2.2. Современная география гидроэнергетики мира и её роль в топливно-энергетичемком балансе

Использование гидроэнергетических ресурсов занимает значительное место в мировом балансе электроэнергии.

В развивающихся странах относительно высокие темпы использования гидроэнергии в значительной мере обусловлены крайне низким исходным уровнем. При более чем 50-кратном увеличение за полвека установленных гидроэнергетических возможностей развивающиеся страны в середине 70-х годов более чем в 4,5 раза отставали от развитых стран и по мощности электростанций, и по выработке на них электроэнергии. И если в развитых странах гидропотенциал в середине 70-х использовался примерно на 45 %, то в развивающихся странах - только на 5 %. Для всего мира этот показатель в целом составляет 18 %. Таким образом пока еще для мира характерно использование лишь небольшой части гидроэнергетического потенциала.

Рис.2.2.1 Структура мирового энергопотребления, 2007г. (сост.автором по[10]).

Экономический гидропотенциал Земли используется лишь на 21 %. Это означает, что в принципе годовое производство электроэнергии на ГЭС можно увеличить примерно в пять раз.

Приведенные в таблице 2.2.1. данные позволяют сделать вывод о том, что крупные регионы Земли по освоенности экономического гидропотенциала «выстраиваются» следующим образом: Зарубежная Европа, Северная Америка, СНГ, Австралия и Океания, Латинская Америка, Зарубежная Азия, Африка.

Самая высокая освоенность в Европе, примерно 70%, где для сооружения гэс использовано уже большинство выгодных речных створов, а самая низкая в Африке, около 3%.

Степень использования гидроэнергетиеского потенциала в странах очень различна. Во Франции, в Швейцарии, Италии он использован почти полностью– на 96-98%, в Японии –на 90%, в США и Канаде на 38–40 %, тогда как в Китае – на 16%, в Индии – на 15%, в Перу – на 5%, а в ДР Конго – на 1,5 %, в Азербайджане гидроэнергоресурсы использованы на 10%.

В России гидроэнергетический потенциал освоен пока лишь на 18 % (в том числе в европейской части – 50 %, в Сибири – 19 и на Дальнем Востоке – 4 %)[1].

Таблица 2.2.1

Мировой экономический гидроэнергопотенциал и его освоенность [1].

Регион, мир		В том числе освоенный ко всему потенциал, %
СНГ	1100	20
Зарубежная Европа*	710	70
Зарубежная Азия*	2670	14
Африка	1600	3
Северная Америка	1600	38
Латинская Америка	1900	16
Австралия и Океания	200	18
ВЕСЬ МИР	9780	21

*Без стран СНГ

Уровень душевного энергопотребления зависит главным образом от следующих факторов:

1. Технический и технологический уровень развития.

2. Общая отраслевая и секторальная структура хозяйства и, особенно, отраслевая структура промышленности.

3. Темпы роста экономики.

4. Прирост численности населения.

5. Уровень моторизации и автомобилизации населения.

6. Климатические условия (в частности, длительность отопительного сезона).

7. Структура энергобаланса (состав энергоносителей).

8. Степень рационализации или расточительства использования энергии, что зависит от глубины внедрения энергосберегающих мер, а также от уровня и структуры цен на топливо и горючее[5].

Рис.2.2.2 Динамика мирового потребления гидроэлектроэнергии, в трлн.тут.(сост.автором по[10]).

Из рисунка 2.2.2. видно, что пик потребления гидроэнергетики был достигнут в 1990 г. С 1990г. по настоящее время потребление гидроэнергетики падает и этот процесс будет наблюдаться в будущем.

Гидроэлектростанция (ГЭС) — электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.

Еще в конце 1980-х гг. из 110 действовавших в мире ГЭС установленной мощностью свыше 1 млн кВт 1/2 находилась в странах Запада, в особенности в США и Канаде, 1/3 – в развивающихся и остальная часть – в социалистических странах. Однако в последнее время очень крупных русловых ГЭС ни в зарубежной Европе, ни даже в Северной Америке уже не строят, перейдя к сооружению гидроаккумулятивных электростанций (ГАЭС), а также малых и низконапорных ГЭС. В значительной мере это связано с тем, что многие страны зарубежной Европы использовали уже более 90 % своего эффективного гидроэнергетического потенциала, Япония – примерно столько же, а США и Канада – более 1/2.

В конце 1990-х гг. во всем мире в стадии строительства находились ГЭС общей установленной мощностью свыше 100 млн кВт. Однако 2/3 этих мощностей приходилось уже на страны Азии и 1/6 – на страны Латинской Америки, где есть еще неиспользованные гидроресурсы.

Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонообразные виды рельефа[12].

ГЭС являются мобильными энергетическими установками, выгодно отличающимися от паротурбинных тепловых электростанций в области регулирования частоты, покрытия растущих пиковых нагрузок, маневрирования мощностью в период ночного снижения нагрузок и в роли аварийного резерва системы

Принцип работы ГЭС.

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:

• мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше;

• средние — до 25 МВт;

• малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.

Мощность ГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

Гидроэлектростанции также делятся в зависимости от максимального использования напора воды:

• высоконапорные — более 60 м;

• средненапорные — от 25 м;

• низконапорные — от 3 до 25 м.

В зависимости от напора воды, в гидроэлектростанциях применяются различные виды турбин. Для высоконапорных — ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотнолопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных — поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах. Принцип работы всех видов турбин схож — вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины отличаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами — стальными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.

Гидроэлектрические станции также разделяются в зависимости от принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды.

Здесь можно выделить следующие ГЭС:

• русловые и приплотинные ГЭС. Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.

• плотинные ГЭС. Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.

• деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние — спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида — безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище — такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.

• гидроаккумулирующие электростанции. Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины.

В состав гидроэлектрических станций, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое.

Ценность гидроэлектрической станции состоит в том, что для производства электрической энергии, они используют возобновляемые природные ресурсы. Ввиду того, что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций[11,12,13].

При сооружении ГЭС, одновременно с энергетическими, решаются важные задачи: орошение земель и развитие судоходства, обеспечение водоснабжения крупных городов и промышленных предприятий и т. д. Технология производства электроэнергии на ГЭС довольно проста и легко поддается автоматизации. Пуск агрегата ГЭС занимает не более 50 с, поэтому резерв мощности в энергосистеме целесообразно обеспечить именно этими агрегатами. Коэффициент полезного действия ГЭС обычно составляет около 85-90%

Таблица 2.2.2

Крупнейшие ГЭС мира [1]

Название	Страна	Проектная мощность, млн.кВт	Год пуска в эксплуатацию
Санься	Китай	18,2	2009
Итайпу	Бразилия-Парагвай	12,6	1983
Гранд-Кули	США	10,8	1942
Гури	Венесуэла	10,3	1968
Тукуруи	Бразилия	8,0	1984
Название	Страна	Проектная мощность, млн.кВт	Год пуска в эксплуатацию
Саяно-Шушенская	Россия	6,4	1980
Корпус-Посадос	Аргентина-Парагвай	6,0	1990
Красноярская	Россия	6,0	1968
Ла-Гранд-2	Канада	5,3	1979
Черчилл-Фолз	Канада	5,2	1971

Идея строительства крупнейшей ГЭС мира Санься в районе трех ущелий на Янцзы возникла еще в 1920х гг. Но ее строительство началось только в 1992, а окончилось в 2010.

«Санься» имеет огромное значение для экономики Китая, обеспечивает покрытие годового роста потребления электроэнергии.

Второй функцией плотины является регулирование водного режима Янцзы. За последние две тысячи лет губительные паводки происходили более двухсот раз. Только в XX веке катастрофические разливы реки стали причиной гибели около полумиллиона человек. ГЭС должна частично защитить земли в нижнем течении Янцзы от разрушительных наводнений.

Также планируется перебрасывать 5 процентов годового стока Янцзы в бассейн Хуанхэ, что вдвое увеличит полноводность Жёлтой реки и позволит расширить орошаемые площади в Северном Китае.

Оборудование гидроузла шлюзами и образование водохранилища улучшило условия судоходства в этой части Янцзы, что позволило увеличить общий грузооборот примерно в десять раз и довести его до более чем 100 млн. тонн различных грузов в год[14].

Рис.2.2.2 ГЭС «Санься» [14].

Сегодня вторая по величине ГЭС Итайпу, находящаяся на границе между Бразилией и Парагваем, является основным источником электроэнергии для этих стран — она почти на 100% обеспечивает электричеством Парагвай и даёт пятую часть полной потребности Бразилии.

Инженеры нашли отличное место для строительства плотины — там, где река Парана уходила под землю и порода могла бы выдержать огромный вес бетонных конструкций плотины .Для того, чтобы очистить участок под строительство, река Парана была пущена по другому руслу, для чего в окружающих скалах был пробит 150-метровый канал. В 1979 году, когда бывшее русло реки полностью высохло, началось строительство плотины.

13 октября 1982 года реку вернули в прежнее русло — на заполнение водохранилища Итайпу глубиной 100 метров ушло 14 дней. Хотя если сравнивать масштаб плотины с размером её водохранилищ, то оно представляется относительно скромным —170 километров в длину и шириной от 7 до 12 км в разных участках.

5 мая 1983 года запущен первый гидрогенератор. Всего было запланировано 18 генераторов, последние два из которых были запущены в 1991 году, а в сентябре 2006 года и марте 2007 были запущены ещё два дополнительных генератора, таким образом общее их количество достигло 20 штук, каждый мощностью 700 МВт, но из-за того, что фактически половину всего времени работы напор воды превышает расчёты — доступная для генераторов мощность достигает 750 МВт.[14].

Рис.2.2.3 ГЭС «Итайпу»[14]

В начале двадцать первого века гидроэнергетика обеспечивает до шестидесяти трёх процентов возобновляемой энергии в мире. Это девятнадцать процентов всей мировой электроэнергии.

Такие страны как Норвегия, Исландия и Канада являются лидерами по выработке гидроэнергии на гражданина. Наиболее активно ведет строительство гидроэлектростанций Китай. Для этого государства гидроэнергия является наиболее перспективным источником энергии и, очевидно, он в скором времени станет основным. Кроме того, именно Китай является мировым лидером по количеству малых гидроэлектростанций.

Наиболее крупные ГЭС расположены на территории Китая (Санься на реке Янцзы, Бразилии (Итайпу на реке Парана и Тукуруи на реке Токантин), Венесуэлы (Гури на реке Карони). Развивается гидроэнергетическая отрасль и в России. Сегодня на территории Российской Федерации функционируют сто две гидроэлектростанции.

В настоящее время только треть из 177 крупнейших (протяженностью более 1000 км) рек мира сохранили свободное течение и не перегорожены плотинами и дамбами. Однако существование ненарушенных рек необходимо для поддержания нормальных процессов функционирования ландшафтной оболочки Земли, в том числе, для перемещения вещества и энергии, важно для поддержания биоразнообразия, а также является источником многих невосполнимых экологических услуг для населения. [11]