Гидроэнергетика России

В настоящее время 19% энергии, производимой на международном уровне, поступает из возобновляемых источников. Из этого количества примерно 84% вырабатывается гидроэлектростанциями (ГЭС). Всего гидроэлектроэнергия (называемая также «водной») составляет 1/6 от всей электрической энергии, генерируемой на планете.

По данным международных организаций и исследовательских центров, занимающихся энергетическими аспектами, основными производителями гидроэлектроэнергии в мире являются КНР, Бразилия, Канада, США и Российская Федерация. По оценкам специалистов, к 2035 году мировое производство гидроэлектроэнергии может достигнуть 15000 ТВт·ч в год.

Принцип работы гидроэлектростанций

Гидроэлектроэнергия является источником чистой энергии (то есть без выбросов загрязняющих веществ) и возобновляемой (в отличие от ископаемых источников). Ее производство использует преобразование потенциальной гравитационной энергии в кинетическую при движении больших масс падающей воды. Затем кинетическая преобразуется в электрическую посредством работы генераторов и турбин.

Типы гидроэлектростанций

Несмотря на сходный принцип действия, существуют ГЭС разных типов. Так как при их строительстве в большинстве случаев используется естественный рельеф местности, то различия связаны с использованием конкретных преимуществ, которые предоставляют природные условия. Типы гидроэлектростанций:

• Деривационные. Размещаются на горных реках, где перепад высот позволяет использовать энергию падающего потока, но сильное течение исключает строительство плотины. Потоки воды направляют в специальные отводы, наклон которых сооружают так, чтобы обеспечить необходимый напор.
• Плотинные. Основной тип ГЭС, предусматривающий строительство плотины, перегораживающей русло реки и создающей водохранилище. Плотина часто также имеет функцию борьбы с наводнениями. Благодаря водному резервуару, с помощью которого можно регулировать поток воды, электростанция способна реагировать на изменение потребления энергии (снижать и увеличивать выработку) и адаптироваться к сезонным колебаниям количества проточной воды.
• Смешанного типа. Применяются в тех случаях, когда для успешной работы деривационных ГЭС необходимо и возможно построить плотину для создания резерва воды с целью регулирования потока.
• Аккумуляторные (ГАЭС). У них есть два резервуара для воды: верхний и нижний. В период низкого энергопотребления электростанция перекачивает воду из нижнего в верхний, таким образом накапливая потенциальную энергию (это насосная работа ГАЭС). В свою очередь, генератор начинает работать, когда энергопотребление возрастает. Вода поступает из верхнего резервуара, приводя в движение турбину, посредством которой вырабатывается электричество.
• Приливные (ПЭС). Используют колебания уровня воды, часто в устьях рек, где приливные явления вызывают двунаправленный поток. На прибрежном участке возводят плотину. Для эффективной работы необходимо, чтобы перепад воды был не менее 5 м. Мощность таких электростанций невелика, это связано с низкой энергией проточной воды. Большинство ПЭС используют пропеллерные турбины. Некоторые из них имеют внушительные размеры. Во Франции турбины, расположенные в нижней части Ла-Манша, имеют диаметр 21 м и мощность около 2,2 МВт.

Существует классификация гидроэлектростанций по совокупной мощности установленных генераторов, позволяющая разделить малые и крупные ГЭС, но она отличается для разных стран. Например, в Португалии, Испании, Ирландии, Греции и Бельгии 10 МВт было принято в качестве верхнего предела для малых ГЭС, в Италии – 3 МВт, Швеции – 1,5 МВт, а в Польше – 5 МВт.

Однако эти границы достаточно условны и могут изменяться государственными нормативными актами. Так, В США сначала максимальная мощность малых ГЭС была равной 5 МВт, затем 15 МВт, а сейчас уже 30 МВт. В РФ также гидроэлектростанции мощностью более 30 МВт считаются крупными.

История развития гидроэнергетики в мире и России

Вода была основным источником энергии, используемым человеком на протяжении многих лет. Первой машиной, применившей энергию воды, стало колесо для водяных мельниц. Первая гидроэлектростанция была построена в 1878 году в Нортумберленде, в Великобритании, и использовалась для обеспечения электропитания всего одной лампочки для картинной галереи изобретателя У. Дж. Армстронга. А в 1920 году на ГЭС уже была произведена большая часть мировой электроэнергии. Основная технология строительства ГЭС оставалась неизменной в течение всего ХХ столетия.

В России в конце XIX и начале ХХ века различные предприниматели для своих предприятий возводили малые ГЭС, но настоящий толчок строительству мощных электростанций дал принятый в 1920 г. план ГОЭЛРО.

Гидроэнергетический потенциал будущего

Гидроэнергетика открывает большие перспективы. Так как она использует возобновляемую энергию, то именно ГЭС рассматриваются как преимущественные способы генерации электроэнергии, учитывая борьбу с глобальным потеплением.

В будущем возможны два предпочтительных способа использования ГЭС:

• строительство малых гидроэлектростанций (от 0,1 до 10 МВт), использующих природное течение рек;
• применение энергии морских волн и приливов.

Преимущества и недостатки

Гидроэнергетика обладает неоспоримыми преимуществами:

• Чистота электроэнергии. Она вырабатывается при абсолютном отсутствии вредных выбросов.
• Возможность строительства мощных электростанций при соответствующих природных условиях.
• Гибкость производства. Система плотин позволяет регулировать интенсивность потока воды и конечную выработку электроэнергии. Электростанции легко адаптируются к уровню энергопотребления.
• Высокая безопасность. Так как ГЭС не используют ископаемое или ядерное топливо, внутри этих станций нет риска взрыва с тяжелыми последствиями.

Недостатки гидроэнергетики:

• Высокий уровень инвестиций в строительство.
• Неблагоприятное воздействие на окружающую природу. Возведение гидроэлектростанций плотинного типа нарушает естественную экосистему, так как затапливаются огромные участки суши. Строительство вблизи ГЭС линий электропередачи, новых дорог, прокладка кабелей также оказывает влияние на ландшафт.
• Необходимость иметь адекватные природные условия: значительный перепад воды в реках, выраженные приливные явления. Большинство мест, пригодных для строительства мощных гидроэлектростанций, уже использованы.
• В отдельных районах имеется риск засухи. Длительное отсутствие осадков не очень предсказуемо, иногда может привести к полному прекращению выработки электроэнергии и способно вызвать проблемы в энергосистеме.

Крупнейшие ГЭС

В мире двумя самыми крупными ГЭС являются:

1. Итайпу, расположенная на границе между Бразилией и Парагваем, с высотой падения воды 195 м, максимальной выходной мощностью 14 тыс. МВт (20 турбогенераторов мощностью 700 МВт каждый).
2. «Три ущелья» на реке Янцзы в Китае с перепадом воды 185 м и максимальной установленной мощностью 22 500 МВт.

На территории РФ построено много ГЭС, входящих в список крупнейших в мире:

• Саяно-Шушенская;
• Красноярская;
• Братская;
• Усть-Илимская;
• Богучанская;
• Волжская;
• Жигулевская;
• Бурейская;
• Саратовская;
• Чебоксарская.

Крупнейшая аккумулирующая электростанция в РФ – Загорская ГАЭС. Она также присутствует среди 10 мировых самых мощных станций подобного типа.

Крупнейшие объекты

Саяно-Шушенская ГЭС

Расположена в Хакасии, на Енисее. Является самой крупной в России. Расчетный напор воды – 194 м при высоте плотины в 242 м. Суммарная мощность турбогенераторов – 6,4 тыс. МВт (10 машин по 640 МВт каждая). Себестоимость производимой электроэнергии считается одной из самых низких в РФ.

Снабжает электрической энергией промышленные и гражданские объекты, самые энергоемкие из которых – это два алюминиевых завода (Саянский, Хакасский) и Абаканвагонмаш, предприятие по добыче угля и железной руды.

Кроме основного предназначения, комплекс сооружений ГЭС защищает ниже расположенные по течению реки участки от паводков.

Красноярская ГЭС

Наряду с Саяно-Шушенской и Майнской гидроэлектростанцией образует каскад ГЭС на Енисее, являясь его заключительной ступенью. При расчетном напоре 93 м обладает мощностью 6 тыс. МВт, которая обеспечивается 12 агрегатами по 500 МВт.

ГЭС является основным генерирующим электроэнергию предприятием Красноярского края, играет ключевую роль в объединенной энергетической системе Сибири. На ГЭС продолжается масштабная техническая реконструкция, уже позволившая значительно повысить эффективность работы оборудования.

Для пропуска судов через гидротехнические сооружения здесь построен судоподъёмник, являющийся уникальной конструкцией, единственной в РФ.

Братская ГЭС

Располагается на Ангаре, в Восточной Сибири. Несмотря на то что по установленной мощности она уступает Саяно-Шушенской и Красноярской гидроэлектростанциям, по годовой выработке электроэнергии Братская ГЭС стоит вровень с ними, а в некоторые годы и превосходит. Расчетный напор – 101,5 м. На станции установлены 18 турбогенераторов по 250 МВт (общая мощность – 4,5 тыс. МВт). Поставляет электроэнергию Братскому алюминиевому заводу и другим важным потребителям.

Водохранилище ГЭС является самым крупным в РФ и позволяет эффективно регулировать сток воды: в годы с большим количеством осадков происходит его заполнение, а в засушливые времена – срабатывание.

Усть-Илимская ГЭС

Третья ступень ангарского каскада гидроэлектростанций вырабатывает 1/3 всей электроэнергии Иркутской области. Основные потребители – алюминиевые заводы и предприятия лесохимии. Имеет расчетный напор в 90,7 м. 16 агрегатов по 240 МВт составляют общую мощность 3840 МВт.

Водохранилище ГЭС по площади поверхности в 3 раза уступает аналогичному водоему Братской ГЭС.

Так как предприятие сдано в эксплуатацию еще в 1980 году, то на нем постепенно проводятся работы по реконструкции гидроагрегатов. В частности, замена их рабочих колес дает существенный прирост выработки электроэнергии каждым генератором – более 4%.

Богучанская ГЭС

Является составляющей частью ангарского каскада, образует его четвертую ступень. Гидроэлектростанция относится к объектам, строительство которых шло продолжительное время. Несмотря на то что ее возведение началось в 1974 г., ввод в эксплуатацию состоялся только в 2012-2015 годах.

Расчетный напор – 65,5 м при высоте плотины в 77 м. Общая мощность станции – 2997 МВт, обеспечивающаяся 9 генераторами по 333 МВт.

50% и более всей вырабатываемой электроэнергии будет потреблять Богучанский и Тайшетский алюминиевые заводы. А мощная электросетевая инфраструктура способна повысить надежность электроснабжения регионов Восточной Сибири – Красноярского края и Иркутской области.

Волжская ГЭС

Это самая крупная ГЭС на европейском континенте, в начале 60-х годов прошлого века была мощнейшей в мире. Находится на Волге, недалеко от Волгограда.

Является важным звеном, гарантирующим надежность работы ЕЭС РФ, а ее водохранилище играет ключевую роль в обеспечении водой засушливых районов юга России, в том числе оросительных систем и создании условий для пропуска крупнотоннажных судов.

Максимальная высота плотины – 47 м, расчетный напор – 21,5 м. Суммарная мощность гидрогенераторов – 2671 МВт (7 – по 115 МВт, 5 – по 120 МВт, 1 – 11 МВт).

В конце 90-х началась модернизация гидроагрегатов, а в 2010 г. – замена и реконструкция электросетевого оборудования (трансформаторов, коммутационной аппаратуры, кабелей и т. д.).

Жигулевская ГЭС

Гидроэлектростанция расположена на реке Волге, недалеко от города Тольятти, уступает по мощности только Волжской. Здесь установлены 16 генераторов по 125,5 МВт и 4 генератора по 120 МВт. Суммарная мощность – 2488 МВт. Расчетный напор – 21 м при максимальной высоте плотины в 45 м.

Водохранилище Жигулевской ГЭС имеет определяющее значение среди всех объектов каскада электростанций на Волге для регулирования стока воды, так как обладает самыми крупными размерами в Европе. Благодаря Куйбышевскому водохранилищу обеспечиваются комфортные навигационные глубины, и вода поступает в оросительные системы по мере необходимости.

Бурейская ГЭС

Мощнейшая на Дальнем Востоке ГЭС была полностью сдана в эксплуатацию в 2014 году и разрешила ряд региональных проблем:

• помогла повысить надежность снабжения электричеством;
• увеличила экспортные возможности (основное направление – Китай);
• исключила необходимость строительства электростанций, работающих на ископаемом топливе, следовательно, отпала необходимость в его завозе, окружающая атмосфера будет освобождена от продуктов сгорания угля;
• обеспечила защиту от паводков.

Высота плотины станции – 140 м при расчетном напоре в 103 м. Суммарная мощность гидрогенераторов – 2010 МВт (6 агрегатов по 335 МВт).

Саратовская ГЭС

Предпоследняя ступень в Волжско-Камском каскаде гидроэлектростанций. Построена в городе Балаково Саратовской области. Если до ее ввода в эксплуатацию этот регион испытывал дефицит электроэнергии, то после стал энергоизбыточным. Мощность электростанции – 1415 МВт. Установлено 6 агрегатов по 66 МВт, 15 – по 60 МВт, 2 – по 54 МВт и 1 – 11 МВт. Длина машинного зала превосходит все подобные сооружения в России. Высота плотины – 40 м.

Как и все звенья каскада, Саратовская ГЭС обеспечивает надежность снабжения электрической энергией Поволжья, участвует в улучшении условий для навигации крупнотоннажных судов, помогает орошать засушливые земли.

Чебоксарская ГЭС

Находится в Чувашии. Возведена последней из всех ГЭС на Волге, считается, что ее строительство до сих пор не завершено, хотя предприятие начало выдавать электроэнергию в сеть с 1981 года. ГЭС используется только на 60% от проектной мощности. Основная проблема – агрегаты работают на напоре ниже проектного.

Общая мощность должна составлять 1370 МВт, но из-за низкого напора она не превышает 820 МВт. Всего функционируют 17 генераторов по 78 МВт и 1 – 44 МВт.

Прорабатываются различные варианты завершения строительства электростанции и вывода ее на проектную мощность, но даже сейчас она выполняет важную роль в электроснабжении региона.

Загорская ГАЭС

Из двух функционирующих в России гидроаккумулирующих электростанций Загорская – крупнейшая, причем после ввода в эксплуатацию второй очереди она будет самой мощной в Московской области. Располагается недалеко от Сергиева Посада. Мощность первой очереди – 1200 МВт, второй – 840 МВт.

Загорская ГАЭС играет важную роль. Она не только в значительной мере обеспечивает потребности в электроэнергии Московского региона, но и является инструментом гибкого реагирования на аварии в энергосистеме путем оперативного ввода в работу резервных генераторов. Другая важная функция ГАЭС – возможность выдачи электрической энергии в сеть в период пиковых нагрузок в системе (утром и вечером) и энергопотребления из сети, используемого на перекачку воды ночью, когда общая нагрузка резко падает и высвобождаются избыточные мощности.