Гидроэнергетика

Гидроэнергетика, раздел энергетики, связанный с использованием потенциальной энергии водных ресурсов.

Человек ещё в глубокой древности обратил внимание на реки как на доступный источник энергии. Для использования этой энергии научились строить водяные колёса, которые вращала вода; этими колёсами приводились в движение мельничные постава и др. установки. Водяная мельница является примером древнейшей гидроэнергетические установки, сохранившейся во многих местах до нашего времени почти в первобытном виде. До изобретения паровой машины водная энергия была основной двигательной силой на производстве. По мере совершенствования водяных колёс увеличивалась мощность гидравлических установок, приводящих в движение станки, молоты, воздуходувные устройства и т. п. Об использовании водной энергии на территории СССР свидетельствуют материалы археологических исследований, в частности проведённых на территории Армении и в бассейне р. Амударья. В 17 в. в России единственной энергетической базой развивавшегося мануфактурного производства были водяные колёса. Замечательные успехи в строительстве вододействующих или гидросиловых установок в России были достигнуты в 18 в. в горнорудной промышленности на Урале и Алтае. Гидросиловые установки были неотъемлемой частью металлургического, лесопильного, бумажного, ткацкого и др. производств. К концу 18 в. в России было уже около 3000 мануфактур, использовавших водную энергию рек. Были созданы уникальные для того времени гидросиловые установки. Например, в 1765 водный мастер К. Д. Фролов соорудил на р. Корбалиха (Алтай) гидросиловую установку, в которой вода подводилась к рабочему колесу по специальному каналу. Образовавшийся перепад между каналом и рекой использовался в установке для вращения водяного колеса, которое при помощи системы остроумно осуществленных передач приводило в движение группу машин, в том числе предложенный К. Д. Фроловым внутризаводской транспорт в виде системы вагонеток. В 1787 К. Д. Фролов завершил строительство деривационной четырехступенчатой подземной гидросиловой установки на р. Змеевка, не имевшей себе равных как по схеме, так и по масштабу и уровню технического исполнения. Самые мощные водяные колёса диаметром 9,5 м, шир. 7,5 м были установлены в конце 18 в. в России на р. Нарова для Кренгольмской мануфактуры. При напоре 5 м они развивали мощность до 500 л. с. С появлением паровой машины примитивные вододействующие установки начали утрачивать своё значение. Для того чтобы конкурировать с паровой машиной, необходимо было иметь более совершенные двигатели, чем громоздкие и сравнительно маломощные водяные колёса. В 1-й половине 19 в. была изобретена гидротурбина, открывшая новые возможности перед Г. С изобретением электрической машины и способа передачи электроэнергии на значительные расстояния Г. приобрела новое значение уже как направление электроэнергетики; началось освоение водной энергии путём преобразования её в электрическую на гидроэлектрических станциях (ГЭС).

В царской России к 1913 насчитывалось около 50 тыс. гидросиловых установок общей мощностью почти 1 млн. л. с.; из них около 17 тыс. были оборудованы гидротурбинами. Суммарная годовая выработка электроэнергии на всех ГЭС не превышала 35 млн. квт /ч при установленной мощности около 16 Мвт.

О крайней отсталости царской России в развитии Г. свидетельствует тот факт, что в 1913 в др. странах общая мощность действующих ГЭС достигла 12000 Мвт, причём были построены такие крупные электростанции, как, например, ГЭС Адамс на Ниагарском водопаде (США) мощностью 37 Мвт. Только после Великой Октябрьской социалистической революции началось широкое освоение гидроэнергетических ресурсов страны. 13 июня 1918 СНК принял решение о строительстве Волховской ГЭС мощностью 58 Мвт - первенца советской Г. В 1920 по указанию и при непосредственном участии В. И. Ленина был составлен план электрификации России - план ГОЭЛРО. В нём предусматривалось сооружение 10 ГЭС общей установленной мощностью 640 Мвт. В 1927 начато строительство самой крупной для того времени гидростанции в Европе- Днепровской ГЭС мощностью 560 Мвт; с её пуском в 1932 СССР в строительстве гидростанций достиг уровня наиболее развитых стран мира. За 1917-70 Советский Союз стал одной из ведущих стран в области Г.: по установленной мощности гидроэлектростанций в 1970 СССР уступал только США. По запасам же гидроэнергии Советский Союз значительно превосходит все страны мира. Гидроэнергетический потенциал крупных и средних рек в СССР равен 3338 млрд.
квт Їч, в том числе на реках Европейской территории Союза и Кавказа - 588 млрд. квт Їч (или 17,6%) и на территории Азиатского материка - 2750 млрд. квт Їч (или 82,4%).
Экономический потенциал гидроэнергетических ресурсов СССР определён (1965) в размере 1095 млрд. квт Їч среднегодовой выработки (см. табл. 1).
Табл. 1. - Степень освоения гидроэнергетических ресурсов в различных странах мира Страна Экономический потенциал гидроэнерго-ресурсов, млрд. квт Їч Год оценки Выработка электроэнергии на ГЭС, млрд. квт Їч в 1969 Степень использования экономического потенциала гидроэнер-горесурсов, %
СССР 1095 1965 115,2 10,5
США 685 1966 253,3 37,0
Канада 218 1965 151,0 69,3
Япония 132 1967 79,8 60,5
Норвегия 152 1967 57,5 37,5
Франция 70 1967 52,9 75,5
Швеция 80 1966 41,8 52,5
Италия 70 1966 41,7 59,5
Швейцария 32 1967 27,3 85,5
Испания 58 1967 30,7 53,0
Бразилия 657 1966 32,0 4,9
Мексика 73 1967 12,6 17,3
Австрия 38 1966 16,7 44,0 ? Табл. 2. - Место гидроэнергетики в электроэнергетике СССР 1913
1926 1930 1940 1950 1960 1965 1970
Мощность ГЭС, Мвт 16 89 128 1587 3218 14781 22244 31300
Доля ГЭС в общей мощности электростанций страны, % 1,4 5,6 4,5 14,2 16,4 22,2 19,3 18,9
Выработка электроэнергии на ГЭС, млрд. квт-ч 0,035 0,05 0,585 5,11 12,69 50,9 81,4 123,3
Доля ГЭС в выработке электроэнергии в стране, % 1,8 1,4 6,6 10,4 13,9 17,4 16,1 16,6
Народнохозяйственное значение гидроэнергоресурсов огромно: на протяжении многих лет ГЭС являлись единственно возможным источником электроэнергии для многих районов страны. И в 70-х гг. с выявлением огромных запасов топливных ресурсов и созданием объединённых энергетических систем значение Г. не утрачено. Во многих энергосистемах ГЭС составляют основу энергетики и несут почти всю основную нагрузку. Так, например, в Кольской энергосистеме число часов использования мощности ГЭС составляет свыше 5000, а ТЭС - менее 2000 в год. В объединённой энергосистеме Центральной Сибири число часов использования мощности ГЭС и тепловых электростанций почти одинаково (4200 и 4600 в год). В единой энергосистеме Европейской части страны число часов использования мощности ГЭС около 3000.
Важной экономической особенностью гидроэнергетических ресурсов является их вечная возобновляемость, не требующая в дальнейшем дополнительных капиталовложений. Электроэнергия, вырабатываемая на ГЭС, в среднем почти в 4 раза дешевле электроэнергии, получаемой от тепловых электростанций. Поэтому использованию гидроэнергетических ресурсов придаётся особое значение при размещении электроёмких производств. Отсутствие необходимости в топливе и более простая технология выработки электроэнергии приводят к тому, что затраты труда на единицу мощности на ГЭС почти в 10 раз меньше, чем на тепловых электростанциях (с учётом добычи топлива и его транспортирования). Высокая производительность труда на ГЭС является одной из основных её экономических особенностей и имеет важнейшее значение при решении задач энергетического строительства в малообжитых и особенно в удалённых районах Севера страны.
ГЭС являются мобильными энергетическими установками, выгодно отличающимися от паротурбинных тепловых электростанций в области регулирования частоты, покрытия растущих пиковых нагрузок, маневрирования мощностью в период ночного снижения нагрузок и в роли аварийного резерва системы. Это особенно важно для энергосистем Европейской части СССР, где электропотребление в течение суток характеризуется большой неравномерностью.
Огромные гидроэнергетические ресурсы сосредоточены в Восточной Сибири, на рр. Енисей, Ангара, Нижняя Тунгуска и др. Природные условия позволяют получать здесь в больших количествах особенно дешёвую электроэнергию на гигантских ГЭС, мощностью 4000-6000 Мвт каждая. На базе этой дешёвой электроэнергии развивается электроёмкая промышленность. Г. содействовала развитию производительных сил северных районов Восточной Сибири. На долю Г. приходится примерно 19% от мощности всех электростанций и около 16% от выработки электроэнергии в целом по стране (см. табл. 2).
Г. на всех этапах экономического развития СССР имела большое значение в снабжении электроэнергией развивающейся промышленности. В ряде районов страны Г. была основной энергетической базой для развития экономики (Мурманская обл., Карелия, Закавказье, некоторые районы Средней Азии и др.). Г. во многих случаях была ведущей в комплексном использовании водных ресурсов. Крупное гидротехническое строительство явилось по существу первым звеном в реализации больших ирригационных проблем. Построенные и строящиеся ГЭС создали предпосылки для расширения системы орошения на огромных площадях.
Гидроэнергетическое строительство на рр. Волга, Кама, Дон, Днепр и Свирь обусловило их превращение в водные магистрали Европейской части страны, позволило поднять уровень воды на этих реках и создать единую судоходную систему, соединяющую Каспийское, Чёрное, Азовское, Балтийское и Белое моря.
В СССР построены и строятся (1970) крупнейшие ГЭС в мире: Саяно-Шушенская и Красноярская на р. Енисей, Братская им. 50-летия Великого Октября и Усть-Илимская на р. Ангара, Нурекская на р. Вахш, Волжская им. 22-го съезда КПСС, Волжская им. В. И. Ленина.
Огромные масштабы гидротехнического строительства в СССР стали возможны благодаря высокому уровню развития гидротехнической науки, проектирования и строительства. Всё, что было построено и спроектировано в области Г. и гидротехники, осуществлено своими силами, без привлечения иностранных фирм. Сов. Союз впервые в мире начал строить крупные гидроузлы на мягких основаниях. В СССР были построены плотины новых типов, чрезвычайно высокие, а в отдельных случаях - рекордные по высоте в мировой практике: арочные - Ингурская (высота 271 м), Чиркейская (230 м); арочно-гравитационные - Саянская (236 м), Токтогульская (215 м); гравийно-галечниковая - Нурекская (310 м); плотины в районах вечной мерзлоты - Мамаканская, Вилюйская и Хантайская. В 70-х гг. продолжалось строительство крупных гидроузлов с высокими плотинами в высокосейсмичных районах (Токтогульский в зоне свыше 9 баллов и ряд др.). Много нового внесено в проектирование плотин на равнинных реках.
Освоены новые типы гидротурбинного оборудования: на Братской ГЭС им. 50-летия Великого Октября установлены гидроагрегаты по 225 Мвт; на Красноярской - по 508 Мвт. Освоены капсульные горизонтальные гидроагрегаты на Киевской, Каневской и др. ГЭС. В СССР построена (1968) первая приливная электростанция (Кислогубская ПЭС). Сов. опыт гидротехнического строительства находится на уровне мировых достижений.
Лит.: План электрификации РСФСР. Доклад VIII съезду Советов Государственной комиссии по электрификации России, 2 изд., М., 1955; Золотарев Т. Д., Гидроэнергетика, М. - Л., 1955; Нестерук Ф. Я., Развитие гидроэнергетики СССР, М., 1963; Энергетические ресурсы СССР, [т. 2] - Гидроэнергетические ресурсы, М., 1967; Электрификация СССР, под ред. П. С. Непорожнего, М., 1970.
? И. А. Терман.