3. Гидроэнергетика

Человечество имеет долгую историю использования силы воды для производства механической механической и электрической энергии.

  

До того, как стали известны и доступны паровая энергия и электричество, одним из ведущих источников энергии  была гидроэнергия (вода). Сила воды, в частности, энергия речных течений, использовалась много лет назад для вращения лопастных колес мельниц, которые в те времена служили для помола зерна. С течением времени водяные колеса, использующиеся для переработки зерна, стали использоваться и для обработки тканей. Старейшие лесопилки  работали на гидравлическом приводе, или водяном колесе. Такое же колесо использовалось для приведения в действие кузнечных мехов и молота.
В наши дни практически вся механическая энергия, создаваемая гидравлическими турбинами, преобразуется в электроэнергию. Сегодня гидроэнергетика обеспечивает около 16% мировой электроэнергии.
Гидроэнергетика стала источником электричества в конце 19 века, спустя несколько десятилетий после того, как британо-американский инженер Джеймс Фрэнсис разработал первую современную водяную турбину. В 1882 году в США начала действовать первая в мире гидроэлектростанция на реке Фокс в штате Висконсин.
Гидроэнергетика опирается на водный цикл или круговорот воды в природе. Понимание круговорота воды важно для понимания гидроэнергетики. Водный цикл состоит из трех этапов:

  

Количество осадков, стекающих в водоёмы, определяет количество воды, доступной для производства гидроэнергии. Сезонные колебания осадков и долгосрочные изменения в их характере, такие как засухи, оказывают большое влияние на производство гидроэнергии.
Типичная гидроэлектростанция - это система, состоящая из трех частей: электростанции, на которой производится электричество, плотины, которую можно открывать или закрывать для контроля потока воды, и резервуара, в котором хранится вода. Вода за плотиной протекает через впуск (обычно в виде трубы) и толкает лопасти турбины, заставляя их вращаться. Турбина вращает генератор для производства электроэнергии. Полученное таким образом электричество транспортируется по междугородним линиям электропередачи к домам, фабрикам и предприятиям.
Другие типы гидроэлектростанций используют силу течения, воздействующую на турбину без плотины (например, речные электростанции).
Поскольку источником гидроэлектроэнергии является вода, гидроэлектростанции обычно расположены непосредственно на или рядом с источником воды. Количество вырабатываемой электроэнергии зависит от того, насколько высоко падает вода и сколько воды проходит через систему. Быстро текущая вода в большой реке несет в себе большое количество энергии. Вода, быстро спускающаяся с высокой точки, такой как водопад, также несет существенную энергию в своем потоке.
Китай, Бразилия, Канада, США и Россия - крупнейшие производители гидроэнергии. Самой крупной гравитационной плотинной –гидроэлектростанцией в мире является  гидроэлектростанция «Три ущелья» («Санься»), которая находится на реке Янцзы в Китае. Её мощность составляет 22,5 ГВт, ширина - 2,3 километра, а высота - 185 метров.
Объектом, который  в год генерирует наибольшее количество электроэнергии, является гидроэлектростанция (ГЭС)  Итайпу, расположенная на реке Парана между Бразилией и Парагваем. В 2016 году эта ГЭС стала первой электростанцией в мире, которая произвела за год более 100 млрд кВт/ч электроэнергии. В среднем электричество, вырабатываемое станцией, обеспечивает 16,4% потребления Бразилии и 71,3% Парагвая.

  

Гидроэнергетика имеет как преимущества, так и недостатки. После строительства плотины и установки оборудования источник энергии - текущая вода - становится бесплатным. Это чистый источник энергии, его возобновление зависит от снега и дождя. Гидроэлектростанции могут поставлять большое количество электроэнергии, и их относительно легко регулировать по потребности, контролируя поток воды через турбины.
Таким образом, гидроэнергетика позволяет получать очень дешевую электроэнергию без вредных выбросов в атмосферу (в отличие от сжигания ископаемого топлива). Вода, вращающая гидравлические турбины, чаще всего берется из искусственных водохранилищ, созданных путем перекрытия реки плотиной. Плотина повышает напор воды, поступающей на турбины, и тем самым увеличивает мощность электростанции. Расход воды из водохранилища через турбины можно регулировать. Кроме того, водохранилище служит отстойником для песка, ила и мусора, приносимых естественными водотоками (реками и ручьями). Построив плотину с водохранилищем, можно предотвратить паводковые затопления, а также создать надежный запас воды для водоснабжения населения и промышленности. Крупные водохранилища способствует смягчению климата вблизи них.
Не секрет, что большие плотины разрушают речные экосистемы и места обитания животных и птиц, тем самым нанеся ущерб дикой природе. Не совсем благоприятно строительство плотины сказывается и на человеке. Например, возведение плотины «Трех ущелий»,   защитившей нижележащие деревни от ужасных паводков реки Янцзы и способствовавшей развитию судоходства, привело к переселению примерно 1,2 миллиона человек, затоплению сотни деревень, археологических объектов и огромных площадей плодородных земель.

  

Плотины  не позволяют некоторым видам рыб, таким как лосось, подыматься вверх по течению реки для нереста. В любой плотине предусмотрены рыбопропускные каналы или лестницы, предназначенные для того, чтобы лосось (или иная рыба) мог подниматься и преодолевать плотины, попадать в районы нереста в верхнем течении реки, но, к сожалению, такие меры не всегда эффективны. В некоторых случаях рыбу приходится собирать вокруг препятствий и перевозить через них. Таким образом, наличие плотин гидроэлектростанций часто  изменяет характер миграции и вредит популяции рыб.
Гидроэлектростанции способствуют снижению уровеня растворенного кислорода в воде, что  вредно для обитателей рек.
Изменение климата и засухи оказывают влияние на гидроэлектростанции.
Существует мнение, что органика, которая разлагается в резервуарах гидроэлектростанций, выделяет метан – мощный парниковый газ, способствующий глобальному потеплению. Данное мнение заставляет усомниться в том, что энергия, производимая на гидроэлектростанциях, является зеленой и безуглеродной.
Однако ученые утверждают, что воздействие гидроэлектростанций на окружающую среду может быть смягчено и оставаться низким по сравнению со сжиганием ископаемого топлива. Проводятся масштабные исследования, посвящённые тому, как сделать гидроэнергетические проекты менее вредными по отношению к окружающим экосистемам. Так, например, можно использовать лишь существующие водные потоки. Специальные водозаборы и турбины  содействуют обеспечению вентиляции воды, выходящей из плотины, что решает проблему низкого содержания растворенного кислорода. Необходимо проектировать плотины таким образом, чтобы обеспечить проход рыбы.  
Во всем мире развивается  движение, выступающее за разрушение старых и ненужных  плотин и восстановление естественного состояния рек, их флоры и фауны.

 

Отдельным направлением гидроэнергетики является использование энергии приливов.
Энергия приливов использовалась людьми издавна путем устройства приливных мельниц на побережьях Англии, Франции, Испании, России, Канады, США и других стран. Для этого путём перекрытия плотинами небольших бухт создавался бассейн, где располагались мельничные колеса, приводимые в движение силой воды  в период отлива. Диаметры мельничных колес порой достигали 6 м.
Интересно: В Англии под арками Лондонского моста с 1580 г. в течение 250 лет подобная установка качала пресную воду и тем самым содействовала  водоснабжению.
Особенностью приливных электростанций (ПЭС) является использование ими естественно возобновляемой энергии морских приливов, природа которых связана с приливообразующей силой, возникающей при гравитационном взаимодействии Земли с Луной и Солнцем. Из-за близости Луны к Земле величина прилива под воздействием Луны в 2,2 раза больше солнечного.
Величина прилива определяется разностью уровня воды при максимальном подъеме и минимальном снижении за период прилива. Она может достигать 18 метров.
Интересно: Максимальная величина прилива, составляющая 19,5 м, была зафиксирована в Канаде в заливе Фанди на побережье Атлантического океана.

  

Приливные электростанции строят на берегах морей и океанов, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды.

 

  

ПЭС «Ля Ранс», построенная в эстуарии (широком воронкоподобном устье) реки Ранс (Северная Бретань), имеет большую плотину длиной 800 м. Плотина также служит мостом, по которому проходит высокоскоростная трасса, соединяющая города Св. Мало и Динард. Мощность электростанции составляет 240 МВт. Это единственная в мире крупная приливная электростанция. Она работает с 1967 года.
Другой вариант ПЭС позволяет вообще обходиться без плотины. На дне моря недалеко от берега устанавливаются генераторы с лопастями (наподобие ветряков), которые вращаются движущейся во время приливов/отливов водой. Первая в мире коммерческая приливная электростанция «СиДжен» («SeaGen»), разработанная компанией «Marine Current Turbines» (MCT), установлена в Северной Ирландии в узком морском заливе Странгфорд-Лох, скорость потока воды при приливе и отливе в котором может превышать 4 м/сек., и подключена к национальным энергосетям. Ее мощность 1,2 МВт.

  

В последние десятилетия ведутся широкомасштабные исследования по практическому использованию большого потенциала огромных течений в морях и океанах, например, Гольфстрима, Куросио и др. Однако до сих пор у ученых отсутствуют достаточно обоснованные представления о возможных параметрах использования энергии течений, экологических последствиях, а также практический опыт.
Волновые электростанции
В настоящее время находят практическое применение установки по использованию энергии волн в морях и океанах, суммарная мощность которых по различным методикам оценивается в более чем 100 млрд. кВт.

  

Волны мира могут генерировать 2 тераватта энергии, что примерно в 2 раза превосходит объем всей производимой электроэнергии. Естественно, количество вырабатываемой энергии зависит от силы волн, которая, как известно, непостоянна во времени. Но ресурс, используемый волновой электростанцией, абсолютно возобновляемый.
В разных странах эксплуатируется большое количество навигационных буев, использующих энергию волн. В 1985 г. в Норвегии были введены в строй и подключены к энергосистеме две первые в мире опытно-промышленные волновые электростанции.
Волновые гидроэнергетические установки состоят из трех основных частей: рабочего тела (или водоприемника), силового преобразователя с генератором электроэнергии и системы крепления.
Рабочее тело (твердое, жидкое или газообразное), непосредственно контактируя с водой, перемещается под действием волн или изменяет тем или иным образом условия их распространения. В качестве рабочего тела могут использоваться поплавки, волноприемные камеры, эластичные трубы, волноотбойные сооружения и другие.
Силовой преобразователь предназначен для преобразования энергии, запасенной рабочим телом (механической энергии движения твердого тела, перепада уровней воды в бассейнах, давления воздуха или жидкости), в энергию, пригодную для передачи на расстояние или для непосредственного использования.
Система крепления обеспечивает удержание на месте волновой установки.
В сентябре 2008 года в городке Агусадор (Португалия) для обеспечения местных жителей электроэнергией была введена в строй волновая электростанция. Принцип работы станции прост: волны поднимают и опускают секции преобразователей, а внутренняя гидравлическая система сопротивляется движению, на основе чего вырабатывается электричество, которое по кабелям передается на берег. Мощность станции 2,25 МВт.

  

Гидроэнергетика в Беларуси
В Беларуси насчитывается более 20,8 тысяч рек и ручьев общей протяженностью 90,8 тысяч километров. Их суммарный сток составляет 58 кубических километров. К наиболее крупным рекам относятся Днепр, Неман, Припять, Западная Двина, Сож, Березина.
По центру Беларуси проходит водораздел между бассейнами Балтийского и Черного морей (примерно 45% относится к балтийскому речному стоку и 55% к черноморскому). На  территории нашей страны реки только начинаются, они не так многоводны, поэтому без образования крупных водохранилищ невозможно получить относительно большие мощности на гидроэлектростанциях.
В настоящее время в Беларуси работает более 40 малых ГЭС общей мощностью около 15 000 кВт.
Основной гидроэнергетический потенциал страны сосредоточен на трех реках: Западной Двине, Немане и Днепре. На Западной Двине намечено сооружение каскада из четырех ГЭС: Верхнедвинской, Полоцкой, Бешенковичской и Витебской.
С учетом указанных малых ГЭС общий гидроэнергетический потенциал можно с достаточной степенью достоверности оценить в размере 215 – 220 МВт. Были проведены исследования, которые показали, что для большинства ГЭС количество часов использования максимума установленной мощности составляет примерно 4500 – 5000 час/год.
В течение 2010-х годов региональными компаниями ГПО «Белэнерго» были введены в эксплуатацию три малые гидроэлектростанции на реках Западная Двина и Неман. Их общая мощность составляет 78,75 МВт.
Внедрение возобновляемых источников энергии,  в том числе гидроэнергии, является в настоящее время одним из приоритетных энергетических направлений в Беларуси.