Гидроэнергетические ресурсы мира и их использование

Гидроэнергетические ресурсы имеют конечную величину, хоть и считаются возобновляемыми. Они национальное богатство, как нефть, газ или же другие полезные ископаемые, и нуждаются в бережном и обдуманном обращении.

Энергия воды

Еще в древности люди заметили, что вода, падающая сверху вниз, может совершать определенную работу, например крутить колесо. Это свойство падающей воды стало использоваться для приведения в движение колес мельницы. Так появились первые водяные мельницы, сохранившиеся до наших дней почти в своем первозданном виде. Водяная мельница – это и есть первая гидроэнергетическая установка.

Зародившееся в 17-м веке мануфактурное производство также использовало водяные колеса, а в 18-м веке, например, в России таких мануфактур было уже около трех тысяч. Известно, что самые мощные установки из таких колес были применены на Кренгольмской мануфактуре (река Нарова). Водяные колеса имели диаметр 9,5 метра и развивали мощность до 500 лошадиных сил.

Гидроэнергетические ресурсы: определение, преимущества и недостатки

В 19-м веке после водяных колес появились гидротурбины, а вслед за ними – электрические машины. Это позволило преобразовывать энергию падающей воды в электрическую энергию, а затем передавать ее на некоторое расстояние. В царской России к 1913 году было около 50 тысяч установок, оборудованных гидротурбинами, на которых вырабатывалась электроэнергия.

Та часть энергии рек, которая может быть превращена в электрическую энергию, называется гидроэнергетическими ресурсами, а устройство, преобразующее энергию падающей воды в электрическую энергию, - гидроэлектростанцией (ГЭС). Устройство электростанции обязательно включает гидравлическую турбину, которая приводит во вращательное движение электрический генератор. Для получения потока падающей воды строительство электростанции предусматривает сооружение плотин и водохранилищ.

Преимущества использования гидроэлектростанций:

• Энергия реки является возобновляемой.
• Отсутствует засорение окружающей среды.
• Получается дешевая электроэнергия.
• Улучшаются климатические условия вблизи водохранилища.

Недостатки использования гидроэлектростанций:

• Затопление некоторой площади земли для сооружения водохранилища.
• Изменение многих экосистем по всему руслу реки, уменьшение численности рыб, нарушение мест гнездования птиц, загрязнение рек.
• Опасность строительства в горной местности.

Понятие гидроэнергетического потенциала

Для оценки гидроэнергетических ресурсов реки, страны или же всей планеты на Мировой энергетической конференции (МИРЭК) было дано определение гидроэнергетического потенциала как суммы мощностей всех участков рассматриваемой территории, которые можно использовать для получения электроэнергии. Существует несколько разновидностей гидроэнергетического потенциала:

• Валовой потенциал, который представляет потенциальные гидроэнергетические ресурсы.
• Технический потенциал – та часть валового потенциала, которая может технически использоваться.
• Экономический потенциал – та часть технического потенциала, использование которого экономически целесообразно.

Теоретическая мощность некоторого тока воды определяется по формуле

N (кВт) = 9,81QH,

где Q – расход водотока (м³/сек); H – высота падения воды (м).

Самая мощная гидроэлектростанция в мире

14 декабря 1994 года в Китае, на реке Янцзы, было начато строительство самой крупной гидроэлектростанции, получившей название «Три ущелья». В 2006 году было закончено строительство плотины, а также осуществлен запуск первого гидроагрегата. Эта ГЭС должна была стать центральной ГЭС энергосистемы Китая.

Вид плотины этой станции напоминает конструкцию Красноярской ГЭС. Высота плотины равна 185 метрам, а длина – 2,3 км. В центре плотины находится водосброс, рассчитанный на спуск 116 000 м³ воды в секунду, то есть с высоты около 200 м за одну секунду падает более 100 тонн воды.

Река Янцзы, на которой построена гидроэлектростанция «Три ущелья», – одна из самых мощных рек мира. Строительство ГЭС на этой реке позволяет использовать природные гидроэнергетические ресурсы этого района. Начинаясь в Тибете, на высоте 5600 м, река приобретает значительный гидроэнергетический потенциал. Самым привлекательным местом для строительства плотины оказался район «Трех ущелий», где река вырывается из гор на равнину.

Конструкция ГЭС

Гидроэлектростанция «Три ущелья» имеет три здания ГЭС, в которых расположены 32 гидроагрегата, каждый из которых имеет мощность 700 МВт, и два гидроагрегата мощностью по 50 МВт. Общая мощность ГЭС равна 22,5 ГВт.

В результате строительства плотины образовалось водохранилище объемом 39 км³. Строительство плотины повлекло переселение на новое место жителей двух городов с общей численностью населения 1,24 миллиона человек. Кроме того, из затопляемой зоны были вывезены 1300 объектов археологии. На все работы по подготовке строительства плотины было потрачено 11,25 млрд долларов. Общие затраты на строительство гидроэлектростанции «Три ущелья» составляют 22,5 млрд долларов.

В строительстве данной ГЭС грамотно предусмотрено обеспечение судоходства, более того, после сооружения водохранилища поток грузовых судов возрос в 5 раз.

Пассажирские суда проходят судоподъемник, который пропускает суда весом, не превышающим 3000 тонн. Для пропуска грузовых судов построены две нитки пятиступенчатых шлюзов. В этом случае вес судов должен быть менее 10 000 тонн.

Каскад ГЭС на Янцзы

Водные и гидроэнергетические ресурсы реки Янцзы позволяют построить на этой реке не одну ГЭС, что и было предпринято в Китае. Выше ГЭС «Три ущелья» сооружен целый каскад ГЭС. Это самый мощный каскад гидроэлектростанций мощностью более 80 ГВт.

Строительство каскада позволяет избежать засорения водохранилища «Три ущелья», так как уменьшает эрозию в русле реки выше ГЭС. После этого переносимого ила в воде становится меньше.

Кроме того, каскад ГЭС позволяет регулировать поступление воды к ГЭС «Три ущелья» и получать равномерную выработку электроэнергии на ней.

«Итайпу» на реке Парана

Парана в переводе означает «серебряная река», она является второй по величине рекой Южной Америки и имеет длину 4380 км. Эта река протекает сквозь очень твердый грунт, поэтому, преодолевая его, она создает на своем пути пороги и водопады. Это обстоятельство указывает на благоприятные условия для строительства здесь гидроэлектростанций.

ГЭС «Итайпу» была построена на реке Парана, в 20 км от города Фос-ду-Игуасу в Южной Америке. По мощности эта гидроэлектростанция уступает только ГЭС «Три ущелья». Находясь на границе Бразилии и Парагвая, ГЭС «Итайпу» полностью обеспечивает электроэнергией Парагвай и на 20 % Бразилию.

Строительство гидроэлектростанции началось в 1970 году и закончилось в 2007-м. 10 генераторов мощностью 700 МВт установлены на стороне Парагвая и столько же - на стороне Бразилии. Так как вокруг гидроэлектростанции находился тропический лес, который подлежал затоплению, то животные из этих мест были переселены на другие территории. Длина плотины равна 7240 метрам, а высота – 196 м, стоимость строительства оценивается в 15,3 млрд долларов. Мощность ГЭС равна 14 000 ГВт.

Гидроэнергетические ресурсы России

Российская Федерация обладает большим водным и энергетическим потенциалом, но гидроэнергетические ресурсы страны распределены по ее территории крайне неравномерно. 25 % этих ресурсов расположены в Европейской части, 40 % - в Сибири и 35 % - на Дальнем Востоке. В европейской части государства, по оценкам специалистов, гидроэнергопотенциал используется на 46 %, а весь гидропотенциал государства оценивается в 2500 млрд КВт-часов. Это является вторым результатом в мире после Китая.

Источники гидроэнергии Сибири

Сибирь обладает огромными запасами гидроресурсов, особенно богата гидроэнергетическими ресурсами Восточная Сибирь. Там протекают реки Лена, Ангара, Енисей, Обь и Иртыш. Гидропотенциал этого региона оценивается в 1000 млрд кВт-часов.

Саяно-Шушенская ГЭС имени П. С. Непорожнего

Мощность этой гидроэлектростанции равна 6400 МВт. Это самая мощная ГЭС в Российской Федерации, а в мировом рейтинге она занимает 14-е место.

Участок Енисея, который называется Саянским коридором, благоприятен для построения гидроэлектростанций. Здесь река проходит сквозь горы Саяны, образуя множество порогов. Именно в этом месте построена Саяно-Шушенская ГЭС, а также и другие ГЭС, образующие каскад. Саяно-Шушенская ГЭС является самой верхней ступенью в этом каскаде.

Строительство велось с 1963-го по 2000 год. Конструкция станции состоит из плотины высотой 245 метров и длиной 1075 метров, здания ГЭС, распределительного устройства и конструкции водосброса. В здании ГЭС находятся 10 гидроагрегатов мощностью по 640 МВт.

Образовавшееся после строительства плотины водохранилище имеет объем более 30 км³, а его общая площадь составляет 621 км².

Крупные ГЭС Российской Федерации

Гидроэнергетические ресурсы Сибири в настоящее время используются на 20 %, хотя здесь построено много достаточно крупных ГЭС. Самая крупная среди них – это Саяно-Шушенская ГЭС, за которой идут следующие гидроэлектростанции:

• Красноярская ГЭС мощностью 6000 МВт (на Енисее). На ней установлен судоподъемник, пока единственный в Российской Федерации.
• Братская ГЭС мощностью 4500 МВт (на Ангаре).
• Усть-Илимская ГЭС мощностью 3840 МВт (на Ангаре).

Менее всего освоен потенциал Дальнего Востока. По оценкам специалистов, гидропотенциал этого региона используется на 4 %.

Источники гидроэнергии в Западной Европе

В странах Западной Европы гидроэнергетический потенциал используется почти полностью. Если он еще и достаточно высок, то такие страны полностью обеспечивают себя электрической энергией за счет ГЭС. Это такие страны, как Норвегия, Австрия и Швейцария. Норвегия занимает первое место в мире по производству электрической энергии на одного жителя страны. В Норвегии эта цифра составляет 24 000 кВт-часов в год, а 99,6 % этой энергии производится именно на гидроэлектростанциях.

Гидроэнергетические потенциалы различных стран Западной Европы заметно отличаются друг от друга. Это связано с различными условиями местности и различным стокообразованием. 80 % общего гидроэнергопотенциала Европы сосредоточено в горах с высокими показателями стока: западная часть Скандинавии, Альпы, Балканский полуостров и Пиренеи. Общий гидроэнергетический потенциал Европы равен 460 млрд кВт-час в год.

Запасы топлива в Европе очень малы, поэтому энергетические ресурсы рек освоены весьма значительно. Например, в Швейцарии эти ресурсы освоены на 91 %, во Франции – на 92 %, в Италии – на 86 %, а в Германии – на 76 %.

Каскад ГЭС на реке Рейн

На этой реке построен каскад гидроэлектростанций, состоящий из 27 ГЭС общей мощностью около 3000 МВт.

Одна из станций построена еще в 1914 году. Это ГЭС Laufenburg. Она дважды подвергалась реконструкции, после чего ее мощность составляет 106 МВт. Кроме того, станция относится к памятникам архитектуры и является национальным достоянием Швейцарии.

ГЭС Rheinfelden относится к современным ГЭС. Ее запуск был осуществлен в 2010 году, а мощность составляет 100 МВт. В конструкцию входят 4 гидроагрегата по 25 МВт. Эта ГЭС сооружена взамен старой станции, построенной еще в 1898 году. Старая станция сейчас находится на реконструкции.

Источники гидроэнергии в Африке

Гидроэнергетические ресурсы Африки обусловлены протекающими по ее территории реками: Конго, Нилом, Лимпопо, Нигер и Замбези.

Река Конго обладает значительным гидроэнергопотенциалом. Часть русла этой реки имеет каскад водопадов, известных как пороги Инга. Здесь водный поток спускается с высоты 100 метров со скоростью 26 000 м³ в секунду. В этой местности и были построены 2 ГЭС: "Инга-1" и "Инга-2".

Правительство Демократической Республики Конго в 2002 году утвердило проект построения комплекса «Большая Инга», который предусматривал реконструкцию существующих ГЭС "Инга-1" и "Инга-2" и строительство третьей - "Инга-3". После осуществления этих планов решено построить самый крупный в мире комплекс «Большая Инга».

Этот проект был темой обсуждения на Международной конференции по энергетике. Приняв во внимание состояние водных и гидроэнергетических ресурсов Африки, представители бизнеса и правительств стран Центральной и Южной Африки, присутствовавшие на конференции, одобрили данный проект и установили его параметры: мощность «Большой Инги» установлена в размере 40 000 МВт, что больше самой мощной ГЭС «Три ущелья» почти в 2 раза. Сдача в эксплуатацию ГЭС намечена на 2020 год, а затраты на строительство предполагаются в размере 80 млрд долларов.

После того как проект будет реализован, ДРК станет самым крупным поставщиком электроэнергии в мире.

Энергосистема стран Северной Африки

Северная Африка расположена вдоль побережья Средиземного моря и Атлантического океана. Этот район Африки называется Магриб, или Арабский Запад.

Гидроэнергетические ресурсы в Африке распределены неравномерно. На севере континента находится самая жаркая пустыня мира – Сахара. Эта территория испытывает дефицит воды, поэтому обеспечение водой этих регионов – важнейшая задача. Ее решением является строительство водохранилищ.

Первые водохранилища появились в Магрибе еще в 30-е годы прошлого века, затем много их строилось в 60-е годы, но особенно интенсивное строительство началось в 21-м веке.

Гидроэнергетические ресурсы Северной Африки определяются в основном протекающей здесь рекой Нил. Это самая длинная река мира. В 60-е годы прошлого столетия на этой реке была построена Асуанская плотина, после строительства которой образовалось огромное водохранилище длиной около 500 км, а шириной около 9 км. Заполнение водохранилища водой происходило в течение 5 лет с 1970-го по 1975 год.

Асуанская плотина была построена Египтом при сотрудничестве с Советским Союзом. Это был интернациональный проект, в результате осуществления которого удается вырабатывать до 10 млрд кВт-часов электроэнергии в год, контролировать уровень воды в реке Нил во время паводков, накапливать воду в водохранилище в течение длительного времени. От водохранилища расходится сеть каналов, орошающих поля, а на месте пустыни появились оазисы, все больше площадей используется для земледелия. Водные и гидроэнергетические ресурсы Северной Африки использованы с максимальной результативностью.

Распределение мирового гидроэнергетического потенциала

• Азия – 42 %.
• Африка – 21 %.
• Северная Америка – 12 %.
• Южная Америка – 13 %.
• Европа – 9 %.
• Австралия и Океания – 3 %

Мировой гидроэнергетический потенциал оценен в 10 трлн кВт-часов электрической энергии.

20-й век можно назвать веком гидроэнергетики. 21-й век вносит в историю этой отрасли свои дополнения. В мире повысилось внимание к гидроаккумулирующим станциям (ГАЭС) и приливным электростанциям (ПЭС), использующим для получения электрической энергии силу морских приливов. Развитие гидроэнергетики продолжается.