Гидроэнергетика: Что это такое и как она работает?

Гидроэнергетика - один из старейших источников энергии на планете. Более 2000 лет назад в Древней Греции водоподъемные колеса использовались для механических задач: с их помощью мололи зерно, пилили древесину, работали текстильные мастерские и иные мануфактуры. Сегодня гидроэнергетика вырабатывает более 16% всего электричества на планете.

Гидроэнергетика - это отрасль энергетики, которая использует энергию движения воды для производства электроэнергии, являясь одним из старейших и наиболее эффективных способов получения электроэнергии.

Гидроэлектроэнергия является возобновляемой энергией, которая преобразует движение больших водоемов в электричество. Чтобы увеличить этот потенциал, вдоль рек строятся плотины, водохранилища и водоводы.

Вода - один из древнейших источников энергии, который начал использовать человек. На протяжении тысячелетий гидроэнергия использовалась для орошения и работы различных механических устройств, таких как водяные мельницы, лесопилки, доковые краны и лифты.

Мощность гидроэнергетики сильно выросла в течение 20-го века, и до конца этого века она была единственным значительным возобновляемым источником электроэнергии. В настоящее время гидроэлектроэнергия - это наиболее широко используемая форма возобновляемой энергии, ее вклад более чем в два раза превышает долю всех других возобновляемых источников вместе взятых. На долю гидроэнергетики приходится от 16 до 17 % мирового производства электроэнергии, но в некоторых странах этот показатель намного выше.

Гидроэлектроэнергия производится в 150 странах, при этом Азиатско-Тихоокеанский регион вырабатывает 32 процента мировой гидроэлектроэнергии. Крупнейшими производителями гидроэнергии являются Китай, Канада, Бразилия и США. Существует семь гидроэлектростанций мощностью более 10 ГВт. Гидроэлектростанции позволяют производить энергию быстро и с незначительными затратами, так как сырье для них, то есть вода, практически бесплатна. По-прежнему существует большой потенциал для дальнейшего развития, поскольку использовано менее 25% ее технического потенциала.

Как работает ГЭС?

ГЭС используют потоки воды для производства электроэнергии. Для выработки электроэнергии с помощью воды необходимо создать напор. Сильный поток воды направляется в трубы под названием напорный трубопровод ГЭС. Трубопроводы соединены с турбинами, которые, вращаясь, трансформируют гравитационную энергию в электрическую (турбины приводят в действие генераторы).

Гидроэлектростанции (ГЭС) вырабатывают электроэнергию, используя силу воды, которая попадает в турбины и вращает вал. Вращая валы турбин, потенциальная энергия воды превращается в кинетическую энергию. Вал от турбины соединен с генератором.

Воду для использования на гидроэлектростанциях можно получить построив плотину на крупной реке. Вода хранится за плотиной в больших резервуарах и может поступать на гребные винты турбин через водозабор плотины.

Инфографика работы ГЭС

Генерация гидроэлектроэнергии влечет за собой преобразование потенциальной энергии объема воды, находящегося на определенной высоте, в кинетическую энергию в гидротурбине и преобразование механической энергии в электрическую в электрическом генераторе.

Основные элементы ГЭС:

• Дамба - это главный элемент ГЭС, который создает водохранилище, накапливающее воду для использования в процессе производства электроэнергии.
• Водозабор - это специальное сооружение на дамбе, которое используется для отбора воды из водохранилища.
• Турбина - это механизм, который используется для преобразования энергии движения воды во механическую энергию.
• Генератор - является основным компонентом, который используется для производства электрической энергии на ГЭС. Генератор состоит из двух основных частей - статора и ротора. Статор - это неподвижный элемент генератора, который содержит катушки провода.
• Трансформатор - это устройство, которое используется для изменения напряжения электрической энергии.
• Линии электропередачи - это коммуникационные линии, которые используются для передачи электрической энергии от ГЭС к потребителям.

Гидроэнергетика зависит от конкретного места, поэтому каждый проект будет уникальным.

Типы гидроэлектростанций:

• Русловые гидроэлектростанции, использующие естественный сток реки.
• Электростанции с системами хранения, которые аналогичны резервуарам, но позволяют хранить энергию в часы наибольшего спроса.

С точки зрения генерирующей мощности наиболее важными являются крупные электростанции. Русловые станции легче всего построить и они наименее разрушительны, но плотинные накапливают энергию и поэтому гораздо более гибки в том, как ее можно использовать.

Насосные станции отвечают за возврат к плотине или верхнему водохранилищу воды, которая была сброшена из турбин в резервуар, построенный в нижней части станции. Таким образом, можно накапливать избыточную энергию, производимую тепловыми и атомными электростанциями, которые сталкиваются с определенными трудностями в управлении выходной мощностью.

На ГЭС применяются различные системы и устройства их контроля, управления и защиты в зависимости от применяемой техники и предусмотренных параметров работы. Небольшие гидроэлектростанции (менее 5 МВА), как правило, используют асинхронные генераторы.

Накопление воды на ГЭС основано на перекрытии первоначального стока плотиной или плотиной. Это ограничит свободный поток через канал. Строительство плотины, конечно, возможно только в местах с подходящим грунтом и достаточно профилированными берегами исходного русла.

Каждая плотина ГЭС должна иметь предохранительные водосбросы ниже уровня ее кровли для защиты ее конструкции в случае наводнения. В последние десятилетия наиболее перспективным материалом для строительства плотин считается бетон. Он прочен, хорошо формуется, водостоек и имеет достаточно долгий срок службы.

Самые старые плотины датируются примерно 3-м тысячелетием до нашей эры в ближневосточном регионе. Исторические насыпи представляли собой в основном сооружения, сочетающие каменную кладку с двусторонней земляной насыпью или земляным ядром, укрепленным с обеих сторон камнями.

Во времена Римской империи строители уже строили большие плотины, снабжающие населенные пункты водой в засушливый сезон. Хотя римляне знали и строили передовые типы дамб, только во время промышленной революции 19 века технические навыки и современные строительные материалы были использованы для строительства первых больших арочных дамб, какими мы их знаем сегодня.

Эпоха крупных гидротехнических сооружений началась в начале 20 века со строительства Асуанской плотины на Ниле, а затем великой плотины Гувера на реке Колорадо. Со временем по всему миру были сооружены дамбы для плотин различных размеров, и к концу 20 века было зафиксировано более 40 000 дамб высотой более 15 метров.

По сравнению с более тонкими и длинными генераторами, связанными с паровыми турбинами на угольных электростанциях, гидрогенераторы имеют значительно больший диаметр и меньшую осевую длину. Особенностью гидрогенераторов является меньшая скорость вращения и связанное с этим большее количество полюсов. На основе электромагнитной индукции в обмотках статора создается синусоидальное переменное напряжение, при этом в случае трехфазного соединения обмотки смещены друг относительно друга на 120°.

Генераторы на гидроэлектростанциях (гидрогенераторы) относятся к тихоходным машинам - частота их вращения колеблется от сотни до примерно 1500 об/мин. Каждый полюс состоит из сердечника и катушки возбуждения. Подача постоянного тока на катушку создает магнитное поле, которое вращается вместе с полюсом. Обмотки питаются постоянным током от возбудителя через контактные кольца на роторе генератора. Их роторы имеют диаметр до 15 метров, а обмотки в основном имеют воздушное охлаждение.

Малая гидроэнергетика является многообещающим возобновляемым источником энергии, но она имеет высокую стоимость установки и может неблагоприятно воздействовать на местную дикую природу. Малые ГЭС используют энергетический потенциал более мелких водотоков. Конструкция малой ГЭС должна быть гибкой и прочной, так как она должна выдерживать сезонные колебания погоды.

Типы гидроэлектростанций по высоте дамбы:

• Высокие дамбы: такие ГЭС имеют высокую бетонную или земляную дамбу, которая создает большое водохранилище за ней.
• Низкие дамбы: такие ГЭС имеют низкую дамбу, которая создает мелкое водохранилище за ней.
• Бездамбовые ГЭС: такие ГЭС не имеют дамбы, а используют специальные устройства, такие как приплывные платформы или плавучие барьеры, для создания водохранилища.

Типы гидроэлектростанций по типу используемых турбин:

• Турбины типа Пропеллер: Эти турбины имеют прямую ось и используются для работы на низких напорах.

Кроме того, на ГЭС могут использоваться и другие типы турбин, такие как горизонтальные валовые турбины или вертикально-осевые турбины.

Типы гидроэлектростанций по режиму работы:

• Базовые ГЭС: такие ГЭС предназначены для постоянного обеспечения потребителей электроэнергией без значительных колебаний в выработке.
• Регулирующие ГЭС: такие ГЭС используются для регулирования нагрузки на энергосистему в зависимости от изменений спроса на электроэнергию.
• Пиковые ГЭС: такие ГЭС предназначены для доставки дополнительной электроэнергии в периоды пикового спроса, например, в периоды холодов или жары.

Преимущества и недостатки гидроэнергетики

Гидроэлектростанции не загрязняют воздух, насыщают потоки воды кислородом, не требуют топлива, безотходны и в высшей степени безопасны. Гидроэлектростанции могут использоваться для накопления энергии из других источников, например солнечной или ветряной энергии.

Накопительные баки гидроэлектростанций улучшают качество воды, служат источником забора технической воды и воды, предназначенной для орошения и очистки, в питьевую воду. Обладая способностью удерживать воду, они снижают риск наводнений, наоборот, в случае засухи увеличивают минимальный сток и улучшают условия плавания по рекам.

Некоторые эксплуатационные характеристики гидроэлектростанций представляют особый интерес. Эти установки отличаются быстрой реакцией на запуск, время запуска составляет всего несколько секунд. Таким образом, гидроэлектростанции представляют собой очень гибкий источник выработки электроэнергии которые могут быть адаптированы к изменениям спроса.

Основные преимущества гидроэнергетики:

• Экологическая безопасность: Гидроэнергетика является чистым источником энергии, не затрагивающим окружающую среду.
• Экономическая эффективность: Гидроэнергетика является одним из наиболее экономически эффективных способов производства электроэнергии.
• Гибкость: Гидроэнергетика обладает высокой гибкостью в управлении производством электроэнергии.
• Экологически чистая энергия: Гидроэнергетика является одним из самых экологически чистых источников энергии, поскольку не выбрасывает вредные газы в атмосферу, которые могут привести к изменению климата.
• Чистота производства: ГЭС являются одними из самых чистых источников энергии, поскольку при их работе не выделяются вредные выбросы в атмосферу, которые могут привести к загрязнению окружающей среды.
• Высокая производительность: ГЭС имеют высокую производительность благодаря возможности использования большого объема воды для привода турбин.
• Надежность: ГЭС являются одними из наиболее надежных источников энергии, так как они могут работать без перерыва на протяжении долгих периодов времени.
• Низкая и стабильная стоимость.
• Операционная гибкость.
• Поддержка сети.
• Обеспечение безопасности.

Действительно, ГЭС имеют ряд преимуществ перед другими источниками энергии.

Водохранилища, используемые для накопления воды, могут служить резервуарами для хранения воды в периоды низкого потребления электроэнергии, а в периоды пиковых нагрузок на энергосистему они могут быть использованы для выработки электроэнергии.

Вместе с тем, гидроэнергетика имеет и свои недостатки. Одним из них является высокая стоимость строительства и эксплуатации гидроэлектростанций, а также необходимость проведения значительных земельных работ и изменения ландшафта.

Крупные проекты могут легко разрушить экосистемы и жизнь окружающих сообществ. Разлагающийся органический материал в водоемах выделяет метан, способствуя тем самым глобальному потеплению. Использованная вода возвращается в реки, даже в лучшем качестве, потому что турбины электростанций обогащают воду кислородом.

Вмешательства в природу, такие как изменение речного стока, компенсируются, например, переправами рыбы. Это позволяет водным животным мигрировать вверх по течению к своим нерестилищам.

Основные недостатки гидроэнергетики:

• Воздействие на природную среду и экосистемы: строительство ГЭС может привести к значительному изменению природных условий в районе реки, так как создается водохранилище и изменяется характер потока воды.
• Необходимость строительства дорогостоящих объектов: строительство ГЭС может требовать значительных инвестиций, особенно если она должна быть высокой или иметь большую мощность.
• Ограниченность мест для строительства: не все реки подходят для строительства ГЭС, так как требуется достаточное количество воды для эксплуатации станции.

В целом, недостатки гидроэлектростанций связаны с их воздействием на окружающую среду и требованиями к инвестициям для их строительства и эксплуатации.

Гидроэнергетика в России и мире

Гидроэлектростанции вырабатывают около 70% всей электроэнергии в мире. В отличие от тепловых станций, которые сжигают ископаемые углеводороды, ГЭС не тратят воду и не производят прямых выбросов. Выбросы парниковых газов за жизненный цикл ГЭС сопоставим с атомной электростанцией.

В мировой повестке гидроэнергетика и альтернативные источники энергии становятся все актуальнее. Сжигание нефти и угля сопряжено с большими расходами, в то время как использование энергии воды, ветра и солнца не требует затрат на топливо - средства уходят лишь на строительство и ремонт. При этом у ГЭС отсутствуют вредные выбросы, что положительно сказывается на экологии и позволяет экономить деньги на выплатах в рамках Киотского протокола.

Большинство ГЭС в России контролирует компания РусГидро, где при реформе РАО «ЕЭС России» были сосредоточены основные гидрогенерирующие активы страны.

Карта гидроэнергетики в мире

Россия обладает крупнейшим гидропотенциалом, полное освоение которого позволило бы полностью отказаться от других источников электроэнергии. К сожалению, большая часть неиспользованного гидропотенциала сосредоточена в труднодоступных районах Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. В России на ГЭС вырабатывается почти 16% всей энергии. В настоящее время на территории страны работают 102 гидростанции мощностью свыше 100 МВт.

Развитые страны уже практически полностью использовали свой гидропотенциал. В частности, в Западной Европе он освоен более чем на 90%. Очень активно строятся гидроэлектростанции в развивающихся странах - Бразилии, Индии, Эфиопии и особенно в Китае, который сейчас является признанным лидером мировой гидроэнергетики.

Уложенного при строительстве плотины Саяно-Шушенской ГЭС бетона хватило бы на постройку автострады от Санкт-Петербурга до Владивостока. Уникальная арочно-гравитационная плотина станции высотой 245 м в Республике Хакасия - самая высокая в стране и одна из высочайших в мире. Название станции происходит от названий Саянских гор и расположенного неподалеку села Шушенское, которое широко известно как место ссылки Владимира Ленина. Строительство Саяно-Шушенской ГЭС, начатое в 1963 году, было официально завершено только 37 лет спустя. С 2009 по 2014 годы станция была восстановлена после аварии и полностью модернизирована.

Технически возможно строительство в России и более крупных ГЭС. Так, на реке Нижняя Тунгуска можно возвести ГЭС мощностью 12-20 тысяч МВт с уникальным, крупнейшим в мире по объему водохранилищем.

Самой маленькой в мире ГЭС, которая весит всего 400 граммов, является Blue Freedom Hydropower Plant с турбиной диаметром всего 12 см. Несмотря на мизерные размеры, все по-настоящему: «Голубая свобода» состоит из турбины и основного блока, в котором размещены литий-полимерные аккумуляторы емкостью 5000 мА•ч и генератор максимальной мощностью 5 Вт. Этого более чем достаточно, чтобы зарядить смартфон или, скажем, фонарик.

По мнению большинства историков, самая древняя из известных плотин в мире была построена за 3000 лет до нашей эры в 100 км от Аммана, столицы Иордании, тогда - Аммонского царства. Ее высота составляла 4,5 м, толщина - 1 м. Русское географическое общество, однако, утверждает, что старейшая рукотворная плотина находится в Краснодарском крае. Уникальные насыпи из глины были обнаружены в пещере Трю-44 (или теперь - Плотинная) горного хребта Скирд в Мостовском районе. Древние люди построили их, чтобы собирать воду, стекавшую по стенкам пещеры. По предварительным оценкам, возраст этой необычной плотины превышает 10 000 лет.

Порожская ГЭС уникальна не только потому, что является старейшей непрерывно действующей промышленной ГЭС в России. Все турбины для нее создавались по индивидуальному заказу ведущими европейскими фирмами. В начале XX века ГЭС в России строились преимущественно по деривационной схеме, когда напор воды на турбинах получают путем отвода части стока реки с помощью лотков или трубопроводов. Порожская ГЭС стала первой в нашей стране, где напор создается плотиной, причем возведенной из каменной кладки.

Старейшая непрерывно действующая ГЭС в России размерами похвастаться не может: установленная мощность малой Порожской ГЭС на реке Сатка - 1,36 МВт. И все-таки «Пороги» - рекордсмен: с момента пуска в 1909 году эта станция ни разу не прекращала свою работу.

В нашем представлении ГЭС - это современное сугубо техническое сооружение, не имеющее ничего общего с духом сказок и преданий. Однако, побывав на Алтае, вы наверняка измените свое мнение. Жители Чемальского района верят, что у местной ГЭС есть свой «Хозяин» - загадочное существо, которое живет у самого дна водохранилища. Говорят, его можно разглядеть в солнечную безветренную погоду. Очевидцы утверждают, что осенью 2010 года, когда из-за предписаний МЧС начали сброс воды, «Хозяин» несколько ночей подряд очень недовольно выл.

Перспективы развития гидроэнергетики

Гидроэнергетика является одной из наиболее важных форм возобновляемой энергии, и ее перспективы развития весьма благоприятны.

• Во-первых, гидроэнергетика имеет очень высокий потенциал производства энергии.
• Во-вторых, гидроэнергетика считается одним из наиболее экологически чистых источников энергии.
• В-третьих, гидроэнергетика является очень надежным и устойчивым источником энергии.

Наконец, существует большое количество потенциальных проектов гидроэнергетики, которые могут быть разработаны и реализованы в различных странах мира.

Как работают гидроэлектростанции: принцип действия и устройство оборудования

«Зеленая» электроэнергия - это наше будущее, а гидроэнергетика - один из основных источников. Гидроэнергетика, которая является доминирующим компонентом возобновляемой энергии, также находится под угрозой изменения климата.

Гидроэнергетика и изменение климата демонстрируют двоякую взаимосвязь. С одной стороны, как важный возобновляемый источник энергии, гидроэнергетика вносит значительный вклад в сокращение выбросов парниковых газов и смягчение последствий глобального потепления. Помимо преимуществ, связанных с электроэнергией, гидроэнергетика способствует водоснабжению и управлению водными ресурсами для других нужд.

Производство гидроэлектроэнергии тесно связано с региональными гидрологическими условиями водораздела и чутко реагирует на сезонные изменения количества воды. Изменение климата может также изменить гидрологические условия (например, речной сток и объем водохранилища).

Ввоздействие изменения климата различно в разных регионах. Не только проточная вода в ландшафте обладает энергетическим потенциалом. Можно использовать энергию морских приливов, энергию, скрытую в морских течениях. Тепловую энергию морей и океанов и даже энергию морских волн можно изобретательно преобразовать в электричество.

Приливные электростанции работают по принципу захвата воды во время прилива. Теоретически эти турбины можно использовать в обе стороны, но экономичнее использовать их только во время отлива. Подобно крупным гидроэлектростанциям, крупные приливные электростанции оказывают значительное воздействие на окружающую среду. Поэтому у приливных турбин большее будущее, чем у плотинных электростанций. Крупнейшая в мире приливная электростанция Сихва находится в Южной Корее.

Страна	Установленная мощность ГЭС (ГВт)
Китай	370
Бразилия	109
США	102
Канада	82
Россия	50

Больше о гидроэнергетике: технологиях, тенденциях, перспективах развития, передовом оборудовании; можно узнать на ежегодной выставке RENWEX, проходящей в ЦВК «Экспоцентр».