся под действием силы тяжести с более высоких на поверхности Земли мест в более низкие, и в конце концов впадают в мировой океан. Под действием солнечного излучения вода испаряется с поверхности мирового океана, пар ее поднимается в верхние слои атмосферы, конденсируется в облака и выпадает в виде дождя, пополняя истощаемые истоки рек ( рис. 28).

Рис. 14. Схема преобразования солнечной энергии в гравитационную потенциальную энергию воды

Таким образом, используемая энергия рек является преобразованной в механическую энергией Солнца.

Часто бывает, что в силу тех или иных изменений атмосферных условий этот кругооборот нарушается, реки мелеют или даже полностью высыхают. Другим крайним случаем является нарушение этого кругооборота, приводящее к наводнениям.

Для исключения этих обстоятельств на реках перед гидроэлектростанциями (ГЭС) строятся плотины, формируются водохранилища, с помощью которых регулируется постоянный напор и расход воды. Гидроэлектростанции и их оборудование используются очень долго, турбины, например, – около 50 лет. Это объясняется условиями их эксплуатации: равномерный режим работы при отсутствии экстремальных температурных и других нагрузок. Вследствие этого стоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии низка (примерно 4 цента США за 1 кВт· ч) и многие из них работают с высоким экономическим эффектом. Например, Норвегия производит 90 % электроэнергии на ГЭС. Вырабатываемую ГЭС энергию очень легко регулировать, что важно при ее использовании в энергосистемах с большими колебаниями нагрузки.

С самого начала (примерно с 1980-х годов прошлого столетия) для производства электроэнергии в гидроэнергетике использовались в основном гидравлические турбины. Их суммарная мощность возрастает сейчас во всем мире примерно на 5 % в год, то есть удваивается каждые 15 лет. В 1980 году мощность всех ГЭС составляла примерно 500000 МВт и большая часть станций имела мощность более 10 МВт.

Потенциальные возможности гидроэнергетики оцениваются в 1,5·10⁶ МВт, при этом они наиболее велики в Африке, Китае и Южной Америке.

Наиболее сложными проблемами гидроэнергетики являются: ущерб, наносимый окружающей среде (особенно от затопления больших площадей при создании водохранилищ), заиливание плотин, коррозия гидротурбин и, в сравнении с тепловыми электростанциями, большие капитальные затраты на их сооружение. Поэтому особенно перспективным в настоящее время является использование гидроэнергетических ресурсов малых рек без создания искусственных водохранилищ.

Республика Беларусь является преимущественно равнинной страной, тем не менее ее гидроэнергетические ресурсы достаточно существенны. Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 года в качестве основных направлений развития малой гидроэнергетики в республике предусматривает:

• восстановление ранее существовавших малых гидроэлектростанций на существующих водохранилищах путем капитального ремонта и частичной замены оборудования;

• сооружение новых малых ГЭС на водохранилищах неэнергетического назначения без затопления;

• сооружение малых ГЭС на промышленных водосбросах;

• сооружение бесплотинных (русловых) ГЭС на реках со значительными расходами воды.

Как правило, все восстанавливаемые и вновь сооружаемые малые ГЭС будут работать параллельно с энергосистемой, что позволит значительно упростить схемные и конструктивные решения.

Общую мощность малых ГЭС в республике предполагается довести к 2010 году до 100 МВт установленной мощности, что обеспечит экономию 120 тысяч тонн условного топлива в год.

Одним из высокоприоритетных белорусских национальных проектов в Мировой солнечной программе на 1996–2005 гг. является создание каскада из четырех ГЭС общей мощностью 132 МВт на реке Западная Двина с обеспечением специальных мер по минимизации затопления.

Вообще бассейны рек Западная Двина и Неман, протекающих по территории Беларуси, относятся к зонам высокого гидроэнергетического потенциала и использование его еще в 1940-х годах намечалось путем строительства многоступенчатых каскадов ГЭС. В настоящее время разработан проект создания каскада четырех ГЭС на р. Западная Двина со строительством ГЭС в районе городов Витебска, Бешенковичи и Полоцка и еще одной ниже по течению с общей установленной мощностью 132 МВт и ежегодной выработкой электроэнергии 530 млн. кВт.  ч. Требуемые капитальные вложения для реализации этого проекта составляют около 120 млн. долларов США.

Аналогичный проект разработан и для реки Неман со строительством ГЭС в районе г. Гродно и д. Немново с общей установленной мощностью каскада 45 МВт и ежегодной выработкой электроэнергии 180 млн. кВт·ч. Этот проект требует около 40 млн. долларов США капитальных вложений.