Гидроэлектростанции: виды, принцип действия и экологическая польза

trk7.ru

В современном мире на повестку дня выходят вопросы использования альтернативных (возобновляемых) источников энергии. Создаются новые мощности, которые генерируют электрическую и тепловую энергию, используя практически неиссякаемые природные ресурсы и при этом не оказывая в существенной степени вредного воздействия на окружающую среду. Традиционно в их роли выступают гидроэлектростанции, которые обладают рядом преимуществ. Установленная мощность ГЭС за 2020 год составила 1170 ГВт – это 41% возобновляемой и 16,8% совокупной мировой электроэнергии.

Виды гидроэлектростанций

В зависимости от способов и методов освоения гидроресурсов различают несколько видов ГЭС.

Гидроэлектростанции с плотинами

Это самый распространенный вид гидроэлектростанций, где на реке или озере создаётся водохранилище, предназначенное для обеспечения непрерывного напора и потока воды. Выполняется это посредством сооружения плотины на равнинных полноводных реках или на реках в горной местности, обладающих узким сжатым руслом. Само здание ГЭС может располагаться:

• внутри плотины (плотинные ГЭС);
• за плотиной, в нижней ее части, в случае высокого напора воды (приплотинные ГЭС);
• далеко от отличающегося большим уклоном естественного водотока реки (деривационные ГЭС).

Приливные и отливные гидроэлектростанции (ПЭС)

Это электростанции особого вида, принцип действия которых основан на использовании энергии приливов и отливов. Для этого устье реки, выходящее в море или залив, перегораживается плотиной с внутри расположенными гидравлическими агрегатами. Последние представляют собой устройства в виде сооруженных на одном валу установок: гидротурбины и гидрогенератора. Гидроагрегаты имеют возможность вырабатывать электроэнергию, работая в генераторном режиме, а также играть роль насосов, закачивая воду в водохранилище (для использования, когда не наблюдается приливов или отливов). В случае второго варианта мы имеем дело с гидроаккумулирующими электростанциями (ГАЭС). Первая и пока единственная в России экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 1,7 МВт сооружена в 1964-1968 годах. Находится она в губе Кислая Баренцева моря, в непосредственной близи от посёлка Мурманской области Ура-Губа.

Бесплотинные гидроэлектростанции

Это достаточно перспективный вид ГЭС безнапорного типа, рассчитанный на использование погружаемых в воду генерирующих установок разнообразных конструкций (ассортимент их модификаций претерпевает сегодня процесс непрерывного обновления). Гидроэлектростанций такого рода (отличаются малым уровнем вырабатываемой мощности) в России насчитывается несколько десятков.

Принцип действия гидроэлектростанций

Принцип действия ГЭС по своей сути достаточно прост. Накапливаемая в водохранилище вода вследствие присущего ей напора воздействует на лопатки турбины, которые, вращаясь, приводят в действие гидрогенератор, вырабатывающий электрический ток. Но на практике всё, конечно же, гораздо сложнее. И вот почему.

Прежде всего требуется построить водохранилище – искусственный водоём, организуемый, как правило, в русле реки путём установления водоподпорных сооружений и возведения плотины. Она нужна для перекрытия водотока и сосредоточения напора. Иногда, в случае деривации, используют естественный поток воды, иногда возникает необходимость совмещения плотины и деривации. Здесь необходимо сделать важную оговорку, что конструкция каждой ГЭС строго индивидуальна (не принимаем во внимание агрегаты бесплотинных станций, которые вполне могут иметь серийное изготовление), и двух абсолютно одинаковых гидроэлектростанций в мире нет.

Параллельно с этим возводят само здание ГЭС, внутри которого и размещают гидроагрегаты. К ним организуется подвод воды, что с большой силой давит на лопасти турбины, приводящей в действие генератор. Всё энергетическое оборудование находится внутри здания гидроэлектростанции. За её пределами расположены трансформаторная подстанция, распределительное устройство и линии электропередач, посредством которых вырабатываемая электроэнергия передаётся в энергосистему.

Есть ещё и целый ряд вспомогательных сооружений, предназначенных для пропуска судов, переброски рыбы, защиты берегов, обеспечения ирригации или для вспомогательных нужд электростанции (здание может выступать в качестве моста для проезда транспорта через водное препятствие), но к производству энергии они не имеют отношения.

Преимущества гидроэлектростанций

Повсеместное распространение гидроэлектростанций, сооружаемых с самого начала возникновения электроэнергетики («первая ГЭС в мире», созданная в 1878 году англичанином Уильямом Джорджем Армстронгом в английском Нортумберленде, обеспечила электропитание одной дуговой лампы, предназначенной для освещения картинной галереи) обусловлены целым рядом удобств и достоинств, столь высоко ценимых энергетиками и экономистами.

Экологические преимущества

Ряд преимуществ ГЭС признан и со стороны экологов (хотя здесь всё не так однозначно, т. к. гидроэлектростанции всё-таки наносят существенный вред природной среде близлежащей местности). Заключаются они в использовании возобновляемого источника энергии – отсутствует процесс сжигания топлива, а это значит, что нет выбросов в атмосферу вредных уходящих газов. Кроме того, водохранилища могут играть положительную роль в плане снижения вероятности возникновения природных катастроф (паводков, наводнений, разрушений береговой линии), обеспечивать потребителей значительными количествами воды и служить местом отдыха.

Устойчивость и надёжность электроснабжения

Круговорот воды в природе идёт непрерывно, что и позволяет обеспечивать устойчивость и надёжность электроснабжения (речь идёт о генерации энергии посредством работы ГЭС) с большим уровнем генерируемых мощностей (это является очень важным фактором в работе глобальных энергосистем!). Естественно, что здесь надо принимать во внимание фактор зимнего режима эксплуатации станции, отличающийся своими природно-климатическими особенностями.

Экономическая эффективность

В основе экономической выгоды создания гидроэлектростанций лежит дешевизна вырабатываемой электроэнергии в сравнении с электричеством, производимым тепловыми, атомными или иными электростанциями, работающими на возобновляемых ресурсах (солнечными, ветряными, геотермальными). Выгода здесь обусловлена практически бесплатностью потребляемого ресурса, низкой себестоимостью возводимых сооружений (всё-таки достаточно громоздких и потому входящих в список наиболее крупных мировых сооружений) и простотой эксплуатации, обычно не прибегающей к значительным затратам труда.

Гидроэлектростанции в мировой энергетике

Несмотря на то, что динамика развития гидроэнергетических мощностей на планете переживает последние 7 лет некоторый спад, относительное возрождение процесса в начале 20-х годов XXI века наметилось в Китае. На данный момент страна лидирует в области мировой гидроэнергетики.

Обзор крупных электростанций по всему миру

Согласно данным, актуальным на 2023 год, перечень крупнейших гидроэлектростанций мира сегодня возглавляют:

• Три ущелья (Китай) установленной мощностью в 22 500 МВт;
• Итайпу (Бразилия) – 14 000 МВт; 
• Силоду (Китай) – 13860 МВт;
• Белу Монти (Бразилия) – 11 233 МВт;
• Гури (Венесуэла) – 10 235 МВт;
• Удундэ (Китай) – 10 200 МВт;
• Тукуруи (Бразилия) – 8 370 МВт;
• Гранд-Кули (США) – 6 809 МВт;
• Сянцзяба (Китай) – 6 448 МВт;
• Лунтань (Китай) – 6426 МВт;
• Саяно-Шушенская (Россия) – 6 400 МВт;
• Красноярская (Россия) – 6400 МВт;
• Ночжаду (Китай) – 5 850 МВт;
• Робер-Бурасса (Канада) – 5 616 МВт;
• Черчилл-Фолс (Канада) – 5 428 МВт;
• Тарбела (Пакистан) – 4 888 МВт (строится 5 очередь, после чего мощность станции достигнет 6 418 МВт);
• Цзинпинь-II (Китай) – 4800 МВт;
• Братская (Россия) – 4500 МВт;
• Ласива (Китай) – 4200 МВт;
• Сяовань (Китай) – 4200 МВт.

Кроме того, в стадии строительства пребывают Байхэтань (Китай) – 16 000 МВт, а также Диамер-Бхаса – 4500 МВт и Дасу – 4320 МВт (обе Пакистан). Приостановлено строительства ГЭС Тасанг (Мньяма) – 7 110 МВт.

Вклад в снижение выбросов парниковых газов

Ситуация здесь неоднозначная, так как водохранилища могут выступать как в роли выделителей углекислого газа и метана в атмосферу (обычно этот процесс протекает наиболее интенсивно в течение первых 20 лет после строительства ГЭС), так и в роли поглотителей углерода. Все зависит от стадии эксплуатации гидросооружений, температуры воды и состава донных отложений.

Согласно исследованиям, которые проведены к 2018 году заведующим кафедрой общей биологии МГУ Дмитрием Замолодчиковым:

• Водохранилища российских ГЭС (работают на протяжении нескольких десятков лет в условиях холодного климата) выделяют ежегодно в атмосферу 4,65 млн т парниковых газов: 3,52 млн т – метана и 1,13 млн т – углекислого газа.
• Они же каждый год усваивают в донных отложениях 5,21 млн т парниковых газов.

Отсюда следует вывод, что при проектировании новых ГЭС и в дальнейшем (во время запуска в работу и в процессе эксплуатации) необходимо принимать превентивные меры по сокращению эмиссии парниковых газов: очищать дно (ложе) водохранилища от органики и предотвращать загрязнение водоёма стоками (наибольшую опасность представляет здесь фосфор).

Будущее гидроэлектростанций

Перспективы дальнейшего развития гидроэнергетики в области создания новых мощностей гидроэлектростанций очевидны. Во-первых, это освоение ещё не используемых ресурсов – больших и малых рек, там, где до сих пор не построены ГЭС. Особенно интересен в этом плане потенциал малых рек. А во-вторых, развитие новых (нередко и хорошо забытых старых) технологий на базе той же деривации и повсеместного введения в эксплуатацию бесплотинных ГЭС малой мощности.

Что касается России, то здесь наибольший интерес представляют ресурсы рек Северного Кавказа (горная местность создаёт благоприятные условия для создания деривационных ГЭС), Сибири (Оби, Енисея, Нижней Ангары, Нижней Тунгуски) и Дальнего Востока (Алдана, Витима, Тимптона, Учура, притоки Амура).

Заключение

Гидроэлектростанции как играли, так и продолжают играть важную роль в производстве электрической энергии. К тому же они обладают важными энергетическими преимуществами:

• способностью вырабатывать значительное количество электроэнергии;
• возможностью выступать в роли стабилизаторов частоты в энергосистемах;
• быть хранителями водной энергии, чтобы использовать её для покрытия пиков нагрузки (одномегаваттная ГЭС способна на заранее накопленной в водохранилище воде работать в течение 5 месяцев).

Вот почему гидроэнергетике (основой которой по-прежнему выступают ГЭС) ведущие эксперты предрекают дальнейшее развитие. Так, к 2030 году прогнозируется рост гидроэнергетических мощностей на 17%. Наибольший вклад здесь должны будут внести Китай, Индия, Турция и Эфиопия. Хотелось бы, чтобы в этот список вошла и Россия. 

Также новости энергетики России читайте на Производства.рф и телеграм канале.