ВВОДНАЯ ГЛАВА
В.1. ИСТОЧНИКИ ГИДРОЭНЕРГИИ И ЕЕ ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
Гидроэнергия — это механическая энергия, которой обладают перемещающиеся водные массы, в том числе поверхностные водотоки естественного и искусственного происхождения, волны в морях и океанах, приливы и отливы на побережье, морские и океанские течения и т. д.
Гидроэнергия — один из самых мощных источников возобновляющихся энергоресурсов на Земле. Она может многократно использоваться для производства электроэнергии без изменения физической природы ее носителя — воды. В этом существенное отличие гидроэнергии от других наиболее распространенных видов энергии, используемых для получения электроэнергии. В мировом энергетическом балансе гидроэнергия составляет всего несколько Процентов. Вместе с тем абсолютное значение запасов гидроэнергии даже при незначительном уровне использования ее на современном этапе многократно превышает мировое потребление энергии.
Гидроэнергетические ресурсы поверхностных водотоков. Их источник — поверхностные и речные воды, участвующие в вечном круговороте воды в природе. Ежегодно в нем перемещается до 525 100 км3 воды. При этом годовой сток рек составляет 38830 км3, в том числе Австралия —1965, Европа — 3100, Азия — 3190, Африка — 4225, Северная Америка — 5950, Южная Америка — 10 380 км3.
Энергия поверхностного стока оценивается некоторыми средними показателями из-за изменчивости и неповторяемости его режима во времени и составляет в год около 80 000 ТВт-ч. Для сравнения укажем, что мировое потребление всех первичных энергоресурсов составило в 1975 г. 78 000 ТВт-ч. Однако не весь потенциал поверхностного стока может быть использован для получения энергии. В связи с этим принято делить его на три категории: валовый (теоретический), технический и экономический.
Валовым (теоретическим) потенциалом или потенциальными гидроэнергоресурсами называют энергетический потенциал всего поверхностного стока или только части — речного стока.
Технический гидроэнергопотенциал — часть валового, который на современном уровне развития науки и техники может быть использован путем строительства гидроэлектростанций. Он определяется с учетом неизбежных отъемов воды на неэнергетические нужды, потерь воды на фильтрацию, испарение, потерь напора, стока и мощности на самих гидроэлектростанциях.
Экономический потенциал — часть технического потенциала, использование которой экономически целесообразно в настоящее время с учетом требований топливно-энергетического баланса региона, комплексного использования водных ресурсов и охраны окружающей среды.
Энергетический потенциал оценивается, как правило, в киловатт-часах в год (кВт-ч/год) и соответствует средним гидрологическим условиям. Каждый вид гидроэнергетического потенциала изменяется во времени в результате совершенствования гидрологических расчетов, изменения объемов отборов воды на неэнергетические нужды, роста стоимости ископаемого топлива на Земле и многих других факторов. Наиболее изменчив во времени экономический потенциал. Однако и валовой потенциал также может претерпевать значительные изменения. Например, в нашей стране он вырос в 23 раза в период с 1916 г. до нашего времени, а в Японии — в 176 раз с 1910 по 1976 г.
В настоящее время изученный валовой гидроэнергетический потенциал рек Земли составляет 34 921 ТВт-ч/год, а экономический, по оценкам Мировой энергетической конференции (МИРЭК), около 9700 ТВт-ч/год, или около 28% валового потенциала.
В настоящее время гидроэнергетика занимает существенное место в энергетике мира, составляя в среднем пятую часть всех мощностей электростанций и их выработки при использовании менее 20 % экономического гидроэнергопотенциала.
На социалистические страны приходится около 28 % мирового экономического потенциала гидроэнергетики, а на развивающиеся страны — 48%. При этом основная часть неиспользованного мирового экономического потенциала относится именно к развивающимся странам, в которых к настоящему времени освоено около 7 % их экономического потенциала и 5 % находится в стадии освоения. Несмотря на очень низкий уровень освоения гидропотенциала в развивающихся странах, гидроэнергетика занимает во многих из них ведущее положение в электроэнергетике (Заир — 97, Бразилия — 85, Перу — 73, Колумбия — 68, Чили — 47 % и т. д.).
Высок уровень освоения гидроэнергетического потенциала в ряде развитых капиталистических стран: в 1977 г. США — 45, Канада — 42, Япония — 58, Франция — 94, Швеция — 89, Италия — 72, Австрия — 76, Швейцария — 95% и т. д. В ряде стран гидроэнергетика занимает ведущее место в национальной энергетике. Например, в Норвегии — 99,8, Швейцарии — 79, Австрии — 65,9, Швеции — 58,2% и т. д. В последнее десятилетие в связи с резким повышением затрат на производство электроэнергии в мире происходит переоценка экономического потенциала гидроресурсов в сторону его повышения. В таких странах, как ФРГ, Франция, Швейцария, Канада, выработка ГЭС в 1979 г. превысила значение экономического гидропотенциала, оцененного в 1965—1973 гг. Значительные запасы гидроэнергии выявлены в таких развивающихся странах, как Бирма, Заир, Колумбия и др.
Конец 70-х годов за рубежом характеризовался усилением интереса к так называемой малой гидроэнергетике, к которой сегодня относят гидроэлектростанции мощностью до 25—30 МВт. Помимо роста стоимости ископаемого топлива это объясняется уменьшением возможностей строительства крупных ГЭС из-за отсутствия соответствующих створов в ряде стран, необходимостью электрификации удаленных и труднодоступных регионов, повышением требований к охране окружающей среды и многими другими факторами.
Источники потенциала малой гидроэнергетики — неиспользованные малые и средние реки, верховья крупных рек, законсервированные и неиспользуемые в энергетике плотины водохозяйственного назначения, системы ирригационного, промышленного и коммунального водоснабжения, бассейны с приливами, неполностью используемый потенциал работающих ГЭС.
Учет малой гидроэнергетики позволил в ряде стран увеличить общий потенциал гидроэнергоресурсов (США, Италия, Франция и др.).
В Советском Союзе сосредоточено около 12% мировых запасов гидроэнергии. Сток его рек за год составляет в среднем 4387 км3, из них в европейской части 1111 км3. В нашей стране более 150 тыс. рек длиной более 10 км и более 2,8 млн. мелких рек. По оценкам 60-х годов, валовой потенциал поверхностного стока СССР равен 6132 ТВт-ч/год; из них на долю речного стока приходится 3942 ТВт-ч/год. Технический и экономический потенциалы по тем же оценкам составляют 2106 и 1095 ТВт-ч/год соответственно. Уровень освоения гидроэнергетического потенциала в нашей стране меньше, чем в таких странах, как США, Япония, Франция, Канада, Швеция и др. На конец XI пятилетки он составит 22,6% (из них в европейской части до 48, в азиатской — 16,9%). Однако уже сегодня гидроэнергетика играет большую роль в энергетике СССР, составляя пятую часть всех мощностей электростанций и их выработки.
К 2000 г. предполагается дальнейшее освоение мирового гидроэнергопотенциала. По оценкам МИРЭК, относительная доля гидроэнергетики в мировой энергетике вырастет с 4,9% (1985 г.) до 5,4% (2020 г.), что обеспечит экономию около 1,8 млрд. т условного топлива в год в мире на уровне 2020 г. Всего за период с 1985 по 2020 г. гидроэнергия позволит сэкономить, по предварительным оценкам, до 46 млрд. т ископаемого топлива.
Рис. В.1. Схема образования приливной волны на Земле
Гидроэнергетические ресурсы морей и океанов. Энергия приливов-отливов. Природа прилива-отлива определяется в основном взаимодействием сил притяжения в системе трех небесных тел — Земля, Луна, Солнце (рис. В.1). Различие масс и расстояний в этой системе приводит к тому, что Луна действует на водные массы Земли более чем в 2 раза сильнее, чем Солнце, удаленное от Земли на расстояние в 400 раз большее, чем от Луны. В результате взаимодействия указанных небесных тел вокруг Земли возникает поле эллипсовидной формы приливообразующей силы, дважды обегающей Землю в течение суток. Вследствие этого в каждой точке побережья океан дважды в сутки «наступает» на берег (прилив) и дважды «отступает» (отлив). В силу того, что за один оборот вокруг Земли Луна смещается на 1/29 часть своей орбиты по отношению к предыдущим суткам, явление прилива- отлива постоянно запаздывает на 12 мин 30 с в каждые сутки. Чередование прилива-отлива происходит теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. При этом диапазон уровней прилива-отлива во многом определяется взаимным расположением Земли, Луны и Солнца.
Рис. В.2. Мареограмма правильного полусуточного прилива в течение лунного месяца
Если их центры тяжести находятся на одной прямой, то прилив максимальный (сизигия) (рис. В.2). Если они образуют прямоугольный треугольник (Солнце «нейтрализует» силу притяжения Луны), то прилив минимальный (квадратура). Смена сизигия — квадратура происходит каждые 7 сут.
В действительности явление прилива-отлива гораздо сложнее: на него влияют и другие небесные тела, морские течения, ветер, характер побережья, глубина воды в заливе и т. д. Несмотря на это, степень прогноза поведения уровня океана в данной точке побережья практически на любой момент времени достаточно высока.
Потенциальная энергия приливов-отливов связана с механической энергией, которой обладают огромные массы воды, перемещающиеся в это время по побережью. Приливная волна распространяется в глубь океанского побережья иногда на 200—900 км (реки Ганг, Амазонка). Высота приливных волн во многом определяется характером побережья. Чем меньше и уже заливы или устья рек, тем больше приливная волна. В закрытых морях приливы не превышают 50—70 см (Черное, Средиземное).
Самые высокие приливы на Земле имеют место на Атлантическом побережье Северной Америки вблизи границы между США и Канадой. Здесь расположен залив Фанди, в котором прилив достигает 18—20 м и имеются хорошие условия для его использования. Значительные приливные волны имеют место в Магеллановом проливе (13 м), в проливе Ла-Манш (12,2 м), в Гудзоновом проливе (11,8 м), на побережье Индии (до 11,9 м), Англии (до 9,8 м), Франции (до 8,5 м).
Места с достаточно высоким приливом имеются и в СССР; это Кольский полуостров, бассейн Белого моря, побережье Берингова и Охотского морей и другие места Тихоокеанского побережья. Максимальная амплитуда прилива в СССР 12,9 м у мыса Астрономический в Пенжинской губе Охотского моря.
Регионы Земли с амплитудой прилива более 3 м даны на рис. В.3.
Общие теоретические мировые запасы приливной энергии оцениваются зарубежными учеными в 3 ТВт. Однако, только 2 % ее, или 0,06 ТВт, может быть доступно для использования в настоящее время. По данным Л. Б. Бернштейна, мировые запасы приливной энергии равны 1240 ТВт-ч/год. Из них на долю СССР приходится 210 ТВт-ч/год, в том числе 170 ТВт-ч/год — бассейн Охотского моря.
Рис. В.3. Регионы Земли с амплитудой прилива более 3 м
Энергия волн и морских течений. Известны многочисленные попытки использования энергии волн человеком. Первая попытка инженерного использования энергии воли зарегистрирована в 1799 г. С 1856 по 1973 г. только в Англии были выданы свыше 340 патентов на использование энергии волн. Сейчас в мире установлено более 300 навигационных маяков, работающих на энергии волн. Интенсивные работы по использованию энергии волн ведутся в Англии. О побережье Англии в среднем «разбивается» около 120 ГВт волновой энергии, что в 5 раз превышает годовой максимум нагрузки Англии в настоящее время. По исследованиям английских ученых средняя интенсивность волновой энергии на 1 м побережья составляет 70—90 кВт. Зарегистрированы периоды времени обеспеченностью в 1 %, когда интенсивность энергии волн равна 1 МВт/м. Кроме того, импульсная энергия морских волн может достигать 10 МВт/м.
В отличие от приливной энергии волны прибывают к данной точке побережья случайно по направлению, амплитуда их изменяется непрерывно во времени, сменяясь штилем и штормом. Это затрудняет использование энергии волн в энергетике. Однако к настоящему времени известно много эффективных проектов использования волновой энергии. Опытно-промышленные волновые электростанции (ВГЭС) имеются в Англии, Японии, США и других странах.
Общие запасы энергии волн в мире оцениваются в 3 ТВт. Отмечается, что «плавающие» электростанции обладают рядом достоинств по сравнению с другими источниками электроэнергии. Так, они позволяют экономить землю, защищают берег от разрушающего воздействия прибоя, принимая на себя его энергию, уменьшают процесс интенсивного перемешивания воды на мелководье, что способствует разведению рыбы, и т. д.
Огромная энергия аккумулирована в морских течениях — до 5 ТВт. В США были разработаны проекты использования этой энергии путем размещения на океанском дне турбин диаметром 170 м. В этом случае только течение Гольфстрим у полуострова Флорида теоретически может обеспечить несколько гигаватт мощности. До 10—15 ГВт можно извлечь из морских течений у берегов Англии. Реализация подобных проектов возможна за пределами, по-видимому, лишь 2000 г.
Гидроэнергетические ресурсы ледников. Около 1,65% всей воды на Земле находится в виде льда и полярных и высокогорных регионах (в 16 500 раз больше, чем в реках Земли), причем значительное количество ледников расположено на большой высоте по отношению к уровню Мирового океана. До сих пор использование энергии талой воды ледников производилось с помощью строительства водохранилищ вне ареала ледников, расположенных, как правило, ниже Полярного круга на Земле. Однако уже сейчас разрабатываются проекты использования энергии талой воды ледников даже в высоких широтах, например в Гренландии, Во время летнего периода огромные массы талой воды (до 600 км3) стекают здесь в океан. Общая площадь льда в Гренландии — около 40 тыс. км2 при среднем перепаде высот 2000 м. Исследования указывают на возможность строительства здесь типовых ГЭС мощностью по 5000 МВт каждая (10 агрегатов по 500 МВт типа Красноярской ГЭС в СССР или Черчилл- Фоллс в Канаде), которые могут использовать энергию талой воды ледников Гренландии и обеспечить выработку значительного количества электроэнергии. При этом талая вода по разветвленной системе каналов вначале будет собираться в несколько крупных водохранилищ, а затем сбрасываться в океан, предварительно пройдя через турбины ГЭС. Так, в Южной Гренландии, где есть удобные места для сооружения водохранилищ, при слое талой воды 1 м и напоре 1000 м можно получить до 90 ТВт-ч/год.
Основные трудности реализации этих проектов — строительство водосбросных каналов и водохранилищ и использование полученной сезонной энергии, тем более что основные потребители ее находятся на расстоянии 1000 км в Америке или более 2500 км в Европе.
