Гидроэнергетика — одно из наиболее эффективных направлений электроэнергетики. А гидроресурсы являются возобновляемым и наиболее экологичным источником энергии, использование которого позволяет снижать выбросы в атмосферу тепловых электростанций и сохранять запасы углеводородного топлива для будущих поколений.
Кроме своего прямого назначения — производства электроэнергии — гидроэнергетика решает дополнительно ряд важнейших для общества и государства задач. Прямая выгода от них включает создание систем питьевого и промышленного водоснабжения, развитие судоходства, создание ирригационных систем в интересах сельского хозяйства, рыборазведение, регулирование стока рек, позволяющее осуществлять борьбу с паводками и наводнениями, обеспечивая безопасность населения. Гидроэнергетика является инфраструктурой для деятельности и развития целого ряда важнейших отраслей экономики и страны в целом. Каждая введенная в эксплуатацию гидроэлектростанция становится точкой роста экономики региона своего расположения, вокруг нее возникают производства, развивается промышленность, создаются новые рабочие места [7].
На территории Российской Федерации сосредоточено около 9% мировых запасов гидроресурсов. В настоящее время на территории России функционируют 15 ГЭС мощностью свыше 1000 МВт, 102 гидроэлектростанции мощностью свыше 100 МВт и одна ГАЭС (Загорская гидроаккумулирующая электростанция).
По установленной мощности гидроагрегатов (около 48 ГВт) и по выработке электроэнергии на гидроэлектростанциях (около 170 млрд кВт*ч/год) Россия занимает пятое место в мире (табл. 1).
Вклад гидроэлектростанций в суммарное производство электроэнергии составляет около 16%.
Таблица 1. Страны, занимающие наибольшую долю в выработке гидроэнергии [6]
|
Выработка электроэнергии в 2010г., млрд. кВт ч |
Выработка электроэнергии в 2011 г., млрд. кВт ч |
Установленная мощность, ГВт |
Доля гидроэнергии в общей выработке электроэнергии в стране, % |
||
|
Китай |
713,8 |
605 |
196,8 |
13,1 |
|
|
Канада |
347,9 |
373,4 |
88,9 |
59,9 |
|
|
Бразилия |
401,1 |
445,7 |
69,0 |
81,9 |
|
|
США |
257,1 |
325,1 |
78,1 |
7,8 |
|
|
Россия |
165 |
168 |
48,1 |
16 |
|
При этом по экономическому потенциалу гидроэнергоресурсов Россия занимает второе место в мире (порядка 852 млрд кВт·ч, после Китая), однако, по степени их освоения — 20 % — уступает практически всем развитым странам и многим развивающимся государствам [7].
Одним из препятствий развития гидроэнергетики является удаленность основной части потенциала, сконцентрированной в центральной и восточной Сибири и на Дальнем Востоке, от основных потребителей электроэнергии (рис. 1).
Наиболее освоен экономический гидроэнергопотенциал в Европейской части России — 46,8%. Существенно ниже освоение гидроэнергопотенциала Сибири — 21,7%. На Востоке России освоение гидроэнергетического потенциала составляет только 3,8% [9].
Самыми крупными ГЭС в России, с установленной мощностью более 2000 МВт, являются Саяно-Шушенская ГЭС с электрической мощностью 6400 МВт (на данный момент продолжаются восстановительные работы после аварии в 2009 году, поэтому еще не вышла на полную мощность), Красноярская ГЭС — 6000 МВт, на которой установлен единственный в России судоподъемник, позволяющий судам проходить через плотину, Братская ГЭС — 4500 МВт, Усть-Илимская ГЭС — 3840 МВт, Богучанская ГЭС — 3000 МВт, Волжская ГЭС — 2541 МВт и Жигулевская ГЭС с мощностью 2300 МВт [2].
Рис. 1. Сравнительный гидроэнергетический потенциал районов России (баллы)
гидроэнергия река гидроэлектростанция освоение
Степень износа оборудования большинства российских гидростанций превышает 40 %, а по некоторым ГЭС этот показатель достигает 70 %, что связано с системной проблемой всей гидроэнергетической отрасли последних пятнадцати лет — ее хроническим недофинансированием [7].
На стадии строительства и проектирования в настоящее время находится несколько гидроэлектростанций, таких как Нижне-Бурейская ГЭС на реке Бурея в Амурской области, Загорская ГАЭС-2 на реке Кунья в Сергиево-Посадском районе Московской области, Усть-Среднеканская ГЭС на реке Колыме в Магаданской области и Зарамагский каскад ГЭС на реке Ардон в Северной Осетии, а также ведется комплексная модернизация на Саратовской ГЭС [5].
К объектам гидроэнергетики также относятся малые ГЭС, которые могут быть построены как на малых и средних реках, так (в отдельных случаях) и на крупных реках при низконапорных гидроузлах неэнергетического назначения или при неполном использовании стока. Малые (1-25 МВт), мини- (100-1000 кВт), микро- (2-100 кВт) и пико-ГЭС (менее 2 кВт) относят к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии.
Интенсивное строительство малых ГЭС велось в СССР в середине прошлого века. К началу пятидесятых годов прошлого столетия действовало 7000 малых ГЭС суммарной мощностью около 2ГВт. Они решали проблемы энергоснабжения малых населенных пунктов, развития сельско-хозяйственного производства. Вместе с тем принятый курс руководства страны в 1950-е годы на развитие крупной централизованно энергетики привел к консервированию или закрытию большинства малых ГЭС, и в настоящее время в стране в эксплуатации находится всего около сотни малых гидроэнергоустановок.
Оценка экономического потенциала малых ГЭС составляет 40 ТВт*ч/год [1].
Современные технологии преобразования энергии водных потоков с помощью небольших гидроэнергетических установок являются подготовленными к экономически эффективному практическому использованию во многих регионах страны. Малая гидроэнергетика является экологически безопасным способом получения электроэнергии. Гидротехнические сооружения небольших ГЭС не подтопляют леса или сельскохозяйственные угодья, не приводя к сносу и переносу населенных пунктов и производственных объектов. Малые ГЭС позволяют сохранить природный ландшафт, окружающую среду в процессе строительства и на этапе эксплуатации. Малые ГЭС только незначительно влияют на миграцию рыб и не оказывают влияния на нерестовый ход.
В настоящее время компанией «РусГидро» и рядом частных компаний, в том числе зарубежных, с участием региональных администраций разрабатываются программы освоения малых гидроэнергетических ресурсов в различных районах России. Наиболее активные работы в этом направлении ведутся на Северном Кавказе: в Дагестане, Северной Осетии, Кабардино-Балкарии и других регионах. Планируется в течение ближайших 2-3 лет восстановить приостановленные и создать десятки новых малых энергоблоков суммарной мощностью более 100МВт.
К объектам гидроэнергетики относятся также гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).
В последнее десятилетие им уделяется повышенное внимание в связи с обострением необходимости сглаживания несоответствий между графиками выработки электроэнергии базовыми электростанциями и потребительского спроса на нее. В ночные часы, провальные по показателю отношения спроса к выработке, ГАЭС закачивают воду в водоемы-накопители, создавая запас потенциальной энергии, в пиковые — расходуют запасенную потенциальную энергию, покрывая повышенную потребность в электроэнергии. ГАЭС используют в своей работе либо комплекс генераторов и насосов, либо обратимые гидроэлектроагрегаты, которые способны работать как в режиме генераторов, так и в режиме насосов.
Экономическая эффективность ГАЭС определяется тем, что они потребляют дешевую «провальную» электрическую энергию для работы насосов и выдают в сеть дорогую «пиковую» электроэнергию, обеспечивая повышение эффективности использования других маломаневренных мощностей, так и надежность энергоснабжения потребителей.
Средний КПД ГАЭС с учетом потерь в электрических сетях составляет 66%. Под Москвой действует Загорская ГАЭС мощностью 1200/1320 МВт (в турбинном или насосном режимах).
В 2007 году начато строительство Загорской ГАЭС-2 мощностью 840/1000 МВт, в стадии проектирования и предпроектных проработок находятся Зеленчукская ГЭС-ГАЭС, Ленинградская ГАЭС на реке Шапше (1560/1760 МВт), Владимирская ГАЭС на реке Клязьма (1000/1100 МВт), волоколамская ГАЭС на реке Сестра (800/900 Мвт), Центральная ГАЭС на реке Тудовка (3640/3820 МВт) [9].
Гидроэлектростанции считаются более безопасными с точки зрения экологии, по сравнению с другими типами электростанций. Но при этом и они не лишены полностью негативных сторон.
В результате строительства гидроузлов создаются водохранилища, которые изменяют естественный гидрологический режим реки и другие, связанные с ним природные процессы: гидрохимический, гидробиологический, термический твердый сток в водохранилище и в нижнем бьефе гидроузла.
Различают прямое и косвенное воздействие водохранилищ на окружающую природу. Прямое воздействие проявляется прежде всего в постоянном и временном затоплении и подтоплении земель. Большая часть этих территорий относится к высокопродуктивным сельскохозяйственным и лесным угодьям. Так, доля сельскохозяйственных земель, затопленных водохранилищами Волжско-Камского каскада ГЭС, составляет 48% всей затопленной территории, причем некоторые из них расположены в пойменной зоне, отличающейся высоким плодородием. Около 38% затопленных земель составили леса и кустарники. В пустынной и полупустынной зонах три четверти всех затопленных земель приходится на пастбища.
Косвенные воздействия водохранилищ на окружающую среду изучены не так полно, как прямые, но некоторые формы их проявления очевидны и сейчас. Так обстоит дело, например с изменением климата, проявляющимся в зоне влияния водохранилища в повышении влажности воздуха и образовании довольно частых туманов, уменьшении облачности в дневное время над акваторией и уменьшении там среднегодовых сумм осадков, изменении направления и скорости ветра, уменьшении амплитуды колебания температуры воздуха в течение суток и года.
Опыт эксплуатации отечественных водохранилищ показывает также, что количество осадков в прибрежной зоне заметно увеличивается, а среднегодовая температура воздуха в зоне крупных южных водохранилищ несколько снижается. Наблюдаются изменения и других метеорологических показателей.
Изменение климата вместе с подтоплением и переформированием берегов иногда ведет к ухудшению состояния прибрежной древесной растительности и даже ее гибели [4].
Влияние водохранилищ также сказывается на изменении гидрологического режима рек. Так в водохранилищах, по сравнению с реками, снижен водообмен.
С уменьшением скоростей течения в водохранилищах, по сравнению с реками, происходит отложение почти всех влекомых по дну рек наносов и значительной доли взвешенных твердых частиц. В среднем в водохранилищах задерживается 90-95 % донных и взвешенных наносов, что приводит к их заилению.
Гидрохимический режим водохранилищ формируется под влиянием процессов, происходящих на водосборе, в береговой зоне и в самом водоеме. В водохранилищах минерализация увеличивается, иногда существенно. Кислородный режим в малопроточных и глубоких водохранилищах ухудшается по сравнению с рекой — содержание растворенного кислорода у дна снижается до долей миллиграмма на литр.
На кислородный режим водохранилищ, расположенных в умеренной и северных зонах оказывает ледовый покров. Существенно ухудшается кислородный режим в районах скопления отмерших масс сине-зеленых водорослей и высшей водной растительности.
Наиболее благополучен кислородный режим в горных водохранилищах, где содержание кислорода не падает ниже 70 %.
Для гидробиологического режима водохранилищ характерно, что в целом количество биогенных веществ и скорость их кругооборота (кроме железа и кремния) увеличиваются по сравнению с рекой, особенно возрастает (на один-два порядка) амплитуда колебаний биогенных веществ. Биогенный сток водохранилищ по сравнению с рекой увеличивается (кроме соединений железа).
По термическому режиму водохранилища отличаются от рек неоднородностью температуры воды по длине, ширине и глубине, достигающей в отдельные периоды 10 °С.
Роль водохранилищ в формировании качества воды неоднозначна. На улучшение качества воды в водохранилищах по сравнению с рекой решающее влияние оказывают процессы самоочищения, усиливающиеся за счет седиментации, отстоя, разбавления, разрушения органических веществ. Замедление водообмена и явления термической и кислородной стратификации и развитие органической жизни вызывают ухудшение качества воды при усиленном антропогенном воздействии на водоемы. В целом водохранилища более уязвимы для загрязнений, чем реки.
Изменения гидрологического режима рек ниже гидроузлов иногда проявляются на многих сотнях километров. Например, регулирующее влияние водохранилища Волжской ГЭС им. Ленина сказывается на всем протяжении более чем 1000-километрового участка р. Волги от гидроузла до ее устья и т. д. Резкие колебания суточных и недельных расходов и уровней воды довольно быстро уменьшаются по течению реки, распространяясь обычно лишь на несколько десятков километров вниз от гидроузла. При многолетнем и сезонном регулировании стока происходит его выравнивание, т. е. значительно уменьшаются расходы, поступающие ниже гидроузла в паводковый период, увеличиваются, как правило, расходы в летне-осенний и особенно в зимний период.
Преобразование гидрологического режима рек водохранилищами и внутриводоемные процессы меняют гидрохимический и гидробиологический режимы ниже гидроузла. Отличительной чертой нового режима в нижних бьефах гидроузлов является перераспределение стока веществ по периодам года в общее выравнивание его в годовом разрезе. Закономерно также увеличение в зарегулированном стоке доли растворимых веществ. Общее количество годового ионного стока практически осталось прежним, а внутригодовое распределение соответствует распределению водного стока.
Характерной особенностью влияния зарегулированного стока на термический режим ниже подпорного сооружения является понижение температуры воды в весенне-летний период и повышение осенью и зимой при общем уменьшении амплитуд ее колебаний в годовом разрезе.
Меняется и ледовый режим в нижнем бьефе: он отличается более поздним образованием ледового покрова, возникновением непосредственно ниже гидроузла незамерзающего участка — полыньи (майны) и другими особенностями. Вода, сбрасываемая в нижний бьеф, в значительной степени освобождена от внесенных загрязнений.
К косвенным воздействиям водохранилищ следует отнести также появление территорий, которые становятся менее пригодными для использования в хозяйственных целях (например, острова в верхнем бьефе, осуходоленные поймы в нижнем бьефе и др.).
Нельзя также не отметить влияния создания водохранилищ на рыбное хозяйство — сооружение плотины ГЭС препятствует проходу рыбы к местам нерестилищ. В следствии этого происходит сокращение рыбных популяций.
Экологическое преимущество заключается в том, что гидроэлектростанция — одна из самых чистых типов электростанций в плане влияния на окружающей среду. Гидроэлектростанция не загрязняет атмосферу, не выбрасывает в воздух, как ТЭС, огромное количество вредных газообразных выбросов. Воздух вокруг ГЭС всегда чистый. Также гидроэлектростанции не выделяют радиации, как ТЭС и АЭС. ГЭС не вырабатывает тепла, и не происходит тепловое загрязнение гидросферы и атмосферы. Также ГЭС не сбрасывает сточные воды в водоемы. Пожалуй, главным достоинством использования ГЭС является то, что гидроэлектростанция может работать только на возобновляемом природном ресурсе — воде. А вода, мало того, что является возобновляемым источником энергии, так еще и практически неисчерпаемым.
Положительное значение водохранилищ как регуляторов стока распространяется на территории значительно большие, чем те, на которых оно располагается. Так, энергетический эффект регулирования стока проявляется не только в тех энергосистемах, в которых работает данная ГЭС, но при достаточно высокой ее мощности и в их объединениях. Орошение земель и защита плодородных угодий от наводнений, осуществляемые с помощью водохранилищ ГЭС, охватывают площади, в ряде случаев значительно превышающие площади затоплений [3].
Чтобы увидеть крупнейшую гидроэлектростанцию в Европе, совершенно не обязательно получать Шенгенскую визу и бежать в банк, чтобы обменять рубли на евро. Крупнейшая гидроэлектростанция Европы и Волжско-Камского каскада, а также одна из крупнейших в России, находится на реке Волга, соединяя собой два города: Волгоград и Волжский.
Строительство Волжской, или Сталинской, ГЭС началось в 1950, закончилось в 1961 году. ГЭС является средненапорной гидроэлектростанцией руслового типа. В декабре 1959 года впервые была введена в эксплуатацию высоковольтная линия электропередачи напряжением 500кВ «Сталинград—Москва». Впервые в мировой практике была построена, испытана и сдана в промышленную эксплуатацию ЛЭП постоянного тока 800кВ «Волгоград—Донбасс». После ввода в постоянную эксплуатацию Волжская ГЭС стала испытательным полигоном электротехнического и гидромеханического оборудования для строившихся в 60-70 годы сибирских и зарубежных гидростанций.
Первый гидроагрегат был пущен 22 декабря 1958 года. А уже в 1961 году состоялся торжественный пуск Волжской ГЭС.
ГЭС поражает своими масштабами и объёмом строительства. Полный состав гидротехнических сооружений включает в себя здание ГЭС совмещенного типа с сороудерживающими сооружениями длиной 736 м, бетонную водосливную плотину длиной 725 м, наибольшей высотой 44 м с грязеспуском и рыбоподъемником, правобережную русловую грунтовую плотину длиной 3250м с наибольшей высотой 47 м и пойменную левобережную грунтовую плотину, разрезанную шлюзами на два участка и два параллельных двухкамерных шлюза с низовым подходным каналом.
Напорные сооружения ГЭС, с общей длиной напорного фронта 4,9 км, образуют крупное Волгоградское водохранилище, которое раскинулось на площади более 3000 км2 и используется в интересах различных водопотребителей и водопользователей, основными из них являются энергетика, водный транспорт, водоснабжение, рыбное хозяйство, сельское хозяйство. Это водохранилище — суточного регулирования с недельным циклом. Недельное и суточное регулирование стока Волги является особенностью энергетических режимов Волжской ГЭС, которая используется для покрытия пиковых нагрузок электроэнергии и регулирования частоты.
Ввод в эксплуатацию Волжской ГЭС сыграл решающую роль в энергоснабжении Нижнего Поволжья и Донбасса, а также объединении между собой крупных энергосистем Центра, Поволжья и Юга. Экономический район Нижнего Поволжья также получил мощную энергетическую базу для дальнейшего развития народного хозяйства. Важную роль играет ГЭС и в создании глубоководного пути на всем протяжении Нижней Волги — от Саратова до Астрахани. По гидроузлу проложены постоянные железнодорожные и автомобильные переходы через Волгу. Они обеспечивают кратчайшую связь районов Поволжья между собой. Кроме своей основной функции — выработки электроэнергии — Волжская ГЭС создаёт возможность для орошения и обводнения больших массивов засушливых земель Заволжья.
Первоначально мощность ГЭС составляла 2563МВт, однако 2 гидроагрегата мощностью по 11 МВт в настоящее время не эксплуатируются. Оборудование ГЭС устарело, проводится его замена и модернизация. К апрелю 2006г. модернизировано 9 гидроагрегатов — заменены турбины и часть электрооборудования. Полностью модернизацию планируется завершить в 2015 году.
С экологической точки зрения, плотина Волжской ГЭС, являясь нижней ступенью каскада, перекрывает путь на нерест проходным рыбам Каспийского моря. Особенно страдают белуга, русский осётр, белорыбица, волжская сельдь. Для поддержания их поголовья применяется искусственное рыборазведение. Построенный рыбоподъёмник оказался недостаточно эффективным (так, с 1962 по 1967 через плотину Волжской ГЭС осетровых пропускалось от 17 до 67 тысяч особей в год, сельдевых — от 435 до 1228 тысяч в год, кроме того, проходило также много сомов, сазанов, судаков, лещей и других рыб; однако это не более 15 % от необходимого).
Меньше страдают виды, нерестящиеся ниже плотины ГЭС, например, севрюга и вобла. Также ухудшились условия воспроизводства рыб и в результате перераспределения стока — впрочем, здесь виноват весь Волжско-Камский каскад ГЭС.
Как и другие крупные равнинные ГЭС, Волжская гидроэлектростанция критикуется за большие потери земель в результате затопления, подтопления и переработки берегов [8].
Российская Федерация обладает значительным гидроэнергетическим потенциалом и возможностями для дальнейшего развития ГЭС.
Преимуществом гидроэнергетики является отсутствие топливной составляющей в производстве электроэнергии, так как ГЭС способствует снижению зависимости стоимости электроэнергии от изменения стоимости органического топлива, а также то, что для производства электроэнергии ГЭС используют возобновляемые источники энергии, что способствует глобальным усилиям в борьбе за сокращение выбросов парниковых газов.
Государственная политика в сфере использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на период до 2030 года предусматривает принятие мер по поддержке данного направления и созданию благоприятных условий для привлечения инвестиций.
Мировой опыт свидетельствует о тенденции максимального освоения гидропотенциала даже при наличии других энергоресурсов. Ярким примером является Норвегия, обладающая крупными запасами природного газа, электроэнергетика которой почти на 100% базируется на ГЭС. Другой пример — во многом схожая с Россией по природным условиям Канада, обеспечивающая на ГЭС более 60% выработки электроэнергии [7].
1. Асарин А.Е. Развитие гидроэнергетики России // Гидротехническое строительство. — 2003. — №1. — С. 2-6.
2. Беляков Е. 10 крупнейших ГЭС России // Комсомольская правда. URL: http://www.kp.ru/daily/25963/2902571/ (дата обращения 7.12.2014).
3. Влияние гидроэлектростанций на водные ресурсы. URL: http://esis-kgeu.ru/ecology/220-ecology (дата обращения 9.12.2014).
4. Гидроэлектростанции и окружающая среда. URL: (дата обращения 9.12.2014).
5. Крупные российские проекты (строящиеся).
URL: http://ruxpert.ru/%D0%9A%D1%80%D1%83%D0%BF%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%8B_%28%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%8F%D1%89%D0%B8%D0%B5%D1%81%D1%8F%29#.D0.93.D0.B8.D0.B4.D1.80.D0.BE.D1.8D.D0.BD.D0.B5.D1.80.D0.B3.D0.B5.D1.82.D0.B8.D0.BA.D0.B0 (дата обращения 9.12.2014).
6. Обзор «Гидроэнергетика России 2011-2016: инвестиционные проекты и описание генерирующих компаний». URL: http://www.mashportal.ru/Portals/0/Research/Гидроэнергетика_2011-2016_Демоверсия.pdf (дата обращения 7.12.2014).
7. РусГидро. URL: http://www.rushydro.ru/industry/russianhydropower/ (дата обращения 6.12.2014).
8. Филиал ОАО «РусГидро» — «Волжская ГЭС». URL: http://www.yug.so-ups.ru/Page.aspx?IdP=648 (дата обращения 9.12.2014).
9. Фортов В.Е., Попель О.С. Энергетика в современном мире. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. — С. 79-85.
