Введение
Электричество, вырабатываемое гидроэнергетикой
Гидроэлектроэнергия, или гидроэнергия, – это электричество, генерируемое гидроэнергетическими установками (водяной энергией). Гидроэнергетика обеспечивает одну шестую часть мирового производства электроэнергии, почти 4500 ТВтч в 2020 году, что превышает суммарную мощность всех остальных возобновляемых источников и ядерной энергетики. Однако, при строительстве в низменных районах тропических лесов, где часть лесной территории затапливается, могут выделяться значительные объемы парниковых газов. Строительство гидроэнергетического комплекса может оказывать существенное воздействие на окружающую среду, главным образом из-за потери сельскохозяйственных земель и перемещения населения. Это также нарушает естественную экологию реки, влияя на среду обитания и экосистемы, а также на процессы осадконакопления и эрозии. Хотя плотины могут снижать риск наводнений, их разрушение может привести к катастрофическим последствиям. В 2021 году глобальная установленная мощность гидроэлектростанций достигла почти 1400 ГВт, что является самым высоким показателем среди всех технологий возобновляемой энергетики. Гидроэлектроэнергия играет ведущую роль в таких странах, как Бразилия, Норвегия и Китай, но существуют географические ограничения и экологические проблемы. Приливная энергия может использоваться в прибрежных регионах. В 2022 году Китай добавил 24 ГВт, что составляет почти три четверти мирового прироста гидроэнергетических мощностей. Европа добавила 2 ГВт, что является самым большим показателем для региона с 1990 года. В то же время, в мировом масштабе производство гидроэлектроэнергии увеличилось на 70 ТВтч (на 2%) в 2022 году и остается крупнейшим источником возобновляемой энергии, превосходя все остальные технологии вместе взятые.
История
С древних времен гидроэнергия использовалась для помола муки и выполнения других задач. В конце XVIII века гидравлическая энергия стала источником энергии, необходимым для начала промышленной революции. В середине 1770-х годов французский инженер Бернард Форест де Белидор опубликовал труд «Архитектура гидравлическая», в котором описывались гидравлические машины с вертикальной и горизонтальной осью, а в 1771 году комбинация, предложенная Ричардом Аркрайтом – водяное колесо, водяная рама и непрерывное производство – сыграла значительную роль в развитии фабричной системы с современными методами организации труда. В 1840-х годах была разработана сеть гидроэнергетики для генерации и передачи гидроэнергии конечным потребителям. К концу XIX века был изобретен электрический генератор, который теперь можно было соединять с гидравлическими системами. Растущий спрос, вызванный промышленной революцией, также стимулировал дальнейшее развитие. В 1878 году Уильям Армстронг построил первую в мире гидроэлектростанцию в Крэгсайде, Нортумберленд, Англия. Она использовалась для питания единственной дуговой лампы в его художественной галерее. Старая электростанция Schoelkopf No. 1 в США, расположенная недалеко от Ниагарского водопада, начала вырабатывать электроэнергию в 1881 году. Первая гидроэлектростанция Эдисона, Vulcan Street Plant, начала работу 30 сентября 1882 года в Апплтоне, штат Висконсин, с мощностью около 12,5 киловатт. К 1886 году в Соединенных Штатах и Канаде насчитывалось 45 гидроэлектростанций, а к 1889 году только в Соединенных Штатах их было уже 200. Инженерный корпус армии США также принимал участие в развитии гидроэнергетики, завершив строительство плотины Бонневилль в 1937 году и получив признание в соответствии с Законом о борьбе с наводнениями 1936 года как ведущее федеральное агентство по борьбе с наводнениями. Гидроэлектростанции продолжали увеличиваться в размерах на протяжении всего XX века. Гидроэнергетику называли «белым углем». Первоначальная электростанция на плотине Гувера мощностью 1345 МВт была крупнейшей в мире гидроэлектростанцией в 1936 году; она уступила первенство плотине Гранд-Кули мощностью 6809 МВт в 1942 году. Плотина Итайпу была открыта в 1984 году в Южной Америке как крупнейшая, вырабатывающая 14 ГВт, но в 2008 году была превзойдена плотиной «Три ущелья» в Китае, мощностью 22,5 ГВт. Гидроэлектроэнергия в конечном итоге обеспечивает более чем 85% электроэнергии в некоторых странах, включая Норвегию, Демократическую Республику Конго, Парагвай и Бразилию.
Будущий потенциал
В 2021 году Международное энергетическое агентство (МЭА) заявило о необходимости приложить больше усилий для ограничения изменения климата. В некоторых странах гидроэнергетический потенциал развит в значительной степени, и возможностей для дальнейшего роста осталось немного: Швейцария вырабатывает 88% от своего потенциала, а Мексика – 80%. В 2022 году МЭА опубликовало основной прогноз, согласно которому в период с 2022 по 2027 год гидроэнергетикой будет генерироваться 141 ГВт, что несколько ниже, чем показатели развертывания, достигнутые в 2017–2022 годах. В связи с длительными сроками получения экологических разрешений и строительства, эксперты полагают, что гидроэнергетический потенциал останется ограниченным, и лишь дополнительные 40 ГВт представляются возможными в случае ускоренного развития.
Обычные (базы)
Большая часть гидроэлектроэнергии вырабатывается за счет потенциальной энергии воды, накопленной в водохранилище, которая вращает водяную турбину и генератор. Мощность, получаемая от воды, зависит от объема воды и разницы высот между уровнем воды в водохранилище и точкой сброса воды. Эта разница высот называется напором. Большой трубопровод (напорный трубопровод) подает воду из водохранилища к турбине.
Насосный склад
Этот метод вырабатывает электроэнергию для покрытия пиковых нагрузок, перемещая воду между водохранилищами, расположенными на разных высотах. В периоды низкого спроса на электроэнергию избыточная генерирующая мощность используется для перекачки воды в верхнее водохранилище, что позволяет управлять спросом.
Речной русло
Речные гидроэлектростанции характеризуются небольшой или отсутствующей емкостью водохранилища, поэтому для выработки электроэнергии в данный момент доступна только вода, поступающая выше по течению, а излишки должны проходить без использования. Постоянное водоснабжение из озера или существующего водохранилища выше по течению является важным преимуществом при выборе площадок для речных ГЭС.
Прилив и отлив
Приливная электростанция использует ежедневный подъём и спад уровня океана, вызванные приливами и отливами; такие источники энергии отличаются высокой предсказуемостью, а при наличии возможности строительства водохранилищ могут также регулироваться для выработки электроэнергии в периоды пикового спроса. Менее распространённые гидроэнергетические установки используют кинетическую энергию воды или недамбовые источники, такие как подпорные водяные колёса. Приливная энергия экономически целесообразна лишь в ограниченном числе мест по всему миру.
Крупные объекты
Крупнейшими производителями электроэнергии в мире являются гидроэлектростанции, причем некоторые гидроэлектростанции способны генерировать более чем вдвое установленную мощность крупнейших современных атомных электростанций. Хотя официального определения диапазона мощностей крупных гидроэлектростанций не существует, объекты мощностью свыше нескольких сотен мегаватт обычно считаются крупными гидроэлектростанциями. В настоящее время в мире эксплуатируется всего семь объектов мощностью более 10 гигаватт (10 000 мегаватт) – см. таблицу ниже.
| Ранг | Станция | Страна | Местоположение | Мощность (МВт) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Плотина "Три ущелья" | Китай | | 22 500 |
| 2 | Плотина "Байхэтан" | Китай | | 16 000 |
| 3 | Дамба "Итайпу" | Бразилия/Парагвай | | 14 000 |
| 4 | Дамба "Силуоду" | Китай | | 13 860 |
| 5 | Дамба "Белу-Монте" | Бразилия | | 11 233 |
| 6 | Дамба "Гури" | Венесуэла | | 10 235 |
| 7 | Дамба "Вудунде" | Китай | | 10 200 |
Маленький
Малая гидроэнергетика – это гидроэлектроэнергия, вырабатываемая для обеспечения небольшого населенного пункта или промышленного предприятия. Определение малого гидроэнергетического проекта варьируется, но обычно в качестве верхнего предела принимается установленная мощность до 10 мегаватт (МВт). В Канаде и Соединенных Штатах этот показатель может быть увеличен до 25 МВт и 30 МВт соответственно. Малые гидроэлектростанции могут быть подключены к традиционным сетям электроснабжения как источник недорогой возобновляемой энергии. Кроме того, малые гидропроекты могут строиться в изолированных районах, где подключение к сети экономически нецелесообразно, или в регионах, где отсутствует общенациональная сеть электроснабжения. Поскольку малые гидропроекты обычно характеризуются минимальными водохранилищами и объемом строительных работ, они рассматриваются как оказывающие относительно меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с крупными гидроэлектростанциями. Степень снижения этого воздействия в значительной степени зависит от баланса между расходом воды в реке и объемом выработки электроэнергии.
Микро
Микрогидроэлектростанции – это гидроэлектростанции, как правило, производящие до 100 киловатт мощности. Эти установки могут обеспечивать электроэнергией изолированный дом или небольшое поселение, либо иногда подключаются к электрическим сетям. По всему миру существует множество таких установок, особенно в развивающихся странах, поскольку они могут предоставить экономичный источник энергии, не требующий закупки топлива. Микрогидросистемы дополняют фотоэлектрические солнечные системы, так как во многих регионах водоток, а следовательно и доступная гидроэнергия, максимален зимой, когда солнечная энергия минимальна.
Пико
Пикогидро — это производство гидроэлектроэнергии мощностью менее 5 киловатт. Это полезно для небольших, отдаленных поселений, которым требуется небольшое количество электроэнергии. Например, проект Pico Hydro Intermediate Technology Development Group мощностью 1,1 кВт в Кении обеспечивает электричеством 57 домов с очень небольшой нагрузкой (например, несколько ламп и зарядное устройство для телефона или небольшой телевизор/радио). Даже более мелкие турбины мощностью 200–300 Вт могут обеспечивать электроэнергией несколько домов в развивающейся стране при небольшом перепаде высот. Система пикогидро обычно работает как русловая, то есть плотины не используются, а трубы отводят часть потока, направляют его по градиенту и через турбину, прежде чем вернуть в ручей.
Подземные
Подземная электростанция обычно применяется на крупных объектах и использует значительную естественную разницу уровней между двумя водотоками, такими как водопад или горное озеро. Строится туннель для подачи воды из верхнего водохранилища в машинный зал, расположенный в каверне вблизи самой нижней точки водовода, и горизонтальный отводящий канал для сброса воды в нижний выходной водоток.
Гибкость
Гидроэнергетика является гибким источником электроэнергии, поскольку станции могут быстро наращивать и снижать выработку, чтобы адаптироваться к изменяющемуся спросу на энергию. Хотя аккумуляторные батареи реагируют быстрее, их емкость значительно меньше, чем у гидроэлектростанций. Выработку электроэнергии также можно оперативно сократить при избытке мощности. Поэтому ограниченная мощность гидроэнергоблоков обычно не используется для производства базовой нагрузки, за исключением сброса воды из водохранилища или обеспечения потребностей ниже по течению. Вместо этого они могут служить резервным источником для генераторов, работающих не на гидроэнергии. Эксплуатационные расходы на персонал также обычно невелики, поскольку станции автоматизированы и в нормальном режиме работы требуют немного обслуживающего персонала. Если плотина выполняет несколько функций, к ней можно добавить гидроэлектростанцию с относительно невысокими затратами на строительство, что обеспечит дополнительный источник дохода для компенсации расходов на эксплуатацию плотины. По расчетам, выручка от продажи электроэнергии с плотины "Три ущелья" покроет затраты на строительство через 5-8 лет после достижения полной мощности. Однако некоторые данные свидетельствуют о том, что в большинстве стран строительство крупных гидроэлектростанций будет слишком дорогостоящим и займет слишком много времени, чтобы обеспечить положительную доходность с учетом рисков, если не будут приняты соответствующие меры по управлению ими.
Пригодность для промышленных применений
Хотя многие гидроэлектростанции снабжают общественные электросети, некоторые создаются для обслуживания конкретных промышленных предприятий. Специальные гидроэлектростанции часто строятся для обеспечения значительных объемов электроэнергии, необходимых, например, для алюминиевых электролизных производств. Плотина Гранд-Кули была переориентирована на поддержку алюминиевого производства Alcoa в Беллингеме, штат Вашингтон, США, для нужд американской авиации во время Второй мировой войны, и лишь после войны ей было разрешено обеспечивать ирригацию и электроэнергию для населения (в дополнение к электроэнергии для алюминиевого производства). В Суринаме водохранилище Брокопондо было построено для обеспечения электроэнергией алюминиевую промышленность Alcoa. Новозеландская электростанция Манапури была построена для снабжения электроэнергией алюминиевого завода в Тивай-Пойнте.
Снижение выбросов CO2
Поскольку гидроэлектростанции не используют топливо, выработка электроэнергии не производит углекислый газ. Хотя углекислый газ выделяется при строительстве и некоторое количество метана ежегодно поступает из водохранилищ, гидроэнергетика характеризуется одним из самых низких уровней выбросов парниковых газов на протяжении всего жизненного цикла при производстве электроэнергии. Небольшое воздействие гидроэнергетики на парниковый эффект особенно заметно в умеренном климате. В тропических регионах воздействие на выбросы парниковых газов выше, поскольку водохранилища электростанций в тропиках производят больше метана, чем в умеренных зонах. Как и другие источники, не использующие ископаемое топливо, гидроэнергетика не производит выбросов диоксида серы, оксидов азота или твердых частиц.
Другие виды использования резервуара
Водохранилища, созданные гидроэлектростанциями, часто предоставляют возможности для водных видов спорта и сами становятся туристическими достопримечательностями. В некоторых странах в водохранилищах распространена аквакультура. Многоцелевые плотины, предназначенные для орошения, обеспечивают сельское хозяйство относительно стабильным водоснабжением. Крупные гидроэлектростанции способны контролировать паводки, которые в противном случае затронули бы население ниже по течению. Управление плотинами, используемыми для различных целей, например, для орошения, является сложной задачей. Гидроэлектростанции могут оказывать негативное воздействие на окружающие водные экосистемы как выше, так и ниже по течению от станции. Выработка гидроэлектроэнергии изменяет природную среду реки ниже по течению. Вода, выходящая из турбины, обычно содержит очень мало взвешенных частиц, что может привести к размыву русла реки и эрозии берегов. Турбины также приводят к гибели значительной части проходящей через них фауны, например, 70% угрей погибают сразу после прохождения турбины. Поскольку шлюзы турбин часто открываются непостоянно, наблюдаются резкие и даже ежедневные колебания расхода воды в реке.
Сухота и потери воды в результате испарения
Засуха и сезонные изменения в количестве осадков могут серьезно ограничивать выработку гидроэлектроэнергии.
Сильтация и недостаток потока
Когда вода течет, она способна переносить частицы, более тяжелые, чем сама вода, вниз по течению. Это оказывает негативное воздействие на плотины и, как следствие, на электростанции, особенно расположенные на реках или в бассейнах с высоким уровнем наносов. Наносы могут заполнить водохранилище, уменьшив его способность регулировать паводки, а также создавать дополнительное горизонтальное давление на верхнюю часть плотины. В конечном итоге, некоторые водохранилища могут полностью заполниться отложениями и стать бесполезными, либо переполниться во время паводка и разрушиться. Изменения в объеме речного стока коррелируют с количеством вырабатываемой плотиной энергии. Уменьшение речного стока снижает полезный объем водохранилища, а следовательно, и количество воды, доступной для гидроэлектрогенерации. В результате снижения речного стока может возникнуть дефицит электроэнергии в регионах, сильно зависящих от гидроэнергетики. Риск дефицита стока может возрасти из-за изменения климата. Одно исследование, проведенное на реке Колорадо в США, показывает, что умеренные изменения климата, такие как повышение температуры на 2 градуса Цельсия, приводящее к снижению осадков на 10%, могут уменьшить речной сток до 40%. Это связано с тем, что растительный материал в затопленных районах разлагается в анаэробной среде, образуя метан – парниковый газ. Согласно отчету Всемирной комиссии по плотинам, если водохранилище велико по сравнению с установленной мощностью (менее 100 Вт на квадратный метр площади поверхности) и перед заполнением водохранилища не проводилась расчистка лесов в данной местности, то выбросы парниковых газов из водохранилища могут превышать выбросы традиционной тепловой электростанции, работающей на нефти. Однако в бореальных водохранилищах Канады и Северной Европы выбросы парниковых газов обычно составляют всего 2–8% от выбросов любой традиционной тепловой электростанции, использующей ископаемое топливо. Новый вид подводных лесозаготовок, направленный на затопленные леса, может смягчить последствия разложения древесины.
Перемещение
Еще одним недостатком гидроэлектростанций является необходимость переселения людей, проживающих на территориях, где планируется создание водохранилищ. В 2000 году Всемирная комиссия по плотинам оценила, что плотины привели к принудительному переселению от 40 до 80 миллионов человек во всем мире.
Риски отказа
Поскольку крупные традиционные гидроэлектростанции с плотинами удерживают большие объемы воды, их разрушение из-за некачественного строительства, стихийных бедствий или саботажа может быть катастрофическим для населенных пунктов и инфраструктуры, расположенных ниже по течению. Во время тайфуна Нина в 1975 году плотина Баньцзяо в Южном Китае разрушилась, когда за 24 часа выпало количество осадков, равное годовому (см. Разрушение плотины Баньцзяо в 1975 году). В результате наводнения погибло 26 000 человек, еще 145 000 умерли от эпидемий. Миллионы людей остались без крова. Строительство плотины в геологически неподходящем месте может привести к катастрофам, таким как катастрофа 1963 года на плотине Ваджонт в Италии, где погибло около 2000 человек. Плотина Мальпассет во Фрежюсе на Французской Ривьере (Кот-д’Азюр) на юге Франции обрушилась 2 декабря 1959 года, унеся жизни 423 человек в результате последовавшего наводнения. Небольшие плотины и микро-ГЭС представляют меньший риск, но могут создавать постоянную опасность даже после вывода из эксплуатации. Например, небольшая земляная плотина Келли Барнс разрушилась в 1977 году, спустя двадцать лет после закрытия ее электростанции, что привело к гибели 39 человек.
Сравнение и взаимодействие с другими методами производства электроэнергии
Гидроэлектроэнергия исключает выбросы дымовых газов, образующиеся при сжигании ископаемого топлива, включая такие загрязняющие вещества, как диоксид серы, оксиды азота, угарный газ, пыль и ртуть, содержащиеся в угле. Гидроэлектроэнергия также позволяет избежать опасностей, связанных с добычей угля, и косвенного влияния выбросов от угля на здоровье. В 2021 году МЭА заявило, что государственная энергетическая политика должна учитывать стоимость множественных общественных преимуществ, предоставляемых гидроэлектростанциями. Норвегия на 98% обеспечивает себя гидроэнергией, в то время как её соседи, расположенные на равнинной местности, используют ветроэнергетику. В регионах, где нет гидроэнергетики, аккумулирующие гидроэлектростанции выполняют схожую функцию, но значительно дороже и на 20% менее эффективно.
Гидроэнергетика по странам
[[Файл:Мировая гидрогенерация ежегодно.png|thumb|upright=1.5|Годовая гидрогенерация по континентам. Крупные электростанции, как правило, строятся правительствами, поэтому большая часть мощности (70%) находится в государственной собственности, хотя большинство электростанций (почти 70%) принадлежат и управляются частным сектором, по состоянию на 2021 год. Включает только страны с выработкой более 1 ТВт⋅ч. Ссылки на каждое местоположение ведут на соответствующую страницу гидроэнергетики, если она доступна. Страна Выработка (ТВт⋅ч) (% выработки от гидроэнергии) Мощность (ГВт) (% прироста мощности) Коэффициент использования мощности 4288.59 15.0 1255.45 1.7 39% 1303.13 14.7 367.71 3.7 40% 428.06 62.9 109.81 0.4 44% 392.51 61.5 83.55 1.0 54% 248.76 5.8 83.85 0.1 34% 197.41 17.6 51.40 0.0 44% 174.92 9.4 47.22 0.9 42% 134.86 88.3 34.12 0.2 45% 95.96 36.9 21.86 1.3 50% 74.88 7.2 28.20 0.3 30% 69.38 40.3 16.41 0.0 48% 67.09 20.6 31.57 0.3 24% 62.01 73.4 12.56 5.0 56% (2021) 61.00 64.4 16.83 0.0 41% 46.29 9.8 24.56 0.0 22% (2021) 39.89 99.7 8.81 0.0 52% 36.41 23.9 10.83 7.9 38% 35.54 53.9 14.97 1.5 27% 35.30 10.1 13.30 0.0 30% 30.77 10.8 18.84 0.2 19% 30.72 17.0 6.21 0.0 56% 30.48 49.0 15.07 0.1 23% 29.70 49.3 5.50 0.0 62% (2021) 28.51 71.3 8.79 9.5 37% 27.30 8.2 6.69 1.4 47% 26.15 18.2 10.39 0.1 29% 25.92 58.8 5.44 0.0 54% 24.63 74.4 5.19 1.8 54% 20.27 24.4 7.29 7.1 32% 18.79 6.6 16.80 0.0 13% (2021) 18.00 91.2 5.27 0.0 39% 17.12 6.3 7.71 0.0 25% 17.06 3.0 5.54 0.9 35% (2021) 16.07 90.7 2.71 12.9 68% (2021) 16.00 80.4 2.19 0.0 83% 14.07 6.8 2.83 0.0 57% (2021) 14.00 95.3 4.07 0.0 39% 14.00 25.2 6.57 0.0 24% 13.74 18.9 3.17 0.0 49% (2021) 13.57 70.5 2.11 0.0 73% (2021) 13.00 89.9 2.78 24.3 53% (2021) 12.00 83.0 4.86 0.0 28% (2021) 11.50 70.0 3.73 0.0 35% (2021) 11.00 99.6 2.72 0.0 46% 10.77 75.6 3.08 3.7 40% 10.53 9.2 4.82 0.0 25% (2021) 10.00 60.3 1.48 0.0 77% 9.30 73.6 2.33 2.1 46% 9.10 8.1 2.81 0.0 37% (2021) 9.00 100.0 2.33 0.0 44% (2021) 9.00 40.2 3.30 0.0 31% (2021) 8.89 99.2 2.51 5.0 40% 8.80 7.8 3.04 0.3 33% 8.76 27.3 2.11 0.0 47% 8.66 24.6 2.48 0.4 40% 7.59 16.2 7.59 4.7 11% 7.45 2.1 11.50 3.1 7% (2021) 7.21 34.5 1.58 0.0 52% (2021) 7.20 64.3 1.81 0.0 45% 6.73 3.5 3.11 0.0 25% (2021) 6.00 98.0 1.99 53.1 34% (2021) 5.92 41.0 1.57 0.6 43% 5.83 2.1 2.09 0.0 32% 5.61 35.7 1.54 0.0 42% 5.35 37.9 2.20 0.0 28% 5.32 1.6 2.19 0.0 28% (2021) 5.00 62.1 0.81 0.0 70% (2021) 5.00 30.6 1.80 0.0 32% (2021) 5.00 8.5 2.05 1.5 28% 4.97 30.0 1.84 0.0 31% (2021) 4.90 5.0 1.56 0.0 36% 4.73 9.0 3.42 0.0 16% (2021) 4.00 90.9 1.01 0.0 45% (2021) 4.00 49.8 1.08 0.0 42% (2021) 4.00 46.0 1.33 0.0 34% 3.70 7.3 2.51 0.0 17% 3.70 13.8 1.62 0.0 26% 3.55 0.6 1.81 1.6 22% 3.34 27.0 0.86 1.2 44% (2021) 3.30 30.1 0.88 0.0 43% 3.19 24.0 1.17 0.0 31% 3.02 1.4 0.75 0.0 46% (2021) 3.00 36.7 0.60 1.7 57% 2.88 25.6 0.80 0.0 41% 2.77 54.6 1.61 1.3 20% (2021) 2.70 22.5 0.85 1.2 36% 2.41 31.6 0.57 0.0 48% (2021) 2.20 30.1 1.35 0.0 19% 2.06 1.2 0.98 1.0 24% 2.02 2.4 1.11 0.0 21% (2021) 2.00 71.9 0.81 37.3 28% 1.45 43.8 0.70 0.0 24% 1.34 23.4 0.69 0.0 22% (2021) 1.28 4.9 1.16 0.9 13% (2021) 1.21 2.9 1.31 0.0 11% (2021) 1.10 70.1 0.35 0.0 36%
Экономика
Важным фактором является средневзвешенная стоимость капитала.