Человекеще в глубокой древности обратил внимание на реки как на доступный источникэнергии. Для использования этой энергии люди научились строить водяные колеса,которые вращала вода; этими колесами приводились в движение мельничные поставаи другие установки. Водяная мельница является ярким примером древнейшейгидроэнергетической установки, сохранившейся во многих странах до нашеговремени почти в первозданном виде. До изобретения паровой машины водная энергиябыла основной двигательной силой на производстве. По мере совершенствованияводяных колес увеличивалась мощность гидравлических установок, приводящих вдвижение станки и т.д. В 1-й половине XIX века была изобретена гидротурбина,открывшая новые возможности по использованию гидроэнергоресурсов. Сизобретением электрической машины и способа передачи электроэнергии назначительные расстояния началось освоение водной энергии путем преобразованияее в электрическую энергию на гидроэлектростанциях (ГЭС).
Общие сведения
Гидроэнергоресурсы- это запасы энергии текущей воды речных потоков и водоемов, расположенных вышеуровня моря (а также энергии морских приливов).
Существеннуюособенность в оценку гидроэнергоресурсов вносит то обстоятельство, чтоповерхностные воды — важнейшая составляющая часть экологического балансапланеты. Если все остальные виды первичных энергоресурсов используютсяпреимущественно для выработки энергии, то гидравлические ресурсы должны оцениватьсяи с точки зрения возможностей осуществления промышленного и общественноговодоснабжения, развития рыбного хозяйства, ирригации, судоходства и т.д.
Характернадля гидроэнергоресурсов и та особенность, что преобразование механическойэнергии воды в электрическую происходит на ГЭС без промежуточного производстватепла.
Энергиярек возобновляема, причем цикличность ее воспроизводства полностью зависит отречного стока, поэтому гидроэнергоресурсы неравномерно распределяются в течениегода, кроме того их величина меняется из года в год. В обобщенном видегидроэнергоресурсы характеризуются среднемноголетней величиной (как и водныересурсы).
Вестественных условиях энергия рек тратится на размыв дна и берегов русла,перенос и переработку твердого материала, выщелачивание и перенос солей. Этаэрозионная деятельность может приводить и к вредным последствиям (нарушениеустойчивости берегов, наводнения и др.), и иметь полезный эффект как, например,при выносе из горной породы руды и минеральных веществ, формирование, вынос инакопление различных стройматериалов (галечник, песок). Поэтому использованиегидроресурсов для выработки электроэнергии наносит ущерб формированию другихважных ресурсов.
Использованиегидроэнергетических ресурсов занимает значительное место в мировом балансеэлектроэнергии. В 70-80-х годах вес гидроэнергии находился на уровне примерно26 % всей выработки электроэнергии мира, достигнув значительной абсолютнойвеличины. Выработка электроэнергии ГЭС мира после 2-й Мировой войны рослабольшими темпами: с 200 млрд. квт-ч в 1946 г. до 860 млрд. квт-ч в 1965 г. и975 млрд. квт-ч в 1978 г. А сейчас в мире вырабатывается 2100 млрд. квт-чгидроэергии в год, а к 2000 г. эта величина еще вырастет. Ускоренное развитиегидроэнергетики во многих государствах мира объясняется перспективой нарастаниятопливно-энергетических и экологических проблем, связанных с продолжениемнарастания выработки электроэнергии на традиционных (тепловых и атомных)электростанциях при слабо разработанной технологической основе использованиянетрадиционных источников энергии. Основная часть мировой выработки ГЭС падаетна Северную Америку, Европу, Россию и Японию, в которых производится до 80 %электроэнергии ГЭС мира.
Вряде стран с высокой степенью использования гидроэнергоресурсов наблюдаетсяснижение удельного веса гидроэнергии в электробалансе. Так, за последние 40 летудельный вес гидроэнергии снизился в Австрии с 80 до 70 %, во Франции с 53 доочень малой величины (за счет увеличения производства электроэнергии на АЭС), вИталии с 94 до 50 % (это объясняется тем, что наиболее пригодные к эксплуатациигидроэнергоресурсы в этих странах уже почти исчерпаны). Одно из самых большихснижений произошло в США, где выработка электроэнергии на ГЭС в 1938 г.составляла 34 %, а уже в 1965 г. — только 17 %. В то же время в энергетикеНорвегии эта доля составляет 99,6 %, Швейцарии и Бразилии — 90 %, Канады — 66%.
Гидроэнергетический потенциал и его распределение поконтинентам и странам
Несмотряна значительное развитие гидроэнергетики в мире в учете мировыхгидроэнергоресурсов до сих пор нет полного единообразия и отсутствуютматериалы, дающие сопоставимую оценку гидроэнергоресурсов мира. Кадастровыеподсчеты запасов гидроэнергии различных стран и отдельных специалистовотличаются друг от друга рядом показателей: полнотой охвата речной системыотдельной страны и отдельных водотоков, методологией определения мощности; водних странах учитываются потенциальные гидроэнергоресурсы, в других вводятсяразличные поправочные коэффициенты и т.д.
Попыткаупорядочить учет и оценку мировых гидроэнергоресуров была сделана на Мировыхэнергетических конференциях (МИРЭК).
Былопредложено следующее содержание понятия гидроэнергетического потенциала — совокупность валовой мощности всех отдельных участков водотока, которыеиспользуются в настоящее время или могут быть энергетически использованы.Валовая мощность водотока, характеризующая собой его теоретическую мощность,определяется по формуле:
Nквт = 9,81 QH,
гдеQ — расход водотока, м3/с; H — падение, м.
Мощностьопределяется для трех характерных расходов: Q = 95 % — расход, обеспеченностью95 % времени; Q = 50 % — обеспеченностью 50 % времени; Qср — среднеарифметический.
Существеннымнедостатком этих предложений было то, что они предусматривали учет гидроэнергоресурсовне по всему водотоку, а только по тем его участкам, которые представляютэнергетический интерес. Отбор же этих участков не мог быть твердорегламентирован, что на практике приводило к внесению в подсчеты элементысубъективизма. В табл. 1 приводятся подсчитанные для шестой сессии МИРЭК данныепо гидроэнергоресурсам отдельных стран.
Вопросуупорядочения учета гидроэнергоресурсов было уделено большое внимание в работеКомитета по электроэнергии Европейской экономической комиссии ООН, котораяустановила определенные рекомендации по данному вопросу. Этими рекомендациямиустанавливалась следующая классификация в определении потенциала:
Теоретическийваловой (брутто) потенциал гидроэнергетический потенциал (или общиегидроэнергетические ресурсы):
1.поверхностный, учитывающий энергию стекающих вод на территории целого районаили отдельно взятого речного бассейна;
2.речной, учитывающий энергию водотока.
Табл.1 страна мощность брутто, млн квт при расходах страна мощность брутто, млн квт при расходах 95% обесп. 50% обесп. средн. 95% обесп. 50% обесп. средн Америка Азия Бразилия 16,5 Индия 31,4 Венесуэла 4,4 26,8 26,5 Пакистан 6,6 13,1 9,8 Канада 44,8 75,9 Япония 9,4 17,5 США 29 63,5 98,2 Турция 10,5 Чили 9,5 22,6 26,6 Океания Европа Австралия 1,2 2,9 3,9 Австрия 3,2 7 Африка Греция 9,6 Кот-д'Ивуар 0,5 3,5 7,5 Испания 14,9 Габон 6 18 21,9 Италия 9,2 13,3 17,4 Гвинея 0,5 3,5 8 Норвегия 18,4 20,3 21,4 Камерун 4,8 18,3 28,7 Португалия 0,7 2,7 5,8 Конго (Браззавиль) 3 9 11,3 Финляндия 1,9 Мадагаскар 14,3 49 80 Франция 7,7 Мали 1 4,4 Германия 1,6 2,8 Сенегал 1,1 5,5 Швеция 22,5 ЦАР 3,5 10,5 13,8 Югославия 2,4 6,3 10,1 Чад 2,5 4,3
Эксплуатационныйчистый (или нетто) гидроэнергетический потенциал:
1.технический (или технические гидроэнергоресурсы) — часть теоретическоговалового речного потенциала, которая технически может быть использована или ужеиспользуется (мировой технический потенциал оценивается приблизительно в 12300млрд. квт-ч);
2.экономический (или экономические гидроэнергоресурсы) — часть техническогопотенциала, использование которой в существующих реальных условиях экономическиоправдано (т.е. экономически выгодно для использования); экономическиегидроэнергоресурсы в отдельных странах приведены в табл.4.
Всоответствии с этим полная величина мировых потенциальных гидроэнергоресурсовречного стока приведена в табл.2.
Табл.2Гидроэнергетические ресурсы (полный гидроэнергетический речной потенциал)отдельных континентов континент гидроэнергоресурсы % от итога по земному шару удельная величина гидроэнергоресурсов, квт/кв.км млн. Квт млрд. Квт-ч Европа 240 2100 6,4 25 Азия 1340 11750 35,7 30 Африка 700 6150 18,7 23 Северная Америка 700 6150 18,7 34 Южная Америка 600 5250 16 33 Австралия 170 1500 4,5 19 Итого по земному шару 3750 32900 100 28 бывший СССР 450 3950 12 20
Приведенныерасчеты в свое время внесли существенные изменения в прежние представления ораспределении гидроэнергоресурсов по континентам. Особенно большие изменениябыли получены по Африке и Азии. Эти данные показывают, что на Азиатскомконтиненте сосредоточено почти 36 % мировых запасов гидроэнергии, в то времякак в Африке, которая считалась наиболее богатой гидроэнергоресурсами,сосредоточено около 19 %. В табл. 3 приводится сопоставление данных,характеризующих распределение гидроэнергоресурсов по континентам, полученных поразным подсчетам. Табл.3 Насыщенность гидроэнергоресурсами территорииконтинентов, тыс. квт-ч на 1 кв. км Северная Америка 300 Европа 225 Южная Америка 290 Африка 200 Азия 265 Австралия 170
Табл.4Сопоставление данных о распределении потенциальных гидроэнергетических ресурсовпо континентам (% от итога по земному шару) континент по данным Геологической службы США по данным Оксфордского атласа по данным югославского делегата на IV МИРЭК по данным ООН по подсчету, произведенному в СССР Европа 10 10,3 3,6 13,8 6,4 Азия 24,2 22,8 41,2 34 35,7 Африка 38,7 41,1 20,5 32,2 18,7 Северная Америка 14 12,7 12,6 11,4 18,7 Южная Америка 9,6 10,1 19,8 7,6 16 Австралия 3,5 3 2,1 1 4,5 Земля в целом 100 100 100 100 100
Еслидаже учесть то, что прежние представления о распределении гидроэнергоресурсовосновывались на данных, подсчитанных по стоку 95%-й обеспеченности, то все женельзя не обратить внимание на исключительную завышенность в прежнихпредставлениях потенциальных ресурсов Африки, исходивших из преувеличенныхпредставлений о стоке рек этого континента. Если годовой сток бассейна рекиКонго прежде оценивался в 500-570 мм слоя, то в настоящее время он оцениваетсявсего в 370 мм. Для реки Нигер принимался слой стока 567 мм, а фактически онсоставляет около 300 мм. То же получается с данными о средней величине слоястока, являющимися хорошими показателями гидроэнергетического потенциалаотдельных континентов (см. табл. 7). Из этой таблицы видно, что по высотеконтинента и величине стока, т.е. по основным энергетическим показателям,Африка стоит далеко позади Азии и почти на одном уровне с Северной Америкой.
Табл.5 континент Средняя высота континента, м высота слоя стока, см площадь континента, млн. км2 головой сток, км3 Европа 322 26,5 9,7 2560 Азия 912 22 44,5 9740 Африка 653 20,3 29,8 6070 Северная Америка 658 31,5 20,4 6450 Южная Америка 605 45 18 8130 Австралия 344 7,7 8 610
Т.о.,распределение гидроресурсов связано в большей мере с географическимиособенностями крупнейших рек и их бассейнов. Примерно 50 % мирового водостокаприходится на 50 крупнейших рек, бассейны которых охватывают около 40 % суши.Пятнадцать рек из этого числа имеют сток в объеме 10 тыс. км3/с или больше.Девять из них находятся в Азии, три — в Южной и две — в Северной Америке, одна- в Африке.
Вгидроэнергоресурсах мира большая часть (около 60 %) приходится на восточноеполушарие, которое превосходит западное и по удельному (на единицу площади)показателю гидроресурсной обеспеченности (соответственно 17 и 15 кВт/км2.
Благодарявысокому уровню промышленного развития, страны Западной Европы и СевернойАмерики в течение длительного времени опережали все другие страны по степениосвоения гидроэнергоресурсов. Уже в середине 20-х годов гидропотенциал былосвоен в Западной Европе примерно на 6 %, а в Северной Америке, располагавшей вэтот период наибольшими гидроэнергетическими мощностями, — на 4 %. Черезполвека соответствующие показатели составляли для Западной Европы около 60 %, адля Северной Америки — примерно 35 %. Уже в середине 70-х годов абсолютныемощности ГЭС Западной Европы превосходили таковые в любом другом регионе мира.
Вразвивающихся странах относительно высокие темпы использования гидроэнергии взначительной мере обусловлены крайне низким исходным уровнем. При более чем50-кратном увеличение за полвека установленных гидроэнергетических можностейразвивающиеся страны в середине 70-х годов более чем в 4,5 раза отставали отразвитых стран и по мощности электростанций, и по выработке на нихэлектроэнергии. И если в развитых странах гидропотенциал в середине 70-хиспользовался примерно на 45 %, то в развивающихся странах — только на 5 %. Длявсего мира этот показатель в целом составляет 18 %. Таким образом пока еще длямира характерно использование лишь небольшой части гидроэнергетическогопотенциала.
Всвязи с исчерпанием в ряде стран экономических гидроэнергоресурсов в этихстранах значительно повысился интерес к сооружению гидроаккумулирующих электростанций(ГАЭС). В Европе стали сооружать специальные ГАЭС еще в 20-30-х годах, нобольшое развитие они получили начиная с середины 50-х годов. В настоящее времяболее половины ГАЭС мира находятся в странах ЕС. В США и Канадегидроаккумулирующие установки в прошлом получили меньшее распространение, чем вЕвропе, т.к. эти страны располагали большими запасами экономическихгидроэнергоресурсов. Однако за последние годы в США и Канаде также повысилсяинтерес к ГАЭС. Также большой интерес в мире в последнее время представляетиспользование энергии морских приливов для получения электроэнергии, этоперспективное направление в гидроэнергетике, т.к. энергия морских приливоввозобновляема и практически неисчерпаема — это огромный источник энергии. Вомногих странах уже действуют приливные электростанции (ПЭС). Дальше всех в этомнаправлении пока продвинулась Франция.
Экологический аспект в использованиигидроэнергоресурсов
Прииспользовании гидроэнергоресурсов очень важен экологический аспект.Строительство ГЭС во многих случаях сопровождается сооружением водохранилищ,которые подчас оказывают негативное влияние на экологическую обстановку, вносятряд изменений в природу. Гидроэнергетика будущего должна при минимальномнегативном воздействии на природную среду максимально удовлетворять потребностилюдей в электроэнергии. Поэтому проблемами сохранения природной и социальнойсреды при гидротехническом строительстве уделяется сегодня все большеевнимание. В современных условиях особенно важен верный прогноз последствийподобного строительства. Результатом прогноза должны стать рекомендации посмягчению и преодолению неблагоприятных экологических ситуаций пристроительстве ГЭС, сравнительная оценка экологической эффективности созданныхили проектируемых гидроузлов. Таким образом, можно говорить о целесообразностиобразования новой, более узкой и сложной категории гидроэнергетических ресурсов- экологически эффективной части, дифференцированной по степени экологическойнагрузки, вызванной использованием определенной доли гидроэнергопотенциала. Ксожалению, на настоящий момент разработка методов определения экологическогоэнергопотенциала практически не ведется, но очевидно, что развитиегидроэнергетики без детальных экологических экспертиз гидроэнергетическихпроектов способно подорвать и без того хрупкое экологическое равновесие в мире.
Список литературы
АвакянА.Б. «Комплексное использование и охрана водных ресурсов», М: 1990.
БабуринВ.Н. «Гидроэнергетика и комплексное использование водных ресурсов»,М: Наука, 1986.
БольшаяСоветская Энциклопедия, М: Сов. Энциклопедия, 1971. — том 6.
Гидроэнергетическиересурсы СССР, М: Наука, 1967.Краткая географическая энциклопедия, М: Сов.Энциклопедия, 1959. — том 2.
ОбрезковВ.И. «Гидроэнергетика», учебник для ВУЗов, М: 1989.
Топливно-энергетическиересурсы капиталистических и развивающихся стран, М: Наука, 1978.
Энергетик,М: 1993, ј5.
Энергия,М: 1994, ј4.
Энергия,М: 1995, ј2.