Гидроэнергетика: Что это такое и как она работает

Гидроэнергетика - это область производства электроэнергии, основанная на использовании потенциальной энергии воды. Гидроэнергетика - это процесс использования энергии, полученной от потоков воды, для производства электричества.

История развития гидроэнергетики

История развития гидроэнергетики начинается задолго до нашей эры. Одним из первых примеров использования водной энергии является мельница, которая была изобретена еще в древности. Одним из первых известных примеров использования водной энергии в промышленных масштабах является гидротехническое сооружение Гарпа, построенное в Древнем Риме на реке Гарп.

Первая гидроэлектростанция была построена в 1878 году в США в городе Николсон на реке Фокс. В 1902 году было создано первое управление гидроэнергетическим строительством в США, что стало отправной точкой для развития этой отрасли. Крупные гидроэлектростанции были построены в период с 1920-х по 1960-е годы, когда были созданы такие известные объекты, как ГЭС на Ниагарском водопаде в США и Канаде и ГЭС имени В. И.

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. Сегодня гидроэнергетика продолжает развиваться, используя новые технологии и методы производства электроэнергии.

Принцип работы гидроэлектростанции (ГЭС)

ГЭС используют потоки воды для производства электрической энергии. Для выработки электроэнергии с помощью воды необходимо создать напор. Вода хранится за плотиной в больших резервуарах и может поступать на гребные винты турбин через водозабор плотины. Сильный поток воды направляется в трубы под названием напорный трубопровод ГЭС.

Плотина создает перепад высот между резервуаром воды и рекой ниже плотины. Когда вода из резервуара выпускается через шлюзы или трубы, она начинает двигаться со значительной скоростью, образуя поток. Трубопроводы соединены с турбинами, которые, вращаясь, трансформируют гравитационную энергию в электрическую (турбины приводят в действие генераторы).

Турбины находятся внутри центральной части ГЭС и состоят из лопастей, которые перемещаются под действием потока воды. Валы турбин связаны с генераторами, которые конвертируют механическую энергию в электрическую. После прохождения через турбины вода выходит из ГЭС и возвращается в реку ниже плотины.

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 компоненты 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.

Как работает гидроэлектростанция

Типы гидроэлектростанций

Гидроэлектростанции могут быть разных типов в зависимости от способа преобразования энергии потока воды в электрическую энергию:

• 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.

Гидроэлектростанции могут быть разделены на несколько типов в зависимости от типа турбин, которые используются для преобразования энергии потока воды в электрическую энергию:

• 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.

По назначению ГЭС подразделяются на:

• 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.

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.

Преимущества и недостатки гидроэнергетики

Действительно, ГЭС имеют ряд преимуществ перед другими источниками энергии:

• 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.
• Гидроэлектростанции не зависят от топливной составляющей, что укрепляет роль отрасли в качестве надежной основы для декарбонизации мировой энергетики.

Как и у любой другой формы производства энергии, у гидроэлектростанций есть свои недостатки:

• 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. При возведении плотин изменяются гидрологический режим и микроклимат окружающих территорий, ГЭС мешают миграциям рыб.
• 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 мире и в России

Гидроэнергетика является крупнейшим источником производства электроэнергии в стране. Гидроэнергетика вырабатывает более 16% всего электричества на планете. Гидроэлектростанции вырабатывают около 70% всей электроэнергии в мире.

Крупнейшими производителями гидроэнергии являются Китай, Канада, Бразилия и США. Существует семь гидроэлектростанций мощностью более 10 ГВт. ГЭС Тэнгуэй (Китай) - считается крупнейшей в мире гидроэлектростанцией по установленной мощности.

Крупнейшими гидроэлектростанциями России являются ГЭС имени В. И.. В России продолжается строительство новых гидроэлектростанций.

Установленная мощность всех гидроэлектростанций Российской Федерации на начало 2025 года составила 52,9 ГВт. Российская Федерация обладает огромным гидроэнергетическим потенциалом - \(850\) млрд кВт·ч. Это \(2\)-е место после Китая.

Каскады ГЭС построены на крупнейших реках нашей страны - Енисее и Ангаре, Волге и Каме. Крупные ГЭС России возведены на реках Сибири. Самые мощные построены на реке Енисей - Саяно-Шушенская ГЭС (\(6400\) МВт) и Красноярская ГЭС (\(6000\) МВт). На реке Ангаре (приток Енисея) работают Братская ГЭС (\(4500\) МВт), Усть-Илимская ГЭС (\(3840\) МВт) и Богучанская ГЭС (\(2997\) МВт). Далее по мощности идут Волжская ГЭС (Волгоградская область), Жигулёвская ГЭС (Самарская область), Бурейская ГЭС (Амурская область), Саратовская ГЭС, Чебоксарская ГЭС, Нижнекамская ГЭС (Республика Татарстан), Воткинская ГЭС (Пермский край), Чиркейская ГЭС (Республика Дагестан).

Рис. \(1\). План сооружений Саяно-Шушенской ГЭС

Перспективы развития

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.

Дальнейшее развитие гидроэнергетики учитывает технологический прогресс, внедрение малых гидроэлектростанций, интеграцию с другими источниками энергии, развитие экологически безопасных методов и интеграцию в смарт-системы энергоснабжения.

В настоящее время гидроэнергетика является третьим по величине источником выработки электроэнергии в мире после угольной и газовой. Мировая гидроэнергетика продолжает активно развиваться, ежегодно прирастая в среднем на 27 ГВт прежде всего за счет стран, которые характеризуются существенным гидроэнергетическим потенциалом и значительным ростом спроса на электроэнергию. Драйвером развития отрасли в последние два десятилетия выступили Китай и другие страны азиатского региона.

Гидроэнергетика сохраняет статус одного из самых экологически чистых и климатически нейтральных источников электроэнергии, обеспечивая системную надежность энергосистем.

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

Нормированная стоимость электроэнергии (LCOE) по видам генерации в 2024 году

Источник энергии	LCOE (доллары США за кВтч)
Гидроэнергетика (ГЭС)	0,057