Мировая гидроэнергетика: настоящее и будущее

Мировой опыт показывает, что освоение гидропотенциала малых рек решает проблемы энергоснабжения мелких потребителей. Например, в Китае построено более 90 тысяч малых ГЭС, которые обеспечивают 30 процентов энергопотребления в сельских районах. В США разработана государственная программа развития малой гидроэнергетики: до 2020 года планируется ввести малые ГЭС суммарной мощностью 50 тысяч МВт, что обеспечит производство 200 миллиардов кВт-ч электроэнергии. При этом стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, выработанной на малой ГЭС, составляет 1,8-2,4 цента (на больших ГЭС – 3,2-5,5 цента, на АЭС – 2,8-3,9 цента).

В одном из журналов, вышедших в США в декабре 1900 года, журналисты сделали прогноз, как изменится мир через сто лет. В отличие от других Нострадамусов, они многое угадали.

Но самый интересный прогноз касался развития гидроэнергетики. По мнению людей, живших сто лет назад, в каждой реке будет установлено специальное оборудование для производства электричества. Вдоль побережья морей и океанов появятся устройства, превращающие энергию волн в электрическую. Что ж, XX век действительно можно назвать веком гидроэнергетики. Однако что будет с ней в XXI веке?

Что сделано, что предстоит

Сейчас крупнейшими производителями гидроэнергии (включая гидроаккумулирующие станции) в абсолютных значениях являются Китай, Канада, Бразилия и США, замыкает пятерку лидеров Россия. Однако абсолютный лидер по выработке гидроэнергии на душу населения – Исландия. Кроме нее, этот показатель наиболее высок в Норвегии (доля ГЭС в суммарной выработке – 98 процентов), Канаде и Швеции.

Однако в развитых странах уже освоена большая часть экономически целесообразного гидропотенциала, в частности в Европе это 75 процентов, в Северной Америке – около 70 процентов, и возможности для строительства крупных ГЭС практически исчерпаны. В то же время Африка (21 процент мировых гидроэнергетических ресурсов) и Азия (39 процентов) вносят в мировую выработку гидроэлектроэнергии лишь 5 и 18 процентов, соответственно. Южная Америка и Австралия вместе взятые, располагая примерно 15 процентами ресурсов, дают только 11 процентов производимой в мире гидроэлектроэнергии.

Так что смело можно прогнозировать, что новые большие ГЭС будут строить в основном в Африке, Азии и Южной Америке, так как на других континентах, везде, где только можно построить большую ГЭС, они уже стоят.

Эти выводы подтверждаются тем, что крупнейшие ГЭС мира находятся именно в этих регионах. Так, именно в Азии, в Китае, располагается крупнейшая ГЭС мира «Три ущелья» на реке Янцзы. Мощность этой станции составляет 22,4 ГВт (для сравнения – мощность крупнейшей гидроэлектростанции России Саяно-Шушенской ГЭС составляла до аварии 6,4 ГВт). Кроме того, в Китае ведется строительство крупнейшего по мощности каскада ГЭС. Вторая по величине гидроэлектростанция в мире называется «Итайпу» и стоит на реке Парана, на границе Бразилии и Парагвая. Ее мощность – 14 ГВт. Наконец, «тройку призеров» замыкает гидроэлектростанция имени Симона Боливара, или «Гури», в Венесуэле, на реке Карони. Ее мощность – 10,3 ГВт.

Однако все эти достижения инженерной мысли меркнут перед ГЭС «Гранд Инга». Эта гидроэлектростанция, мощность которой составит 39 ГВт, планируется к сооружению международным консорциумом на реке Конго в Демократической Республике Конго (бывший Заир). У «Гранд Инга» будут пятьдесят две гидротурбины по 750 МВт каждая, плотина высотой 150 метров, будет использоваться часть потока скоростью 26400 кубометров в секунду. В случае успеха проекта «Гранд Инга» вдвое превзойдет «Три ущелья».

Стоимость сооружения составит около 80 миллиардов долларов США. Ожидается, что строительство начнется в 2014 году и может быть завершено около 2025 года.

Удел развивающихся стран?

Однако на фоне успехов гидроэнергетики не стоит забывать и о минусах, которые она несет окружающей среде. К тому же эти минусы приобретают все больший вес в глазах общественности и могут кардинальным образом сказаться на будущем отрасли.

Поскольку строительство крупных ГЭС, как правило, сопряжено с существенными экологическими проблемами – затоплением больших территорий, изменением климата (например, в Красноярске из-за ГЭС не замерзает Енисей, лед здесь не образуется на протяжении 80 километров вниз по течению от плотины гидростанции [кромка полыньи в отдельные годы может спускаться более 270 км от плотины]) в странах с высокими природоохранными стандартами это стало дополнительным барьером для развития крупной гидрогенерации.

Кстати, недостаточно изучен вопрос, как нивелировать экологические последствия при выводе ГЭС из эксплуатации, так как ни одну из крупнейших гидроэлектростанций еще не выводили. Ясно одно: вывод ГЭС из эксплуатации потребует больших бюджетных затрат.

В результате происходит отчетливая «миграция» гидроэнергетики в развивающиеся страны, где велик неосвоенный гидропотенциал, а экологические соображения играют меньшую роль (как в силу менее строгих экологических стандартов, так и по причине невысокой политизированности вопросов экологии). В результате, по оценкам Международного энергетического агентства, в предстоящие полтора-два десятилетия до 80 процентов прироста мощностей гидрогенерации придется на развивающиеся государства.

Еще одним минусом гидроэнергетики можно назвать довольно низкий коэффициент использования установленной мощности. Этот общий показатель для энергетики у атомных станций составляет порядка 80-85 процентов, самый высокий из всех видов генерации. А у ГЭС он лишь порядка 50 процентов. То есть один гигаваттный блок в лучшем случае выдает 500 мегаватт, что также сказывается на перспективах развития гидроэнергетики.

Значит ли это, что времена расцвета гидроэнергетики в прошлом и ее ждет угасание? Конечно же, нет. Об этом можно судить по тому, какими темпами развивается малая гидроэнергетика, не требующая больших территорий, приближенная к потребителю и быстро окупающаяся. За последние десятилетия малая энергетика заняла устойчивое положение во многих странах мира.

Мировой опыт показывает, что освоение гидропотенциала малых рек решает проблемы энергоснабжения мелких потребителей. Например, в Китае построено более 90 тысяч малых ГЭС, которые обеспечивают 30 процентов энергопотребления в сельских районах. В США разработана государственная программа развития малой гидроэнергетики: до 2020 года планируется ввести малые ГЭС суммарной мощностью 50 тысяч МВт, что обеспечит производство 200 миллиардов кВт-ч электроэнергии. При этом стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, выработанной на малой ГЭС, составляет 1,8-2,4 цента (на больших ГЭС – 3,2-5,5 цента, на АЭС – 2,8-3,9 цента).

Альтернативы развития

Впрочем, помимо традиционной малой гидроэнергетики, в настоящее время активно продвигают и другие способы получения электроэнергии от воды. Основные направления развития альтернативной гидроэнергетики связаны с использованием механической энергии приливов, волн, течений и тепловой энергии океана.

Только один приливно-отливный цикл Мирового океана энергетически эквивалентен 8 триллионам кВт-ч. По экспертным оценкам, технически возможно использование примерно 2 процентов этого потенциала. Наибольшими запасами приливной энергии обладают Атлантический и, в меньшей мере, Тихий океаны. Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на возможность использования энергии приливов, являются особенности береговой линии, а также прибрежного и придонного рельефа. В длинных узких заливах с пологим дном приливы имеют максимальную высоту, иногда превышающую 10 метров, что существенно повышает эффективность энергетического использования приливно-отливного цикла. Есть мнение, что работа приливных электростанций тормозит вращение Земли, что может привести к негативным экологическим последствиям, однако, с точки зрения большинства экспертов, ввиду колоссальной массы Земли влияние приливных электростанций незаметно.

Первые экспериментальные приливные электростанции (ПЭС) появились в начале XX века, однако серьезный интерес к приливной энергетике возродился опять-таки во времена энергетического кризиса, в середине 1970-х годов. Преимущества ПЭС – экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатки – высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью электростанций других типов.

В 1984 году в Канаде была построена ПЭС «Аннаполис» мощностью 20 МВт. Активно развивают направление ПЭС США и Франция. Энергетический потенциал ПЭС в США оценивается в 350 миллиардов кВт-ч в год. Перспективные возможности сооружения ПЭС во Франции оцениваются в 40 миллиардов кВт-ч в год. Постепенно к развитию ПЭС присоединяются и другие страны.

Так, в прошлом году в Южной Корее была запущена крупнейшая в мире приливная электростанция Shihwa. В начале августа 2011 года запустили шесть из десяти ее генераторов. После полного запуска в эксплуатацию мощность сеульской электростанции составит 254 МВт. Электроэнергии, которую она будет вырабатывать, будет достаточно для обеспечения города с населением в 500 тысяч человек. Как считают южнокорейские специалисты, с помощью приливной электростанции Южная Корея будет экономить каждый год более 860 тысяч баррелей нефти и тем самым сможет снизить выбросы углекислого газа на 3,2 миллиона тонн в год.

Однако быть крупнейшей ПЭС ей осталось недолго: в 2012 году во французской Бретани завершится строительство приливной электростанции, которая, согласно утверждению французов, станет самым крупным подобным объектом в мире. Проект стоимостью 55 миллионов долларов США был разработан в 2004 году. Строительство электростанции началось в 2008-м, и вот теперь компании заявляют, что ее запуск будет осуществлен в начале следующего года. Компания OpenHydro поставила для проекта четыре двухмегаваттные турбины, которые в настоящее время устанавливаются на глубине 115 метров у побережья.

Еще одно направление развития альтернативной гидроэнергетики – волноприбойная энергетика. Технический потенциал энергии волн оценивается примерно в 3 миллиарда кВт-ч в год, однако реальные возможности его использования по целому ряду причин (в том числе из-за непостоянства ветров и волн) существенно ниже. Экспериментальные волноприбойные электростанции (ВПЭС) в основном строятся по поплавковым схемам: в электричество преобразуется работа волн по поднятию расположенных на водной поверхности систем поплавков. Еще одним перспективным техническим вариантом ВПЭС считается «поршневая» схема, в которой волновые колебания уровня воды в вертикальных колодцах используются в качестве «поршней», прогоняющих через турбины воздух, находящийся над водой в этих колодцах. Пока эксплуатация опытных ВПЭС ведется только в Великобритании и Японии. Однако разработками в этом направлении активно занимаются в США, Канаде, Австралии и других странах.

Почти фантастика. Пока

Если же взглянуть в будущее гидроэнергетики чуть дальше, то человечеству стоит задуматься об энергетическом потенциале океанских и морских течений, который составляет сотни миллиардов киловатт-часов в год. Так, Гольфстрим, основная часть которого проходит между Флоридой и Багамскими островами, имеет эквивалентную энергетическую мощность в 50 миллионов кВт, и эксперты в США считают, что реально использовать примерно 10 процентов этой мощности. Возможная технология – погружение систем низкооборотных турбин (скорость течения – менее 1 м/с) в поток. Однако воплощение таких проектов – дело будущего.

Еще одним направлением может стать использование тепловой энергии океана. Его перспективы основаны на том, что между водой на поверхности и водой на глубинах уже в первые сотни метров существует очень значительная разница температур. Поскольку такое явление наблюдается повсеместно в низких широтах, теоретический потенциал данного типа энергетики очень велик.

Программы «Преобразование термальной энергии океана» уже осуществляются в США, Японии, Франции. Построены опытные моретермальные электростанции у Гавайских островов, острова Науру, у побережья Кот-д’Ивуара. МТЭС работают с применением испарительно-конденсационного цикла теплоагента, на принципе испарения жидкого аммиака, фреона или другого теплоносителя за счет отбора тепла глубинной холодной водой. Испаренный теплоноситель используется в турбинах низкого давления либо в поршневых системах для выработки электроэнергии. Впрочем, пока их мощность не превышает первых сотен киловатт, коэффициент преобразования энергии 10-15 процентов, а себестоимость энергии неконкурентоспособна с большинством других традиционных и нетрадиционных энерготехнологий.

Основные перспективы развития МТЭС связывают с технологиями сооружения крупных плавающих станций погружного или полупогружного типа большой мощности; расчеты показывают, что при этом коэффициент преобразования энергии можно поднять более чем вдвое. Однако для МТЭС с такими технологиями пока не вполне решены проблемы накопления и передачи выработанной энергии к потребителям на материке.

И все же рано или поздно эти технологические проблемы будут решены. И кто знает, может быть, в будущем большую часть энергии человечество будет получать от воды. А значит, гидроэнергетика не утратит своего значения ни в XXI, ни даже в XXII веке.

Антон КАНАРЕЙКИН