Краткое содержание
Гидроэнергетика — это метод выработки электроэнергии, который использует потенциальную энергию воды для преобразования ее в электрическую энергию. Его принцип заключается в использовании падения уровня воды (потенциальной энергии) для течения под действием силы тяжести (кинетической энергии), например, для перемещения воды из источников с высоким уровнем воды, таких как реки или водохранилища, на более низкие уровни. Текущая вода заставляет турбину вращаться и приводит в действие генератор для выработки электроэнергии. Вода с высокого уровня поступает из тепла солнца и испаряет воду с низкого уровня, поэтому ее можно считать косвенно использующей солнечную энергию. Благодаря своей зрелой технологии, в настоящее время она является наиболее широко используемой возобновляемой энергией в человеческом обществе.
Согласно определению Международной комиссии по большим плотинам (ICOLD), большой плотиной считается любая плотина высотой более 15 метров (от самой низкой точки основания до вершины плотины) или плотина высотой от 10 до 15 метров, которая соответствует хотя бы одному из следующих условий:
Длина гребня плотины должна быть не менее 500 метров;
Объем водохранилища, образуемого плотиной, должен быть не менее 1 млн куб. м;
⑶ Максимальный расход воды, пропускаемый плотиной, должен быть не менее 2000 кубических метров в секунду;
Проблема основания плотины особенно сложна;
Конструкция этой плотины необычна.
По данным отчета BP2021, в 2020 году доля гидроэнергетики в мировом производстве электроэнергии составила 4296,8/26823,2=16,0%, что ниже показателей угольной (35,1%) и газовой (23,4%) электростанций, что соответствует третьему месту в мире.
В 2020 году выработка гидроэлектроэнергии была крупнейшей в Восточной Азии и Тихоокеанском регионе, составив 1643/4370=37,6% от общемирового объема.
Страна с самой высокой выработкой гидроэлектроэнергии в мире — Китай, за ним следуют Бразилия, США и Россия. В 2020 году выработка гидроэлектроэнергии в Китае составила 1322,0/7779,1=17,0% от общей выработки электроэнергии в Китае.
Хотя Китай занимает первое место в мире по производству гидроэлектроэнергии, в структуре производства электроэнергии страны он не занимает высокого места. Странами с самой высокой долей гидроэнергетики в общем объеме производства электроэнергии в 2020 году стали Бразилия (396,8/620,1=64,0%) и Канада (384,7/643,9=60,0%).
В 2020 году электрогенерация Китая в основном производилась на угле (63,2%), за ним следовала гидроэнергетика (17,0%), на долю которой приходилось 1322,0/4296,8=30,8% от общего объема мировой гидрогенерации. Хотя Китай занимает первое место в мире по производству гидроэнергии, он еще не достиг своего пика. Согласно отчету World Energy Resources 2016, опубликованному Всемирным энергетическим советом, 47% гидроэнергетических ресурсов Китая все еще не освоены.
Сравнение структуры электроснабжения четырех стран с крупнейшими производителями гидроэлектроэнергии в 2020 году
Из таблицы видно, что гидроэнергетика Китая составляет 1322,0/4296,8=30,8% от общего мирового производства гидроэлектроэнергии, занимая первое место в мире. Однако ее доля в общем объеме производства электроэнергии в Китае (17%) лишь немного превышает средний мировой показатель (16%).
Существует четыре формы гидроэлектрогенерации: гидроэлектростанции плотинного типа, гидроаккумулирующие гидроэлектростанции, ручьевые гидроэлектростанции и приливные электростанции.
Плотинный тип гидроэлектростанции
Плотинная гидроэнергетика, также известная как гидроэнергетика резервуарного типа. Водохранилище формируется путем хранения воды в насыпях, а его максимальная выходная мощность определяется разницей между объемом водохранилища, положением выхода и высотой поверхности воды. Эта разница высот называется напором, также известным как напор или головка, и потенциальная энергия воды прямо пропорциональна напору.
В середине 1970-х годов французский инженер Бернар Форест де Белидор опубликовал «Строительную гидравлику», в которой описал вертикальные и горизонтальные осевые гидравлические прессы. В 1771 году Ричард Аркрайт объединил гидравлику, водяные каркасы и непрерывное производство, чтобы играть важную роль в архитектуре. Разработать фабричную систему и принять современные методы трудоустройства. В 1840-х годах была разработана гидроэлектростанция для выработки электроэнергии и передачи ее конечным потребителям. К концу 19 века были разработаны генераторы, которые теперь могут быть соединены с гидравлическими системами.
Первым в мире гидроэлектрическим проектом стал Cragside Country Hotel в Нортумберленде, Англия, в 1878 году, использовавшийся для освещения. Четыре года спустя в Висконсине, США, была открыта первая частная электростанция, и впоследствии были введены в эксплуатацию сотни гидроэлектростанций для обеспечения местного освещения.
Гидроэлектростанция Шилунба — первая гидроэлектростанция в Китае, расположенная на реке Танлан на окраине города Куньмин провинции Юньнань. Строительство началось в июле 1910 года (год Гэнсю), а электроэнергия была выработана 28 мая 1912 года. Первоначальная установленная мощность составляла 480 кВт. 25 мая 2006 года ГЭС Шилунба была одобрена Государственным советом для включения в шестую партию национальных ключевых объектов защиты культурных реликвий.
Согласно отчету REN21 за 2021 год, мировая установленная мощность гидроэнергетики в 2020 году составила 1170 ГВт, при этом в Китае она увеличилась на 12,6 ГВт, что составляет 28% от общемирового показателя, что выше, чем в Бразилии (9%), США (7%) и Канаде (9,0%).
Согласно статистике BP за 2021 год, мировая выработка гидроэлектроэнергии в 2020 году составила 4296,8 ТВт·ч, из которых выработка гидроэлектроэнергии в Китае составила 1322,0 ТВт·ч, что составляет 30,1% от общемирового объема.
Гидроэнергетика является одним из основных источников мирового производства электроэнергии и ведущим источником энергии для возобновляемой энергетики. Согласно статистике BP за 2021 год, мировое производство электроэнергии в 2020 году составило 26823,2 ТВт·ч, из которых 4222,2 ТВт·ч пришлось на гидроэнергетику, что составляет 4222,2/26823,2=15,7% от общего мирового производства электроэнергии.
Эти данные предоставлены Международной комиссией по плотинам (ICOLD). Согласно регистрации в апреле 2020 года, в настоящее время в мире насчитывается 58713 плотин, из которых на долю Китая приходится 23841/58713=40,6% от общего числа плотин в мире.
Согласно статистике BP за 2021 год, в 2020 году гидроэнергетика Китая обеспечила 1322,0/2236,7=59% возобновляемой электроэнергии в стране, заняв доминирующее положение в производстве электроэнергии из возобновляемых источников.
По данным Международной ассоциации гидроэнергетики (IHA) [Доклад о состоянии гидроэнергетики за 2021 год], в 2020 году общая выработка гидроэлектроэнергии в мире достигнет 4370 ТВт·ч, из которых наибольшая выработка гидроэлектроэнергии будет приходиться на Китай (31% от общемирового объема), Бразилию (9,4%), Канаду (8,8%), США (6,7%), Россию (4,5%), Индию (3,5%), Норвегию (3,2%), Турцию (1,8%), Японию (2,0%), Францию (1,5%) и т. д.
В 2020 году регионом с наибольшей выработкой гидроэлектроэнергии в мире стали Восточная Азия и Тихоокеанский регион, на долю которых пришлось 1643/4370=37,6% от общемирового объема. Среди них особенно выделяется Китай, на долю которого приходится 31% от общемирового объема, что составляет 1355,20/1643=82,5% в этом регионе.
Объем выработки гидроэлектроэнергии пропорционален общей установленной мощности и установленной мощности гидроаккумулирующих электростанций. Китай обладает крупнейшей в мире мощностью выработки гидроэлектроэнергии, и, конечно же, его установленная мощность и мощность гидроаккумулирующих электростанций также занимают первое место в мире. Согласно отчету о состоянии гидроэлектростанций Международной гидроэнергетической ассоциации (IHA) за 2021 год, установленная мощность гидроэлектростанций Китая (включая гидроаккумулирующие электростанции) достигла 370 160 МВт в 2020 году, что составляет 370 160/1330 106 = 27,8% от общемирового показателя, заняв первое место в мире.
Гидроэлектростанция Three Gorges, крупнейшая в мире гидроэлектростанция, имеет самую большую мощность генерации гидроэнергии в Китае. Гидроэлектростанция Three Gorges использует 32 турбины Фрэнсиса, каждая по 700 МВт, и две турбины по 50 МВт, с установленной мощностью 22500 МВт и высотой плотины 181 м. Мощность генерации электроэнергии в 2020 году составит 111,8 ТВт-ч, а стоимость строительства составит 203 млрд йен. Она будет завершена в 2008 году.
Четыре гидроэлектростанции мирового класса были построены в районе реки Янцзы Цзиньша в провинции Сычуань: Сянцзяба, Силуоду, Байхэтань и Удундэ. Общая установленная мощность этих четырех гидроэлектростанций составляет 46508 МВт, что в 46508/22500=2,07 раза больше установленной мощности ГЭС «Три ущелья» в 22500 МВт. Ее годовая выработка электроэнергии составляет 185,05/101,6=1,82 раза. Байхэтань является второй по величине гидроэлектростанцией в Китае после ГЭС «Три ущелья».
В настоящее время ГЭС «Три ущелья» в Китае является крупнейшей в мире электростанцией. Среди 12 крупнейших ГЭС мира Китай занимает шесть мест. Плотина Итайпу, которая долгое время занимала второе место в мире, была оттеснена на третье место плотиной Байхэтань в Китае.
Крупнейшая в мире традиционная гидроэлектростанция в 2021 году
В мире насчитывается 198 гидроэлектростанций с установленной мощностью более 1000 МВт, из которых на Китай приходится 60, что составляет 60/198=30% от общемирового показателя. Далее идут Бразилия, Канада и Россия.
В мире насчитывается 198 гидроэлектростанций с установленной мощностью более 1000 МВт, из которых на Китай приходится 60, что составляет 60/198=30% от общемирового показателя. Далее идут Бразилия, Канада и Россия.
В Китае насчитывается 60 гидроэлектростанций с установленной мощностью более 1000 МВт, в основном 30 из них находятся в бассейне реки Янцзы, что составляет половину гидроэлектростанций Китая с установленной мощностью более 1000 МВт.
В Китае введены в эксплуатацию гидроэлектростанции установленной мощностью более 1000 МВт
Поднимаясь вверх по течению от плотины Гэчжоуба и пересекая притоки реки Янцзы через плотину Три ущелья, это главная сила передачи электроэнергии в Китае с запада на восток, а также крупнейшая в мире каскадная электростанция: в основном течении реки Янцзы насчитывается около 90 гидроэлектростанций, включая плотину Гэчжоуба и Три ущелья, 10 на реке Уцзян, 16 на реке Цзялин, 17 на реке Миньцзян, 25 на реке Даду, 21 на реке Ялунвань, 27 на реке Цзиньша и 5 на реке Мули.
В Таджикистане находится самая высокая в мире естественная плотина — Усойская плотина высотой 567 м, что на 262 м выше существующей самой высокой искусственной плотины — плотины Цзиньпин 1-го уровня. Усойская плотина образовалась 18 февраля 1911 года, когда в Сарезе произошло землетрясение магнитудой 7,4 балла, и естественная оползневая плотина вдоль реки Мургаб перекрыла течение реки. Это вызвало крупномасштабные оползни, перекрыло реку Мургаб и образовало самую высокую в мире плотину — Усойскую плотину, образовав озеро Сарес. К сожалению, нет никаких сообщений о выработке гидроэлектроэнергии.
В 2020 году в мире насчитывалось 251 плотина с самой высокой высотой более 135 м. Самой высокой плотиной в настоящее время является плотина Цзиньпин-I, арочная плотина высотой 305 метров. Далее следует Нурекская плотина на реке Вахш в Таджикистане длиной 300 м.
Самая высокая плотина в мире в 2021 году
В настоящее время самая высокая плотина в мире, плотина Цзиньпин-I в Китае, имеет высоту 305 метров, но три строящиеся плотины готовятся превзойти ее. Текущая Рогунская плотина станет самой высокой плотиной в мире, расположенной на реке Вахш на юге Таджикистана. Плотина имеет высоту 335 метров, а строительство началось в 1976 году. Предполагается, что она будет введена в эксплуатацию в период с 2019 по 2029 год, стоимость строительства составит 2-5 миллиардов долларов США, установленная мощность составит 600-3600 МВт, а годовая выработка электроэнергии составит 17 ТВт·ч.
Вторая — плотина Бахтиари, строящаяся на реке Бахтиари в Иране, высотой 325 м и мощностью 1500 МВт. Стоимость проекта составляет 2 млрд долларов США, а годовая выработка электроэнергии составляет 3 ТВт·ч. Третья по величине плотина на реке Даду в Китае — плотина Шуанцзянкоу, высотой 312 м.
Строится плотина высотой более 305 метров
Самой высокой гравитационной плотиной в мире в 2020 году стала плотина Гранд-Диксенс в Швейцарии высотой 285 метров.
Крупнейшая плотина в мире с самой большой емкостью хранения воды — плотина Кариба на реке Замбези в Зимбабве и Замбези. Она была построена в 1959 году и имеет емкость хранения воды 180,6 км3, за ней следуют плотина Братск на реке Ангара в России и плотина Акосомбо на озере Канавальт с емкостью хранения 169 км3.
Самый большой в мире водохранилище
Плотина «Три ущелья», расположенная на главном течении реки Янцзы, имеет самую большую емкость водохранилища в Китае. Она была завершена в 2008 году и имеет емкость водохранилища 39,3 км3, занимая 27-е место в мире.
Самый большой водоем в Китае
Самая большая плотина в мире — плотина Тарбела в Пакистане. Она была построена в 1976 году и имеет конструкцию высотой 143 метра. Объем плотины составляет 153 миллиона кубических метров, а установленная мощность — 3478 МВт.
Крупнейшей плотиной в Китае является плотина «Три ущелья», строительство которой было завершено в 2008 году. Высота сооружения составляет 181 метр, объем плотины — 27,4 миллиона кубических метров, а установленная мощность — 22500 МВт. Занимает 21-е место в мире.
Самая большая плотина в мире
Бассейн реки Конго в основном состоит из Демократической Республики Конго. Демократическая Республика Конго может развивать национальную установленную мощность в 120 миллионов киловатт (120000 МВт) и годовую выработку электроэнергии в 774 миллиарда киловатт-часов (774 ТВт-ч). Начиная от Киншасы на высоте 270 метров и достигая участка Матади, русло реки узкое, с крутыми берегами и бурным потоком воды. Максимальная глубина составляет 150 метров, с падением около 280 метров. Поток воды регулярно меняется, что чрезвычайно полезно для развития гидроэнергетики. Было запланировано три уровня крупных гидроэлектростанций, причем первый уровень - плотина Пиока, расположенная на границе между Демократической Республикой Конго и Республикой Конго; плотина второго уровня Гранд Инга и плотина третьего уровня Матади расположены в Демократической Республике Конго. Гидроэлектростанция Пиока использует напор воды 80 метров и планирует установить 30 агрегатов общей мощностью 22 миллиона киловатт и годовой выработкой электроэнергии 177 миллиардов киловатт-часов, при этом Демократическая Республика Конго и Республика Конго получат по половине. Гидроэлектростанция Матади использует напор воды 50 метров и планирует установить 36 агрегатов общей мощностью 12 миллионов киловатт и годовой выработкой электроэнергии 87 миллиардов киловатт-часов. Участок порогов Инцзя с падением 100 метров в пределах 25 километров является участком реки с самой высокой концентрацией гидроэнергетических ресурсов в мире.
В мире больше гидроэлектростанций, строительство которых еще не завершено, чем строительство плотины «Три ущелья».
Река Ярлунг Зангбо — самая длинная река на плато в Китае, расположенная в Тибетском автономном районе, и одна из самых высоких рек в мире. Теоретически, после завершения строительства ГЭС Ярлунг Зангбо установленная мощность достигнет 50000 МВт, а выработка электроэнергии будет в три раза выше, чем у плотины Три ущелья (98,8 ТВт·ч), достигнув 300 ТВт·ч, что станет крупнейшей электростанцией в мире.
Река Ярлунг Зангбо — самая длинная река на плато в Китае, расположенная в Тибетском автономном районе, и одна из самых высоких рек в мире. Теоретически, после завершения строительства ГЭС Ярлунг Зангбо установленная мощность достигнет 50000 МВт, а выработка электроэнергии будет в три раза выше, чем у плотины Три ущелья (98,8 ТВт·ч), достигнув 300 ТВт·ч, что станет крупнейшей электростанцией в мире.
Река Ярлунг Зангбо была переименована в «реку Брахмапутра» после того, как вытекала с территории Лоюй и впадала в Индию. После протекания через Бангладеш она была переименована в «реку Джамуна». После слияния с рекой Ганг на своей территории она впадала в Бенгальский залив Индийского океана. Общая длина составляет 2104 километра, с длиной реки 2057 километров в Тибете, общим падением 5435 метров и средним уклоном, занимающим первое место среди крупных рек Китая. Бассейн вытянут в направлении восток-запад, с максимальной длиной более 1450 километров с востока на запад и максимальной шириной 290 километров с севера на юг. Средняя высота составляет около 4500 метров. Рельеф высокий на западе и низкий на востоке, с самым низким на юго-востоке. Общая площадь речного бассейна составляет 240480 квадратных километров, что составляет 20% от общей площади всех речных бассейнов Тибета и около 40,8% от общей площади выносной речной системы Тибета, занимая пятое место среди всех речных бассейнов Китая.
По данным за 2019 год, странами с самым высоким потреблением электроэнергии на душу населения в мире являются Исландия (51699 кВтч/чел.) и Норвегия (23210 кВтч/чел.). Исландия полагается на геотермальную и гидроэнергетику; Норвегия полагается на гидроэнергетику, которая составляет 97% в структуре производства электроэнергии Норвегии.
Энергетическая структура стран, не имеющих выхода к морю, Непала и Бутана, которые находятся недалеко от Тибета в Китае, не полагается на ископаемое топливо, а скорее на их богатые гидроресурсы. Гидроэлектроэнергия не только используется внутри страны, но и экспортируется.
Генерация гидроэлектроэнергии с помощью гидроаккумулирующих электростанций
Гидроаккумулирующая гидроэнергетика — это метод хранения энергии, а не метод производства электроэнергии. Когда спрос на электроэнергию низок, избыточные мощности по производству электроэнергии продолжают генерировать электроэнергию, заставляя электрический насос перекачивать воду на высокий уровень для хранения. Когда спрос на электроэнергию высок, вода с высокого уровня используется для выработки электроэнергии. Этот метод может повысить коэффициент использования генераторных установок и очень важен в бизнесе.
Гидроаккумулирующие системы являются важным компонентом современных и будущих систем чистой энергии. Значительное увеличение возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца, в сочетании с заменой ими традиционных генераторов, привело к увеличению нагрузки на энергосистему и подчеркнуло необходимость гидроаккумулирующих «водяных батарей».
Объем выработки гидроэлектроэнергии прямо пропорционален установленной мощности гидроаккумулирующих станций и связан с объемом гидроаккумулирующих станций. В 2020 году в мире насчитывалось 68 действующих и 42 строящихся.
По производству гидроэлектроэнергии Китай занимает первое место в мире, поэтому по количеству действующих и строящихся гидроаккумулирующих электростанций он занимает первое место в мире. Далее следуют Япония и США.
Крупнейшей в мире гидроаккумулирующей электростанцией является ГАЭС округа Бат в США с установленной мощностью 3003 МВт.
Крупнейшей гидроаккумулирующей электростанцией в Китае является ГАЭС Хуэйшоу с установленной мощностью 2448 МВт.
Вторая по величине гидроаккумулирующая электростанция в Китае — Гуандунская гидроаккумулирующая электростанция с установленной мощностью 2400 МВт.
Строящиеся гидроаккумулирующие электростанции Китая занимают первое место в мире. Установленной мощностью более 1000 МВт обладают три станции: гидроаккумулирующая электростанция Фэннин (3600 МВт, строительство завершено в 2019–2021 годах), гидроаккумулирующая электростанция Цзиси (1800 МВт, строительство завершено в 2018 году) и гидроаккумулирующая электростанция Хуангоу (1200 МВт, строительство завершено в 2019 году).
Самая высокогорная в мире гидроаккумулирующая электростанция — это Ямдрокская гидроэлектростанция, расположенная в Тибете, Китай, на высоте 4441 метр.
Генерация электроэнергии на гидроэлектростанциях
Гидроэнергетика русла реки (ROR), также известная как гидроэнергетика стока, является формой гидроэнергетики, которая опирается на гидроэнергетику, но требует только небольшого количества воды или не требует хранения больших объемов воды для выработки электроэнергии. Генерация гидроэлектроэнергии на речном потоке почти полностью не требует хранения воды или требует только строительства очень небольших водохранилищ. При строительстве небольших водохранилищ эти водохранилища называются регулирующими бассейнами или форпунами. Из-за отсутствия крупных водохранилищ выработка электроэнергии на ручье очень чувствительна к сезонным изменениям объема воды в источнике воды. Поэтому электростанции на ручье обычно определяются как непостоянные источники энергии. Если на электростанции на ручье построен регулирующий бассейн, который может регулировать расход воды в любое время, ее можно использовать как электростанцию с ограничением пиковой нагрузки или электростанцию базовой нагрузки.
Крупнейшая в мире гидроэлектростанция сычуаньского потока — плотина Жирау на реке Мадейра в Бразилии. Плотина имеет высоту 63 м, длину 1500 м и установленную мощность 3075 МВт. Она была завершена в 2016 году.
Третья по величине в мире гидроэлектростанция с паровым приводом — плотина Chief Joseph на реке Колумбия в США высотой 72 метра, длиной 1817 метров, установленной мощностью 2620 МВт и годовой выработкой электроэнергии 9780 ГВт·ч. Она была завершена в 1979 году.
Крупнейшая гидроэлектростанция сычуаньского типа в Китае — плотина Тяньшэнцяо II, расположенная на реке Наньпань. Плотина имеет высоту 58,7 м, длину 471 м, объем 4800000 м3 и установленную мощность 1320 МВт. Она была завершена в 1997 году.
Генерация приливной энергии
Энергия приливов генерируется за счет подъема и падения уровня воды в океане, вызванного приливами. Обычно водохранилища строятся для выработки электроэнергии, но существуют также и прямые варианты использования приливного потока воды для выработки электроэнергии. В мире не так много мест, подходящих для выработки приливной энергии, и в Великобритании есть восемь мест, которые, по оценкам, обладают потенциалом для удовлетворения 20% спроса страны на электроэнергию.
Первой в мире приливной электростанцией стала приливная электростанция Lance, расположенная в Лансе, Франция. Она строилась с 1960 по 1966 год в течение 6 лет. Установленная мощность — 240 МВт.
Крупнейшей в мире приливной электростанцией является приливная электростанция на озере Сихва в Южной Корее с установленной мощностью 254 МВт, строительство которой было завершено в 2011 году.
Первая приливная электростанция в Северной Америке — Annapolis Royal Generating Station, расположенная в Роял, Аннаполис, Новая Шотландия, Канада, у входа в залив Фанди. Установленная мощность составляет 20 МВт, строительство было завершено в 1984 году.
Крупнейшая приливная электростанция в Китае — это приливная электростанция Цзянся, расположенная на юге Ханчжоу, с установленной мощностью всего 4,1 МВт и 6 агрегатами. Она начала работу в 1985 году.
Первый генератор приливных течений в рамках демонстрационного проекта по использованию приливной энергии в североамериканских скалах был установлен на острове Ванкувер, Канада, в сентябре 2006 года.
В настоящее время в заливе Пентленд-Ферт на севере Шотландии строится крупнейший в мире проект приливной электростанции MeyGen (проект приливной энергетики MeyGen) установленной мощностью 398 МВт, завершение строительства которого ожидается в 2021 году.
Гуджарат, Индия планирует построить первую коммерческую приливную электростанцию в Южной Азии. Электростанция с установленной мощностью 50 МВт была установлена в заливе Кач на западном побережье Индии, а строительство началось в начале 2012 года.
Планируемый проект приливной электростанции Penzhin на полуострове Камчатка в России имеет установленную мощность 87 100 МВт и годовую мощность выработки электроэнергии 200 ТВт·ч, что делает его крупнейшей в мире приливной электростанцией. После завершения строительства приливная электростанция Pinrenna Bay будет иметь в четыре раза большую установленную мощность, чем нынешняя электростанция Three Gorges.
Время публикации: 25 мая 2023 г.
