Гідроенергетичні ресурси світу та їх використання

Гідроенергетичні ресурси мають кінцеву величину, хоч і вважаються відновлюваними. Вони національне багатство, як нафта, газ чи інші корисні копалини, і потребують дбайливого і обдуманому зверненні.

Енергія води

Ще в давнину люди помітили, що вода, що падає зверху вниз, може здійснювати певну роботу, наприклад крутити колесо. Це властивість падаючої води стало використовуватися для приведення в рух коліс млини. Так з’явилися перші водяні млини, що збереглися до наших днів майже у своєму первозданному вигляді. Водяний млин – це і є перша гідроенергетичних установка.

Зародилося в 17-му столітті мануфактурне виробництво також використовувало водяні колеса, а в 18-му столітті, наприклад, у Росії таких мануфактур було вже близько трьох тисяч. Відомо, що найбільш потужні установки з таких коліс були застосовані на Кренгольмской мануфактурі (річка Нарова). Водяні колеса мали діаметр 9,5 метра і розвивали потужність до 500 кінських сил.

Гідроенергетичні ресурси: визначення, переваги і недоліки

У 19-му столітті після водяних коліс з’явилися гідротурбіни, а слідом за ними – електричні машини. Це дозволило перетворювати енергію падаючої води на електричну енергію, а потім передавати її на деяку відстань. У царській Росії до 1913 року було близько 50 тисяч установок, обладнаних гидротурбинами, на яких вироблялася електроенергія.

Та частина енергії річок, яка може бути перетворена в електричну енергію, називається гідроенергетичними ресурсами, а пристрій, що перетворює енергію падаючої води на електричну енергію, – гідроелектростанцією (ГЕС). Пристрій електростанції обов’язково включає гідравлічну турбіну, яка приводить в обертальний рух електричний генератор. Для отримання потоку падаючої води будівництво електростанції передбачає спорудження гребель і водосховищ.

Переваги використання гідроелектростанцій:

  • Енергія річки є відновлюваною.
  • Відсутній засмічення навколишнього середовища.
  • Виходить дешева електроенергія.
  • Поліпшуються кліматичні умови поблизу водосховища.

Недоліки використання гідроелектростанцій:

  • Затоплення деякої площі землі для спорудження водосховища.
  • Зміна багатьох екосистем по всьому руслу річки, зменшення чисельності риб, порушення місць гніздування птахів, забруднення річок.
  • Небезпека будівництва в гірській місцевості.

Поняття гідроенергетичного потенціалу

Для оцінки гідроенергетичних ресурсів річки, країни або ж усієї планети на Світової енергетичної конференції (МИРЭК) було дано визначення гідроенергетичного потенціалу як суму потужностей всіх ділянок розглянутої території, які можна використовувати для отримання електроенергії. Існує кілька різновидів гідроенергетичного потенціалу:

  • Валовий потенціал, який представляє потенційні гідроенергетичні ресурси.
  • Технічний потенціал – та частина валового потенціалу, яка може технічно використовуватися.
  • Економічний потенціал – та частина технічного потенціалу, використання якого економічно доцільно.

Теоретична потужність деякого струму води визначається за формулою

N (кВт) = 9,81 QH,

де Q – витрата водотоку (м3/сек); H – висота падіння води (м).

Найпотужніша гідроелектростанція в світі

14 грудня 1994 року в Китаї на річці Янцзи, було розпочато будівництво найбільшої гідроелектростанції, що отримала назву «Три ущелини». У 2006 році було закінчено будівництво греблі, а також здійснено запуск першого гідроагрегату. Ця ГЕС повинна була стати центральною ГЕС енергосистеми Китаю.

Вид греблі цієї станції нагадує конструкцію Красноярської ГЕС. Висота греблі дорівнює 185 метрів, а довжина – 2,3 км. В центрі греблі знаходиться водоскид, розрахований на спуск 116 000 м3 води за секунду, тобто з висоти близько 200 м за одну секунду падає більше 100 тонн води.

Річка Янцзи, на якій побудована гідроелектростанція «Три ущелини», – одна з найбільш потужних річок світу. Будівництво ГЕС на цій річці дозволяє використовувати природні гідроенергетичні ресурси цього району. Починаючись в Тибеті, на висоті 5600 м, річка набуває значний гідроенергетичний потенціал. Найпривабливішим місцем для будівництва греблі виявився район «Трьох ущелин», де річка виривається з гір на рівнину.

Конструкція ГЕС

Гідроелектростанція «Три ущелини» має три будівлі ГЕС, в яких розташовані 32 гідроагрегату, кожен з яких має потужність 700 МВт і два гідроагрегати потужністю 50 МВт. Загальна потужність ГЕС дорівнює 22,5 ГВт.

В результаті будівництва греблі утворилася водосховище об’ємом 39 км3. Будівництво греблі спричинило переселення на нове місце жителів двох міст із загальною чисельністю населення 1,24 мільйона чоловік. Крім того, затоплювані зони були вивезені 1300 об’єктів археології. На всі роботи з підготовки будівництва греблі було витрачено 11,25 млрд доларів. Загальні витрати на будівництво гідроелектростанції «Три ущелини» становлять 22,5 млрд доларів.

У будівництві даної ГЕС грамотно передбачено забезпечення судноплавства, більше того, після спорудження водосховища потік вантажних суден зріс у 5 разів.

Пасажирські судна проходять суднопідіймач, який пропускає суду вагою, що не перевищує 3000 тонн. Для пропуску вантажних суден побудовані дві нитки пятиступенчатых шлюзів. У цьому випадку вага суден повинен бути менше 10 000 тонн.

Каскад ГЕС на Янцзи

Водні та гідроенергетичні ресурси річки Янцзи дозволяють побудувати на цій річці не одну ГЕС, що і було зроблено в Китаї. Вище ГЕС «Три ущелини» споруджено цілий каскад ГЕС. Це самий потужний каскад гідроелектростанцій потужністю понад 80 ГВт.

Будівництво каскаду дозволяє уникнути засмічення водосховища «Три ущелини», так як зменшує ерозію в руслі річки вище ГЕС. Після цього переносного мулу у воді меншає.

Крім того, каскад ГЕС дозволяє регулювати надходження води до ГЕС «Три ущелини» і отримувати рівномірну вироблення електроенергії на ній.

«Ітайпу» на річці Парана

Парана в перекладі означає «срібна річка», вона є другою за величиною річкою Південної Америки і має довжину 4380 км. Ця річка протікає крізь дуже твердий грунт, тому, долаючи його, вона створює на своєму шляху пороги та водоспади. Ця обставина вказує на сприятливі умови для будівництва тут гідроелектростанцій.

ГЕС «Ітайпу» була побудована на річці Парана, в 20 км від міста Фос-ду-Ігуасу в Південній Америці. По потужності ця гідроелектростанція поступається лише ГЕС «Три ущелини». Перебуваючи на кордоні Бразилії та Парагваю, ГЕС «Ітайпу» повністю забезпечує електроенергією Парагвай і на 20 % Бразилію.

Будівництво гес почалося в 1970 році і закінчилося в 2007-м. 10 генераторів потужністю 700 МВт встановлені на стороні Парагваю і стільки ж – на стороні Бразилії. Так як навколо гідроелектростанції перебував тропічний ліс, який підлягав затоплення, то тварини з цих місць були переселені на інші території. Довжина греблі дорівнює 7240 метрів, а висота – 196 м, вартість будівництва оцінюється в 15,3 млрд доларів. Потужність ГЕС дорівнює 14 000 ГВт.

Гідроенергетичні ресурси Росії

Російська Федерація володіє великим водним та енергетичним потенціалом, але гідроенергетичні ресурси країни розподілені по її території вкрай нерівномірно. 25 % цих ресурсів розташовані в Європейській частині, 40 % – у Сибіру і 35 % – на Далекому Сході. В європейській частині держави, за оцінками фахівців, гидроэнергопотенциал використовується на 46 %, а весь гідропотенціал держави оцінюється в 2500 млрд КВт-годин. Це є другим результатом в світі після Китаю.

Джерела гідроенергії Сибіру

Сибір володіє величезними запасами гідроресурсів, особливо багата гідроенергетичними ресурсами Східна Сибір. Там протікають річки Лена, Ангара, Єнісей, Об і Іртиш. Гідропотенціал цього регіону оцінюється в 1000 млрд кВт-годин.

Саяно-Шушенська ГЕС імені П. С. Непорожнего

Потужність цієї гідроелектростанції дорівнює 6400 МВт. Це сама потужна ГЕС в Російській Федерації, а у світовому рейтингу вона посідає 14-е місце.

Ділянка Єнісею, який називається Саянским коридором, сприятливий для побудови гідроелектростанцій. Тут річка проходить крізь гори Саяни, утворюючи безліч порогів. Саме в цьому місці збудовано Саяно-Шушенська ГЕС, а також і інші ГЕС, утворюють каскад. Саяно-Шушенська ГЕС є самою верхньою сходинкою в цьому каскаді.

Будівництво велося з 1963-го по 2000 рік. Конструкція станції складається з греблі висотою 245 метрів і довжиною 1075 метрів, будівлі ГЕС, розподільного пристрою і конструкції водоскиду. У будівлі ГЕС знаходяться 10 гідроагрегатів потужністю 640 МВт.

Утворилася після будівництва греблі водосховище має обсяг понад 30 км3, а його загальна площа становить 621 км2.

Великі ГЕС Російської Федерації

Гідроенергетичні ресурси Сибіру в даний час використовуються на 20 %, хоча тут побудовано багато досить великих ГЕС. Найбільша серед них – це Саяно-Шушенська ГЕС, за якою йдуть наступні гідроелектростанції:

  • Красноярська ГЕС потужністю 6000 МВт (на Єнісеї). На ній встановлений суднопідіймач, поки що єдиний в Російській Федерації.
  • Братська ГЕС потужністю 4500 МВт (на Ангарі).
  • Усть-Ілімськ ГЕС потужністю 3840 МВт (на Ангарі).

Менше всього освоєно потенціал Далекого Сходу. За оцінками фахівців, гідропотенціал цього регіону використовується на 4 %.

Джерела гідроенергії в Західній Європі

У країнах Західної Європи гідроенергетичний потенціал використовується майже повністю. Якщо він ще й досить високий, то такі країни повністю забезпечують себе електричною енергією за рахунок ГЕС. Це такі країни, як Норвегія, Австрія і Швейцарія. Норвегія займає перше місце в світі з виробництва електричної енергії на одного жителя країни. У Норвегії ця цифра становить 24 000 кВт-годин на рік, а 99,6 % цієї енергії виробляється саме на гідроелектростанціях.

Гідроенергетичні потенціали різних країн Західної Європи помітно відрізняються один від одного. Це пов’язано з різними умовами місцевості і різних стокообразованием. 80 % загального гидроэнергопотенциала Європи зосереджено в горах з високими показниками стоку: західна частина Скандинавії, Альпи, Балканський півострів і Піренеї. Загальний гідроенергетичний потенціал Європи дорівнює 460 млрд кВт-год на рік.

Запаси палива в Європі дуже малі, тому енергетичні ресурси річок освоєні досить значно. Наприклад, у Швейцарії ці ресурси освоєні на 91 %, у Франції – на 92 %, в Італії – на 86 %, а в Німеччині – на 76 %.

Каскад ГЕС на річці Рейн

На цій річці побудований каскад гідроелектростанцій, що складається з 27 ГЕС загальною потужністю близько 3000 МВт.

Одна зі станцій побудована ще в 1914 році. Це ГЕС Laufenburg. Вона двічі піддавалася реконструкції, після чого її потужність становить 106 МВт. Крім того, станція відноситься до пам’яток архітектури і є національним надбанням Швейцарії.

ГЕС Rheinfelden відноситься до сучасних ГЕС. Її запуск був здійснений в 2010 році, а потужність становить 100 МВт. У конструкцію входять 4 гідроагрегату по 25 МВт. Ця ГЕС споруджена замість старої станції, побудованої ще в 1898 році. Стара станція зараз знаходиться на реконструкції.

Джерела гідроенергії в Африці

Гідроенергетичні ресурси Африки обумовлені протікають по її території ріками: Конго, Нілом, Лімпопо, Нігер та Замбезі.

Річка Конго володіє значним гидроэнергопотенциалом. Частина русла цієї річки має каскад водоспадів, відомих як пороги Інга. Тут водний потік спускається з висоти 100 метрів зі швидкістю 26 000 м3 в секунду. У цій місцевості і були побудовані 2 ГЕС: “Інга-1” і “Інга-2”.

Уряд Демократичної Республіки Конго в 2002 році затвердив проект побудови комплексу «Велика Інга», який передбачав реконструкцію існуючих ГЕС “Інга-1” і “Інга-2” і будівництво третьої – “Інга-3”. Після здійснення цих планів вирішено побудувати найбільший у світі комплекс «Велика Інга».

Цей проект був темою обговорення на Міжнародній конференції з енергетики. Прийнявши до уваги стан водних і гідроенергетичних ресурсів Африки, представники бізнесу та урядів країн Центральної і Південної Африки, які були присутні на конференції, схвалили цей проект і встановили його параметри: потужність «Великий Інги» встановлена в розмірі 40 000 МВт, що більше найпотужнішою ГЕС «Три ущелини» майже в 2 рази. Здача в експлуатацію ГЕС заплановано на 2020 рік, а витрати на будівництво передбачаються в розмірі 80 млрд доларів.

Після того як проект буде реалізований, ДРК стане найбільшим постачальником електроенергії в світі.

Енергосистема країн Північної Африки

Північна Африка розташована уздовж узбережжя Середземного моря і Атлантичного океану. Цей район Африки називається Магриб, або Арабський Захід.

Гідроенергетичні ресурси в Африці розподілені нерівномірно. На півночі континенту знаходиться найжаркіша пустеля світу – Сахара. Ця територія відчуває дефіцит води, тому забезпечення водою цих регіонів – найважливіше завдання. Її рішенням є будівництво водосховищ.

Перші водосховища з’явилися в Магрибі ще в 30-ті роки минулого століття, потім багато їх будувалася в 60-ті роки, але особливо інтенсивне будівництво почалося в 21-му столітті.

Гідроенергетичні ресурси Північної Африки визначаються в основному протікає тут річкою Ніл. Це найдовша річка світу. У 60-ті роки минулого століття на цій річці була побудована Асуанська гребля, після будівництва якої утворилося величезне водосховище довжиною близько 500 км, а завширшки близько 9 км. Заповнення водосховища водою відбувалося протягом 5 років з 1970-го по 1975 рік.

Асуанська гребля була побудована Єгиптом при співпраці з Радянським Союзом. Це був інтернаціональний проект, в результаті здійснення якого вдається виробляти до 10 млрд кВт-годин електроенергії на рік, контролювати рівень води в річці Ніл під час паводків, накопичувати воду у водосховищі протягом тривалого часу. Від водосховища розходиться мережа каналів, зрошують поля, а на місці пустелі з’явилися оазиси, все більше площ використовується для землеробства. Водні та гідроенергетичні ресурси Північної Африки використані з максимальною результативністю.

Розподіл світового гідроенергетичного потенціалу

  • Азія – 42 %.
  • Африка – 21 %.
  • Північна Америка – 12 %.
  • Південна Америка – 13 %.
  • Європа – 9 %.
  • Австралія і Океанія – 3 %

Світовий гідроенергетичний потенціал оцінено в 10 трлн кВт-годин електричної енергії.

20-е століття можна назвати століттям гідроенергетики. 21-е століття вносить в історію цій галузі свої доповнення. У світі підвищилася увага до гідроакумулюючим станцій (ГАЕС) та приливним електростанцій (ПЕС), використовують для отримання електричної енергії чинності морських припливів. Розвиток гідроенергетики триває.