История водяного колеса, применявшегося для вращения мельничных жерновов, а также для подъема и подачи воды в напорные системы орошения и водоснабжения, началась за много веков до нашей эры. В 200 г. н. э. римляне построили уже целый мукомольный комплекс, состоящий из 16 мельниц, приводимых в движение вертикальными черпаковыми колесами. Специальные передаточные устройства позволяли менять скорость вращения жерновов, а производительность всего комплекса составляла 28 т муки в сутки. Различные усовершенствования, вносимые в конструкцию таких колес, позволяли дробить и молоть зерно, пилить бревна, приводить в движение прядильные и ткацкие станки, резать камень, поднимать молоты, давить виноград. В XIV в. в Европе насчитывались десятки тысяч водяных колес, снабжавших различные предприятия механической энергией.
В XIX в. гидравлическая энергия стала использоваться для производства не только механической, но и электрической энергии. Начало этому положило изобретение турбины французским инженером Б. Фурнероном в 1820 г. Позднее, в 1847 г., Дж. Френсис изобрел реактивную турбину, а в 1880 г. была сконструирована ковшовая гидротурбина (турбина Пелтона). В 1882 г. эта турбина была соединена с генератором, что позволило использовать гидравлическую энергию для производства электричества. И наконец, важнейшим событием было получение переменного тока Дж. Вестингаузем на Ниагарском водопаде в 1901 г. Все это создало основу для последующего развития гидроэнергетики.
Гидроэнергия, под которой обычно понимается энергия рек, является возобновляемой и обязана своим происхождением солнечной энергии. Солнце испаряет воду морей и океанов, которая потом проливается дождями над всей территорией земного шара.
На Земле 10-8 т воды, однако лишь 1/2000 часть ее ежегодно вовлекается в круговорот, испаряясь и вновь выпадая на поверхность в виде дождя или снега. Ежегодно из океанов испаряется 430 тыс. км3 воды, с суши — 70 тыс. км3, 390 тыс. м3 из них выпадает в виде осадков обратно в океаны и 110 тыс. км3 на сушу. Таким образом, ежегодно примерно 40 тыс. км3 воды стекает с континентов в океаны. Если средняя высота континентов 800 м, то легко подсчитать, что потенциальная мощность гидроэнергетических ресурсов на земном шаре составляет 10 ТВт (примерно современный объем общемирового потребления электроэнергии — 330 тыс. ТВт ч/год). Однако всего около 15% может быть рентабельно использовано.
Еще полвека назад около 40% электроэнергии в мире вырабатывали гидростанции, сегодня их доля лишь 23%. В мире действуют более 70 гидроэлектростанций, каждая мощностью выше 1000 МВт (некоторые до 10 тыс. МВт), и миллионы установок мощностью несколько киловатт. Положительными сторонами гидроэнергетики является то, что она использует возобновляемый источник и обладает высоким КПД, поскольку электричество получается непосредственно из механической энергии, а не из тепловой и дает возможность применять установки практически любого размера.
Советский Союз располагает почти 12% мировых гидроэнергетических ресурсов — 38 тыс. ТВт-ч/год. Из них технически доступно для использования около 21 тыс. ТВт-ч/год. Это связано прежде всего с тем, что гидроресурсы у нас в стране распределены очень неравномерно - около 70% приходится на районы Сибири и Дальнего Востока. Сооружение крупных электростанций в этих малообжитых районах представляет собой сложную народнохозяйственную задачу. Тем не менее уже сегодня на великих сибирских реках сооружены самые мощные в мире ГЭС: Красноярская мощностью 6 тыс. МВт и Братская — 4,3 тыс. МВт. Еще более мощной будет строящаяся сейчас на Енисее Саяно-Шушенская ГЭС (рис. 20). Типичная схема гидроэлектростанции показана на рис. 21. Электричество вырабатывается генератором, приводимым во вращение гидравлической турбиной. Вода подается к турбине по напорному трубопроводу, проложенному через плотину. Она задерживает водный поток, чтобы регулировать напор и накапливать воду для дальнейшего использования. Напор на турбине равен разности уровней между верхним и нижним бьефами.
Рис. 20. Плотина Саяно-Шушенской ГЭС
Простейшим типом гидроэнергетических систем является деривационная ГЭС, не имеющая плотины и водохранилища. Вода отводится из русла реки по открытому каналу или трубопроводу, которые подают ее на некоторое расстояние вниз по течению, но с меньшим наклоном уровня, чем в самой реке. Тем самым достигается относительное превышение, после чего вода сбрасывается по напорному трубопроводу на турбину, расположенную па уровне реки ниже по течению (рис. 22). Такой тип ГЭС не требует создания дорогостоящих плотин и аккумулятивных водохранилищ, необходима только деривационная плотина для стабилизации и регулирования подвода воды.
Гидроэлектростанции малой мощности (МГЭС) строились еще в прошлом веке. Это были простейшие сооружения, порой из дерева, и многие разрушались при первом же серьезном паводке. До сих пор неясно, какие ГЭС считать малыми. Дело в том, что единой классификации еще не выработано и в разных странах свои категории. Например, в США это станции мощностью меньше 30 МВт, в Юго-Восточной Азии — меньше 12 МВт.
Рис. 21. Схема гидроэлектростанции
1 — турбина; 2 — генератор
Рис. 22. Схема деривационной ГЭС
1 — турбина; 2 — генератор
В нашей стране к малым относят ГЭС с единичной мощностью турбины 0,01—10 МВт при диаметре рабочего колеса менее 3 м. Это связано с тем, что изготовление гидроагрегатов большого диаметра требует принципиально другой технологии. Поскольку на таких станциях обычно устанавливаются две-три турбины, то верхний предел мощности МГЭС около 30 МВт. Их можно строить на малых, средних и в отдельных случаях на крупных реках (при неполном использовании речного стока). Сегодня во Франции действует 1100, в Швеции — 1200, Японии — 1300 малых ГЭС. Значительно опережает всех в этой области Китай, где 90 тыс. станций общей мощностью 7200 МВт производят 12 ТВт-ч электроэнергии.
По приблизительной оценке института «Гидропроект», потенциал МГЭС европейской части нашей страны составляет около 90 ТВт-ч. А сколько электроэнергии можно получить, если рассматривать всю территорию СССР, и так ли уж они нужны нашей стране? (Ведь именно в сооружении гидроэлектростанций-гигантов СССР занимает ведущее место в мире, причем технический прогресс осуществлялся главным образом за счет увеличения единичной мощности агрегатов; так, на Красноярской ГЭС работает 12 турбин по 500 МВт каждая, а на Саяно-Шушенской ГЭС устанавливаются гидроагрегаты по 640 МВт.) Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассмотреть несколько факторов. Во- первых, примем во внимание, что даже те районы, которые подсоединены к ЕЕЭС, испытывают сегодня недостаток в электроэнергии и в напряженные периоды потребителей приходится ограничивать. Во-вторых, у нас действует большое число маломощных электростанций. Особенно дорого обходится дизельное топливо на севере, северо-востоке, в высокогорных районах Средней Азии и на Дальнем Востоке, где затраты на его транспортировку очень высоки. В связи с этим себестоимость электроэнергии здесь достигает 1 коп./кВт-ч. На МГЭС стоимость энергии в основном не превышает 2 коп./кВт-ч, а на 60% действующих МГЭС — менее 1 коп./кВт-ч. Ясно, что даже частичная замена дизельных станций позволит не только сберечь остродефицитное топливо (жидкое), но и сэкономить миллионы рублей.
Еще один важный аргумент в пользу МГЭС. В отличие от крупных гидроузлов они практически не изменяют природных условий: не затапливают больших земельных участков и даже снижают пики половодья. Кроме того, они улучшают водообмен и аэрацию. Наконец, такие станции ни в коей мере нельзя рассматривать как альтернативу большой энергетике. Эти направления должны развиваться параллельно, дополняя друг друга. МГЭС мощностью 1 МВт может обеспечить энергией до 500 полностью электрифицированных (с электроотоплением, горячим водоснабжением, кондиционированием воздуха) современных жилых домов в сельской местности. Если же мощность будет 10 МВт, то ее хватит для энергоснабжения крупного поселка. МГЭС могут служить надежным маневренным резервом промышленных предприятий. Варианты размещения МГЭС самые разнообразные. За рубежом они уже устанавливаются в системах энергоснабжения, в судо- пропускных сооружениях, на промышленных объектах, где в технологии используются большие массы воды с перепадами высот, например на сбросах воды горно- обогатительных предприятий, тепловых и атомных станций. Словом, энергия берется повсюду, где она раньше просто терялась. Методику для определения эффективности МГЭС еще предстоит разработать. Сейчас начинается разработка основных направлений развития малой гидроэнергетики в СССР, что позволит определить экономически обоснованные масштабы ее внедрения.
Возвращение МГЭС будет происходить на новом техническом уровне. Прежде всего сроки сооружения не должны превышать один-два года, а стоимость в зависимости от продолжительности работы станции, ее мощности и т. д. должна составлять 260—1000 руб./кВт для европейской части СССР и 300—3500 руб./кВт для районов, где используется дизельное топливо. Как же выполнить все эти требования? Главный путь — отказ от индивидуального проектирования и создание унифицированных проектов сооружений и оборудования. Строительство станций должно быть блочным. Такой подход делает МГЭС на 12—30% дешевле. Новые станции необходимо создавать полностью автоматизированными, а оборудование — простым и надежным. Из перечисленного ясно, что проблема возвращения МГЭС достаточно сложна.
Предполагается в ближайшее время обследовать тысячи действующих и выведенных из эксплуатации объектов и дать предложения по их модернизации и восстановлению. Чтобы выработать принципы создания МГЭС, необходимо построить пять-шесть опытных станций. Уже намечено, где они могут быть сооружены. Это Курское и Владимирское водохранилища, Невинномысский канал, подбираются объекты в Средней Азии и на Дальнем Востоке.
МГЭС с вертикальной пропеллерной турбиной, рассчитанной на напор 10 м и расход воды до 10 м3/с, могут быть построены на таких реках, как Воронеж и Десна. Здание МГЭС будет вынесено в верхний бьеф и совмещено с водоприемником. Это позволит сократить объем строительно-монтажных работ и облегчит условия эксплуатации станции. Все гидротехническое оборудование будет находиться ниже уровня воды (на поверхности — 25% здания). Чтобы обеспечить надежную гидроизоляцию, степы должны быть покрыты современными полимерными материалами. МГЭС с вертикальной радиальной осевой турбиной, рассчитанной на напор до 50 м и расход воды до 40 м3/с, можно строить па крупных каналах, водохранилищах практически при любой геологии основания, даже на скользкой глине. МГЭС с горизонтальной осевой турбиной, сооружаемой па водохранилищах с напором до 15 м и расходом воды до 30 м3/с, не требует значительного заглубления фундамента станции, что на четверть сокращает ассигнования на строительство этой МГЭС.
Проблемы рационального использования энергетических ресурсов и наиболее эффективного режима работы электростанций названы в Энергетической программе СССР в числе важнейших. Как преодолеть нехватку электроэнергии в час «пик», как лучше распорядиться ее избытком в ночные часы? Значительная роль в решении этих вопросов принадлежит электростанциям с высокосовременным оборудованием — гидроаккумулирующим, парогазовым и газотурбинным. Предусматривается, в частности, строительство гидроаккумулирующих электростанций в европейской части СССР.
Электрическая энергия, производимая электростанциями, расходуется неравномерно — по временам года и по часам суток. На многих ГЭС ночью и днем работает лишь часть агрегатов, зато утром и вечером поднимаются все затворы, открывая путь потокам воды на лопатки турбин. Правда, соединение нескольких энергосистем в крупную, объединенную позволяет в случае необходимости «перекачивать» энергию из одной системы в другую, из одного часового пояса (где час «пик» прошел) в другой (где он только что наступил). Но эти меры не всегда эффективны. Во-первых, потому что переброска энергии на большие расстояния связана со значительными техническими сложностями и немалыми потерями, во-вторых, колебания энергопотребления бывают столь велики, что мощностей соседних систем просто не хватает, чтобы их компенсировать.
Посмотрим, скажем, как колеблется в среднем за одни сутки электрическая нагрузка в объединенной энергосистеме северо-запада страны. Коэффициент неравномерности — отношение минимальной нагрузки к максимальной — составляет 0,58. Иначе говоря, разница почти в 3 раза, а иногда и больше. Следует учесть, что потребление энергии в европейской части страны в будние дни на 20—30% больше, чем в воскресные, а зимнее потребление на 25—35% выше летнего. Колебания столь велики, что «перетока» энергии из системы в систему недостаточно, не хватает и запасов воды в водохранилищах ГЭС, чтобы компенсировать перепады энергопотребления. На первый взгляд проблемы нет. Больше нужно электроэнергии — значит, надо включить дополнительно несколько агрегатов на электростанциях. При меньшей потребности в энергии необходимо отключить часть блоков и остановить турбины. Однако все не так просто. Запустить и остановить на тепловой электростанции энергоблок мощностью, например, 300 тыс. кВт нелегко: на это уходит довольно много времени. Причем весь этот период агрегат будет работать в так называемом нерасчетном режиме, непроизводительно расходуя топливо и вырабатывая ресурс. Еще сложнее обстоят дела на атомной электростанции (АЭС). Пики нехватки электроэнергии постоянно сменяются другими пиками — избытка. Тогда электроэнергию можно было бы направить каким-либо потребителям, но таких потребителей не хватает. И получается, что потери для народного хозяйства неизбежны: в одних случаях в результате отключений промышленных предприятий, что, естественно, приводит к уменьшению выпуска готовой продукции; в других — из-за того, что в дневные и ночные часы блоки тепловых и атомных электростанций могли бы производить дополнительную энергию, но ее некуда девать.
Трубопроводы (их называют водопроводы) соединяют два огромных искусственных озера, два бассейна — верхний и нижний. По этим трубам, внутри которых мог бы проследовать даже автомобиль, вода дважды в день устремляется из верхнего бассейна в нижний, приводя в действие гидроагрегаты. Всего полтора- два часа будут вращаться турбины, прежде чем полностью опорожнится верхний бассейн. Но это будут те самые утренние и вечерние часы «пик», когда каждый дополнительный киловатт-час электроэнергии в народном хозяйстве буквально па вес золота. Итак, понизился уровень воды в верхнем бассейне и соответственно повысился в нижнем. Замолкли, остановились турбины. Но ненадолго. Спустя некоторое время снова наполнился мерным гулом машинный зал станции. Однако теперь на шипы генераторов подается ток других электростанций (ведь «пик» энергопотребления уже прошел); в результате генераторы обратились в электродвигатели, а турбины, завращавшись в обратную сторону, — в насосы. Снова по трубопроводам потекла вода, но только теперь снизу вверх, из нижнего бассейна в верхний. Идет процесс накопления воды в верхнем аккумулирующем бассейне. Затраты на это, конечно, требуются немалые. Но в данном случае используется энергия «непиковых» часов, которая прежде вообще не использовалась. Через 5—6 ч, когда верхний бассейн вновь заполнится и наступят часы вечернего «пика» энергопотребления, станция вновь перейдет из режима «насос» в режим «турбина» и снова потечет по проводам дополнительная энергия. И так все время. Разработана программа, и выбраны точки для возведения примерно полутора десятков гидроаккумулирующих станций в разных районах Советского Союза. Заметим, что почти все гидроаккумулирующие станции выполняют различные «подсобные функции». И есть среди них одна, особенно важная.
Дело в том, что внезапное, непредусмотренное увеличение потребления энергии каким-либо предприятием, аварийный выход из строя энергоблока, обрыв линии электропередачи вызывают резкие колебания частоты в энергосистемах. Такое снижение качества электроэнергии — явление нежелательное, даже пагубное для моторов, станков, ЭВМ, бытовых приборов. Чтобы этого не происходило, необходимо вводить резервные мощности не только в «пиковые» часы. В подобных ситуациях быстро прийти на помощь в энергосистемах могут ГАЭС. Они нередко строятся специально па случай каких-либо «энерго-ЧП». Такова, например, ГАЭС Динорвик (Англия) мощностью 1,8 млн кВт.
Есть у ГАЭС и недостатки. Строить их можно не везде, а только там, где удается найти участок земли со значительными перепадами высот. Таких мест, скажем, в европейской части страны, где проблема энергетического часа «пик» стоит особенно остро, немного. Кроме того, ГАЭС, как и ГЭС, сооружаются относительно долго и требуют для своего создания больших трудовых ресурсов. Правда, есть ряд способов удешевить создание таких станций. ГАЭС можно возводить в одном комплексе, например, с мощной тепловой, атомной или гидравлической станцией. В этом случае нужно строить лишь верхний бассейн, а в качестве нижнего использовать пруд-охладитель — неотъемлемую часть любой тепловой и атомной станции — либо водохранилище ГЭС. У нас в стране уже ведется сооружение первого такого комплекса на реке Южный Буг, где ГАЭС как бы дополняет разместившиеся на одной площадке крупные АЭС и ГЭС. Планируемая суммарная мощность этого одного из крупнейших энергетических комплексов страны 6,1 тыс. МВт; он будет ежегодно вырабатывать около 30 млрд кВт-ч электроэнергии — втрое больше, чем сейчас дает весь гидроэнергетический каскад на Днепре. Создание таких энергокомплексов, помимо существенной экономии капиталовложений, способствует эффективной концентрации энергетических мощностей, а также более рациональному использованию водных ресурсов.
Гидроаккумулирующие станции сооружаются ныне во многих странах мира, и общая их мощность достигает уже десятков миллионов киловатт. Наиболее крупные возведены в США; в их числе самые большие в мире ГАЭС — Ладингтон мощностью 1872 тыс. кВт и Рэккун Маунти — 1560 тыс. кВт. В Японии, например, мощность ГАЭС превышает 6% общей мощности всех станций. Много делается и для повышения эффективности гидроаккумулирующих станций.
Технологический процесс производства гидроэнергии экологически безвреден. При нормальном состоянии оборудования ГЭС отсутствуют какие-либо вредные выбросы в окружающую среду. Но создание крупных водохранилищ ГЭС на равнинных реках практически всегда влечет за собой ряд изменений в природных условиях и в объектах народного хозяйства затрагиваемой территории. Воздействие крупных водохранилищ на природные условия больших территорий очень многообразно. Оно может быть положительным и отрицательным.
Положительное значение водохранилищ как регуляторов стока распространяется на территории значительно большие, чем те, на которых оно располагается. Так, энергетический эффект регулирования стока проявляется не только в тех энергосистемах, в которых работает данная ГЭС, но при достаточно высокой ее мощности и в их объединениях. Орошение земель и защита плодородных угодий от наводнений, осуществляемые с помощью водохранилищ ГЭС, охватывают площади, в ряде случаев значительно превышающие площади затоплений. Однако нередко естественные неуправляемые процессы, происходящие в водохранилищах, приводят к неблагоприятным последствиям.
Различают прямое и косвенное воздействие водохранилищ на окружающую природу. Прямое воздействие проявляется прежде всего в постоянном и временном затоплении и подтоплении земель. Большая часть этих земель относится к высокопродуктивным сельскохозяйственным и лесным угодьям. Зоны подтопления образуются в результате подъема грунтовых вод и приводят к заболачиванию земель, подтоплению различных сооружений и населенных пунктов и к связанному с этим ухудшению санитарных условий местности.
Сооружение крупных водохранилищ приводит, кроме того, к созданию условий для возникновения или повышения сейсмической активности в прилегающих к ним районах. Три наиболее мощных землетрясения во время заполнения водохранилищ и на начальной стадии их эксплуатации произошли в Кренасте (Греция), Карибе (Замбия) и Койне (Индия). Сила наибольших толчков составляла от 7 до 9 баллов по шкале Рихтера. Землетрясения привели к трагическим последствиям — значительным разрушениям, повреждению плотин и человеческим жертвам. Следует заметить, что водохранилище Кариба (по объему и высоте плотины оно чуть меньше нашего Братского) расположено в несейсмической зоне. Известно более 10 землетрясений (однако без разрушительных последствий), происшедших в последнее время в Швейцарии, Японии, Югославии, Канаде, Франции, США, Италии, Алжире.
Процесс регулирования стока и происходящие в связи с этим частые колебания уровня воды в водохранилище вызывают переформирование его берегов и дна, что, в свою очередь, сопровождается увеличением акватории водохранилища, отложением в нем размытых пород, образованием подводных отмелей и отложением взвешенных насосов. Кроме того, изменяется гидрологический режим в обоих бьефах. Из-за увеличения зеркала водной поверхности резко возрастают потери воды на испарение, что влечет за собой заметное увеличение безвозвратных изъятий воды из реки. Изменяется собственно гидрологический режим реки. Вследствие срезки пиков половодий водохранилищами ГЭС уменьшаются затопления в нижнем бьефе, замедляются скорости и увеличиваются уровни воды в верхнем бьефе. Изъятие воды из водохранилища в меженный период приводит к возрастанию расходов воды, уровней и скоростей течения в нижнем бьефе. Меняется температура воды. Летом и осенью в водохранилище она становится ниже, чем в реке, что приводит к более раннему ледоставу, сокращению сроков навигации, неблагоприятному воздействию на фауну. Зимой температура воды глубинных слоев в водохранилище выше, чем в реке. Поэтому после прохождения воды через турбины ГЭС в нижнем бьефе возникают полыньи, длина которых нередко достигает нескольких десятков километров.
Появление больших водных поверхностей значительно усиливает волновые процессы переформирования берегов. В некоторых водохранилищах из-за мелководий происходят, как правило, неблагоприятные гидробиологические и гидрохимические процессы. В результате разлагаются органические вещества и цветет вода, а также ухудшается в связи с этим санитарное состояние водоема. Плохо очищенные сточные воды и малые скорости течения усугубляют это положение.
Косвенные воздействия водохранилищ на окружающую среду изучены не так полно, как прямые, но некоторые формы их проявления очевидны и сейчас. Так обстоит дело, например, с изменением климата в зоне влияния водохранилища: повышается влажность воздуха и образуются довольно частые туманы, уменьшается облачность днем над акваторией и уменьшаются среднегодовые суммы осадков, изменяется направление и скорость ветра, уменьшаются амплитуды колебания температуры воздуха в течение суток и года. Количество осадков в прибрежной зоне заметно увеличивается, а среднегодовая температура воздуха в зоне крупных южных водохранилищ несколько снижается. Наблюдаются изменения и других метеорологических показателей. Изменение климата вместе с подтоплением и переформированием берегов иногда ведет к ухудшению состояния прибрежной древесной растительности и даже к ее гибели.
К косвенным воздействиям водохранилищ следует отнести появление территорий, которые становятся менее пригодными для использования в хозяйственных целях (например, острова в верхнем бьефе, осуходоленные поймы в нижнем бьефе и др.).
Водохранилища влияют также на рыбное хозяйство, препятствуя проходу рыбы к местам нерестилищ.
Конечно, было бы неправильно утверждать, что все прямые и косвенные воздействия водохранилищ ГЭС на окружающую среду (а их гораздо больше, чем здесь рассмотрено) имеют только негативную сторону. Скажем, появление в верхнем бьефе мелководий играет и положительную роль, поскольку там можно разводить рис, водоплавающую птицу, ондатру, нутрию и т. п.. Заиление прибрежной зоны, нежелательное во многих отношениях, создает возможность получения высокоэффективных удобрений из ила.
