Гидроэнергетика: Что это такое и как она работает

Гидроэнергетика - это раздел энергетики, связанный с использованием механической энергии водных ресурсов для получения электрической энергии. Это отрасль науки и техники, охватывающая вопросы использования потенциальной энергии воды в водоемах и водотоках для производства электроэнергии.

Суть гидроэнергетики заключается в получении электрической энергии за счет энергии движения воды. Гидроэлектроэнергия является возобновляемой энергией, которая преобразует движение больших водоемов в электричество. Чтобы увеличить этот потенциал, вдоль рек строятся плотины, водохранилища и водоводы.

Как работает ГЭС? Инфографика.

История гидроэнергетики

История гидроэнергетики насчитывает века развития, начиная с использования водного движения для мукомольных мельниц в древности. Человек ещё в глубокой древности обратил внимание на реки как на доступный источник энергии. Одним из первых известных примеров использования водной энергии в промышленных масштабах является гидротехническое сооружение Гарпа, построенное в Древнем Риме на реке Гарп.

На протяжении тысячелетий гидроэнергия использовалась для орошения и работы различных механических устройств, таких как водяные мельницы, лесопилки, доковые краны и лифты. Первая гидроэлектростанция была построена в 1878 году в США в городе Николсон на реке Фокс. В начале XX века гидроэнергетика стала более широко распространяться.

Принцип работы гидроэлектростанции

Гидроэлектростанции (ГЭС) вырабатывают электроэнергию, используя силу воды, которая попадает в турбины и вращает вал. Падающая вода или поток воды приводят турбину в движение. Вращая валы турбин, потенциальная энергия воды превращается в кинетическую энергию. Вал от турбины соединен с генератором, который конвертирует механическую энергию в электрическую.

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.
• 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.

Накопление воды на ГЭС основано на перекрытии первоначального стока плотиной или плотиной. 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. Генераторы на гидроэлектростанциях (гидрогенераторы) относятся к тихоходным машинам - частота их вращения колеблется от сотни до примерно 1500 об/мин.

ГЭС используют потоки воды для производства электрической энергии. 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).

Принцип работы гидроэлектростанции

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 делятся 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.

Преимущества и недостатки гидроэнергетики

Гидроэнергетика играет ключевую роль в обеспечении электроэнергией многих стран по всему миру. Вода - бесконечный ресурс, что делает гидроэнергетику возобновляемой формой энергии. ГЭС не тратят воду и не производят прямых выбросов, в отличие от тепловых станций, которые сжигают ископаемые углеводороды. Гидроэлектростанции не загрязняют воздух, насыщают потоки воды кислородом, не требуют топлива, безотходны и в высшей степени безопасны.

Преимущества ГЭС:

• Возобновляемый источник.
• Низкие эксплуатационные расходы.
• Экологическая чистота.
• Регулирование водных ресурсов.
• Создание инфраструктуры.
• Операционная гибкость.
• Поддержка сети.
• Обеспечение безопасности.

Недостатки ГЭС:

• Строительство равнинных ГЭС не только выводит из использования огромные массивы плодородных земель, но еще и полностью нарушает жизнь экосистемы реки.
• На дне водоемов накапливаются тысячи тонн (как правило, ядовитых за счет промышленных и бытовых стоков в реки) осадков.
• ГЭС на горных реках могут быть опасны из-за довольно высокой вероятности катастроф ввиду сейсмической нестабильности этих районов.
• Крупные проекты могут легко разрушить экосистемы и жизнь окружающих сообществ.
• Разлагающийся органический материал в водоемах выделяет метан, способствуя тем самым глобальному потеплению.
• При возведении плотин изменяются гидрологический режим и микроклимат окружающих территорий, ГЭС мешают миграциям рыб.

Гидроэнергетика в мире

Гидроэнергетика является наиболее широко используемой формой 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.

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.

ГЭС Тэнгуэй (Китай) - считается крупнейшей в мире гидроэлектростанцией по установленной мощности. Самые большие ГЭС мира построены в Венесуэле (плотина Гури, 10 млн кВт, что соответствует 10 средним АЭС), в Бразилии на реке Парана (ГЭС «Итайпу», 12,6 млн кВт). В Китае начато строительство ГЭС мощностью 13 млн кВт.

Страна	Установленная мощность ГЭС (ГВт)
Китай	~370
Бразилия	~109
США	~102
Канада	~82
Россия	~53

Установленная мощность ГЭС в разных странах (ориентировочные данные).

Доля гидроэнергетики в производстве электроэнергии по странам

Гидроэнергетика в России

Российская Федерация обладает огромным гидроэнергетическим потенциалом - 850 млрд кВт·ч. Это 2-е место после Китая. Большая часть сосредоточена в Восточной Сибири (41 %) и на Дальнем Востоке (35 %). Но используется весь потенциал рек только на 18 %.

Установленная мощность всех гидроэлектростанций Российской Федерации на начало 2025 года составила 52,9 ГВт. Большая часть крупных ГЭС России возведена 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).

План сооружений Саяно-Шушенской ГЭС

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.

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