Гидроэнергетика

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

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.

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).

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.

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:

• 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.

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).

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.

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].

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]

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.^[]

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

Список стран по мощности гидроэлектростанций

• Владимир Сидорович. Мировая энергетическая революция: Как возобновляемые источники энергии изменят наш мир. — М.: Альпина Паблишер, 2015. — 208 с. — ISBN 978-5-9614-5249-5.