Теория:

Гидроэнергетика - это преобразование энергии движущейся воды.
Гидроэлектростанция вырабатывает электричество, получаемое от генераторов, приводимых в движение турбинами, которые преобразуют потенциальную энергию падения воды или кинетическую энергию ее быстрого течения в механическую энергию. Падающая вода вращает лопасти турбины, которая затем вращает генератор, который преобразует механическую энергию вращающейся турбины в электрическую энергию. В начале 21-го века гидроэнергетика была наиболее широко используемой формой возобновляемой энергии, а в 2019 году на него приходилось более 18% мировых мощностей по производству электроэнергии.
Гидроэнергия - чистая энергия с низким уровнем выбросов парниковых газов. Выбросы парниковых газов в данном случае происходят главным образом из-за использования цемента для строительства платины (в зависимости от типа цемента и способа его производства), а также в виде метана в течение первых лет заполнения резервуаров гидроэлектростанции в тропических районах. Однако эти выбросы незначительны.
Человечество имеет долгую историю использования силы воды, текущей в ручьях и реках, для производства механической энергии. Гидроэнергетика была одним из первых источников энергии, используемых для производства механической и электрической энергии.
Гидроэнергетика использовалась тысячи лет назад для вращения лопастных колес водяных мельниц, помогая размолоть зерно. Люди веками использовали энергию речных течений, используя водяные колеса, вращающиеся в руслах рек, для обработки зерна и ткани. Старейшие лесопилки тоже 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.
1.png
Рис. Вода приводит в движение колесо
 
Гидроэнергетика связана с круговоротом воды в природе. Водный цикл состоит из трех этапов:
  1. Солнечная энергия нагревает воду на поверхности рек, озер и океанов, в результате чего вода испаряется.
  2. Водяной пар конденсируется в облака и выпадает в виде осадков - дождя и снега.
  3. Осадки стекают в ручьи и реки, которые затем впадают в океаны и озера, где испаряются и снова начинают цикл.
2.png
Рис. Круговорот воды в природе
 
Количество осадков, которые стекают в реки и ручьи в географической области, определяет количество воды, доступной для производства гидроэнергии. Сезонные колебания осадков и долгосрочные изменения в характере осадков, такие как засухи, оказывают большое влияние на производство гидроэнергии.
При выработке гидроэлектроэнергии вода собирается или хранится на более высоком уровне и направляется вниз через большие водосточные трубы к более низкому уровню; разница этих двух уровней имеет большое значение. В конце прохождения по трубам, падающая вода заставляет турбины вращаться. Турбины по очереди приводят в движение генераторы, которые преобразуют механическую энергию турбин в электричество. Затем используются трансформаторы для преобразования переменного напряжения, получаемого от генераторов, в более высокое напряжение, подходящее для передачи электроэнергии на большие расстояния. Затем электричество может транспортироваться по междугородним линиям электропередачи к домам, фабрикам и предприятиям. Сама структура, в которой расположены турбины и генераторы и в которую подается под напором вода, называется электростанция.
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. 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.
Гидроэлектростанции обычно имеют плотины, которые заполняются реками, таким образом поднимая уровень воды перед плотиной и создавая настолько большой перепад высот, насколько это возможно. Потенциальная мощность, которая может быть получена из объема воды, прямо пропорциональна этому перепаду высот, поэтому для установки с высоким напором требуется меньший объем воды, чем для установки с низким напором, для выработки равного количества энергии. Иногда электростанция может быть построена на одной части плотины, а другая ее часть может использоваться в качестве водосброса, через который излишки воды сбрасываются во время наводнения. В тех местах, где река течет в узком крутом ущелье, электростанция может находиться внутри самой плотины.
3.png
Рис. Плотина в горном ущелье
 
Крупнейшими производителями гидроэнергии в мире являются Китай, Бразилия, Канада, США и Россия. Крупнейшая в мире гравитационная плотинная гидроэлектростанция - это «Три ущелья» («Санься»), которая находится на реке Янцзы в Китае, мощностью 22,5 ГВт. Ее ширина составляет 2,3 километра, а высота 185 метров. Объектом, который фактически генерирует наибольшее количество электроэнергии в год, является гидроэлектростанция 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.
 
4.png
Рис. Плотина Итайпу.
 
Гидроэнергетика имеет ряд преимуществ.
  • Гидроэнергетика является возобновляемым источником энергии.
Гидроэнергетика использует энергию текущей воды для производства электроэнергии, не уменьшая при этом ее количество. Таким образом, гидроэлектростанции, малых или больших размеров, будь то речные или приливные, соответствуют концепции использования возобновляемых источников энергии.
  • Гидроэнергетика делает возможным использование других возобновляемых источников.
 Гидроэлектростанции с накопительными резервуарами предлагают несравненную гибкость в эксплуатации, поскольку они могут немедленно реагировать на колебания спроса на электроэнергию. Гибкость мощности и емкость водохранилищ гидроэлектростанций делают их более эффективными и экономичными в поддержке использования других непостоянных возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия.
  • Гидроэлектроэнергия способствует энергетической и ценовой стабильности.
Речная вода является внутренним ресурсом страны, который, в отличие от топлива или природного газа, не подвержен рыночным колебаниям.
  • Гидроэлектростанция способствует хранению питьевой воды.
Водохранилища гидроэлектростанции собирают дождевую воду, которая затем может быть использована для потребления или для орошения полей. Водохранилища защищают грунтовые воды от истощения и снижают нашу уязвимость к наводнениям и засухам.
  • Гидроэлектростанция повышает стабильность и надежность систем электроснабжения.
Работа электрических систем зависит от быстрых и гибких источников генерации энергии для удовлетворения пиковых потребностей, поддержания необходимого уровня напряжения в системе и быстрого восстановления питания после отключения. Энергия, генерируемая гидроэлектростанциями, может быть введена в электроэнергетическую систему быстрее, чем любой другой источник энергии. Способность гидроэлектрических систем быстро достигать максимальной выработки с нуля делает их исключительно подходящими для сглаживания колебаний в потреблении, таким образом поддерживая баланс между спросом и предложением электроэнергии.
  • Гидроэнергетика помогает бороться с изменениями климата.
Гидроэлектростанции в течение всего срока своей эксплуатации производят очень небольшое количество парниковых газов (ПГ). Выделяя меньше ПГ, чем электростанции, работающие на газе, угле или нефти, гидроэлектростанции помогают замедлить глобальное потепление. Хотя на текущий момент используется только 33% имеющегося гидроэнергетического потенциала, уже сейчас гидроэнергетика предотвращает выброс парниковых газов, в объеме, эквивалентном сжиганию 4,4 млн баррелей нефти в день во всем мире.
  • Гидроэнергетика улучшает воздух, которым мы дышим.
Гидроэлектростанции не выделяют загрязняющих веществ в воздух. Они очень часто заменяют сжигание ископаемого топлива, тем самым уменьшая кислотные дожди и смог.
  • Гидроэнергетика производит чистую и дешевую энергию сейчас и продолжит это делать для будущих поколений.
Гидроэлектростанции со средним сроком службы от 50 до 100 лет являются долгосрочными инвестициями, которые могут принести пользу будущим поколениям. Они могут быть легко модернизированы для использования более современных технологий и имеют низкие эксплуатационные расходы.
Но не смотря на плюсы, строительство больших плотин может разрушать речные экосистемы и окружающие места обитания животных и птиц, тем самым нанося ущерб дикой природе. Например, несмотря на защиту нижележащих деревень от ужасных паводков реки Янцзы и развития судоходства, создание плотины Трех ущелий привело к переселению примерно 1,2 миллиона человек, были затоплены сотни деревень, археологических объектов и огромные площади плодородных земель.
5.png
Рис. Плотина Трех ущелий
 
Плотины также не позволяют некоторым видам рыб, таким как лосось, подыматься вверх по течению реки для нереста. Хотя такое оборудование, как рыбопропускные каналы или лестницы, предназначено для того, чтобы лосось мог подниматься и преодолевать плотины и попадать в районы нереста в верхнем течении реки, такие меры не всегда эффективны. В некоторых случаях рыба собирается и перевозится вокруг препятствий. Тем не менее, наличие плотин гидроэлектростанций часто может изменить характер миграции и повредить популяции рыб.
Гидроэлектростанции также могут снижать уровень растворенного кислорода в воде, что вредно для обитателей рек.
Изменение климата и засухи также оказывают негативное влияние на гидроэнергетику в мире.
Однако ученые утверждают, что воздействие гидроэлектростанций на окружающую среду может быть смягчено и оставаться низким по сравнению со сжиганием ископаемого топлива. Так например, можно использовать существующие водные потоки. Специальные водозаборы и турбины могут помочь обеспечить лучшую вентиляцию воды, выходящей из плотины, для решения проблемы низкого содержания растворенного кислорода. Можно также проектировать платины таким образом, чтобы обеспечить проход рыбы. Кроме того, продолжаются исследования как сделать гидроэнергетические проекты менее вредными по отношению к окружающим экосистемам.
Во всем мире набирает обороты движение за разрушение старых и не нужных более плотин, с целью восстановления большего количества естественных рек. Такая деятельность может принести множество преимуществ как дикой природе, так и людям.
Отдельным направлением гидроэнергетики является использование энергии приливов.
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
6.png
 Рис. Отлив
  
Приливные электростанции строят на берегах морей и океанов, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды.
В приливных электростанциях обычно предусматривается создание двух бассейнов – верхового и низового – с водопропускными отверстиями и затворами. Верховой бассейн наполняется во время прилива, а затем сливается в низовой, опорожнившийся при отливе. Для создания экономичной приливной электростанции необходимо наличие необычайно большого перепада уровней при приливе и отливе (6 м и более) а также большой территории береговой линии (желательно с контуром в форме залива), позволяющей создать плотину и водный бассейн соответствующих размеров. На нашей планете не так много мест, где выполняются эти условия: территория побережья на границе США и Канады, некоторые заливы Желтого моря, Персидский залив, Аляска, некоторые места Аргентины, юг Англии, север Франции, север европейской России и ряд заливов Австралии. Но даже в таких подходящих местах приливные электростанции в настоящее время вряд ли могли бы по стоимости вырабатываемой электроэнергии конкурировать с современными ТЭС.
7.png
Рис. Первая в мире и крупнейшая в Европе приливная электростанция «Ля Ранс», Франция
 
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 водой во время приливов/отливов. 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. Она подключена к национальным энергосетям, ее мощность 1,2 МВт.
8.png9.png
Рис. приливная электростанция в Северной Ирландии
 
В последние десятилетия ведутся широкомасштабные исследования по практическому использованию большого потенциала течений в морях и океанах, которые подразделяют на непериодические, муссонные (пассатные) и приливно-отливные. Из них в первую очередь рассматривается возможность использования энергии главных непериодических течений (Гольфстрим, Куросио и др.), суммарный энергетический потенциал которых по разным методикам оценивается от 5 до 300 млрд. кВт. Такие резкие расхождения в оценках можно объяснить различиями в методиках расчета, отсутствием достаточно обоснованных представлений о возможных параметрах использования энергии течений, экологических последствиях, а также отсутствием практического опыта.
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.
10.png
Рис. Океанские волны
 
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.
11.png
Рис. Волновая электростанция в районе г. Агусадор (Португалия)
  
Гидроэнергетика в Беларуси
В Беларуси насчитывается более 20,8 тысячи рек и ручьев общей протяженностью 90,8 тысячи 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 нашей территории 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 установленной 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.
Внедрение возобновляемых источников энергии, и в том числе, гидроэнергии, является в настоящее время одним из приоритетных энергетических направлений в Беларуси.