Гідроелектростанції : їх різновиди та принцип роботи

У 20-30-ті роки почався масовий  розвиток малої гідроенергетики. Так, в 1924 р. в Україні експлуатувалось 84 малих гідроелектростанцій (МГЕС) (сумарна потужність 4000 кВт, середня  потужність 47,6 кВт), а до 1929 р. їх було вже 150 (сумарна потужність 8400 кВт, середня  потужність 56 кВт). Серед них достатньо  потужною була Бузька (введена в  експлуатацію в 1929 р., потужність 570 кВт), Вознесенська (1929 р., 840 кВт), Сутиська (1927 р., розширена в 1935 р. до 1000 кВт). В 1935 - 1937 рр. з відомих введені в  експлуатацію Шумська (120 кВт), Потуська (32 кВт), Писаревська (160 кВт), Білоусівська (88 кВт), Березовська (108 кВт), Клебанська (64 кВт) та багато інших МГЕС.

У 1934 р. споруджена Корсунь-Шевченківська  станція (1650 кВт), яка була однією з  найдосконаліших МГЕС та стала основою  першої в Україні і в СРСР місцевої Корсунь-Шевченківської сільської  енергосистеми з дуже високими для  того часу економічними показниками (існувала до 1957 р.). До складу її увійшли та працювали  паралельно ще Юрківська ПТЕС (2000 кВт), Стеблівська ГЕС (2800 кВт), Дибненська ГЕС (560 кВт).

З розвитком потужного  гідроенергобудівництва, спорудженням великих ТЕС, зростанням централізації  енергопостачання, а також низькими цінами на паливо і електроенергію у відомств та підприємств, на балансі  яких знаходились МГЕС, інтерес до них зник, почалась їх консервація  та стихійний демонтаж. Значною мірою  втрачено досвід проектування, виробництва  обладнання та спорудження. Сотні МГЕС були закинуті і поступово руйнувались, зносилось основне обладнання, колись споруджені греблі або зруйновані, або знаходяться в аварійному стані.

Як наслідок, сьогодні гідроенергетика  не повністю задовольняє потреби  енергосистем у піковій та напівпіковій потужності внаслідок недостатньої потужності на гідро- та гідроакумулюючих електростанціях (ГЕС та ГАЕС), а  також обмежень, що їх накладають інші галузі водогосподарського комплексу.

Необхідно зауважити, що питання  продовження спорудження великих  ГЕС ще потребує значних доробок, пов'язаних з екологічними наслідками їх експлуатації, а також з урахуванням обмеження будівництва атомних електростанцій (АЕС) та широким впровадженням парогазових установок.

На завершення зазначимо, що до 2010 р. установлена потужність ГЕС та ГАЕС України повинна бути доведена до 14,5 млн. кВт, а вироблення електроенергії - до 17 млрд. кВт*год  за рахунок спорудження Унізької ГЕС на р. Дністер, ГЕС та ГАЕС в  Закарпатті в складі енергокомплексів та споруджених окремо ГАЕС, а також  шляхом будівництва середніх, малих  та мікроГЕС. Деяке збільшення виробництва  елекгроенергії передбачається за рахунок  реконструкції та модернізації існуючих об'єктів гідроенергетики, а також  залучення ресурсів малих і середніх річок. Мають бути проведені розробки по перетворенню деяких існуючих ГЕС  у ГАЕС, що дозволить значно збільшити  регулюючу потужність відносно існуючої.

Досвід спорудження малих  ГЕС у США та Німеччині підтверджує, що при обгрунтованому їх спорудженні  природне середовище не тільки зберігається, але й можливе відтворення  раніше втрачених умов біологічного життя. Мале гідробудівництво може стати  одним із засобів відтворення  гідрологічного стану водостоків, що гинуть.

Основними передумовами гідроакумулювання  електроенергії є потреба в маневреній потужності для покриття піків навантаження та компенсації її короткотермінових  змін, ущільненні навантаження з використанням  дешевої нічної енергії, збільшенні потужності та часу використання базових  електростанцій, економії палива в  енергосистемі.

Економія палива при використанні ГАЕС досягається за рахунок довантаження теплового обладнання для зарядки  ГАЕС. При цьому споживається менше  палива, ніж для виробництва пікової  електроенергії на ТЕС чи газотурбінній  станції. Крім того, режим її зарядки  сприяє введенню в експлуатацію базових  електростанцій, які вироблятимуть  енергію з меншими питомими витратами  палива.

3. Фактори впливу гідроенергетичних об’єктів на навколишнє середовище

1. Основні позитивні фактори

Виробництво електроенергії за рахунок використання відновлюваних  природою гідроенергетичних ресурсів належить до найважливіших природоохоронних і ресурсозберігаючих технологій на відміну від виробництва електроенергії за рахунок використання горючих  корисних копалин, таких як природний  газ, нафта, кам'яне вугілля, – непоновлюваних природних ресурсів, близьких до вичерпання в доступний для огляду період.

ГЕС, заміняючи альтернативні  ТЕС, запобігають викидам у навколишнє середовище величезної кількості забруднюючих речовин, зберігають життя й здоров'я  людей.

В об'єднаних енергосистемах ГЕС і ГАЕС, покриваючи найбільш складну пікову зону графіка навантажень, а ГАЕС, закриваючи нічні провали, виконуючи функції аварійного й  частотного резервів енергосистеми, забезпечують надійне електропостачання населення, комунального господарства, промисловості  й сільського господарства, запобігають  відключенню споживачів в аварійних  ситуаціях і пов'язаним із цим  можливим негативним наслідкам для  навколишнього середовища.

Комплексне використання водних ресурсів найбільш ефективне для соціально-економічного розвитку суспільства, поліпшення умов життя населення, охорони навколишнього середовища зі зменшенням втрати земель за рахунок багатоцільового призначення водоймищ гідроенергетичних об'єктів, що здійснюють регулювання стоку ріки.

Вода займає особливе місце  серед природних ресурсів, вона використовується у всіх циклах виробництва й натурально природного відтворення, у всіх сферах життєзабезпечення живої матерії, будучи найважливішим фактором, що визначає життя людей.

Для підвищення ефективності використання водних ресурсів і зниження водоспоживання передбачається широке впровадження водозберігаючих технологій, замкнутих циклів, заходів щодо зменшення втрат води, інших технологічних, а також законодавчих заходів. На даний час принцип комплексного використання водних ресурсів залишається основним принципом при будівництві гідроенергетичних об'єктів у всіх країнах світу.

Забезпечення населення  водою, водопостачання комунального господарства й промисловості. Проблема забезпечення постійно зростаючого водоспоживання населення й промисловості є  актуальною для більшості країн. В Україні водоймища Дніпровського  каскаду ГЕС використовуються для  водопостачання населення, комунального господарства й промисловості на території, де проживають близько 35 млн. чоловік.

Забезпечення зрошення, сільськогосподарського водопостачання, які є одними з  основних водокористувачів. Їх водоспоживання становить близько 60% загального водоспоживання, а безповоротне – більше 80%. В  Україні з водоймищ Дніпровського  каскаду ГЕС зрошувалося більше 1 млн. га земель.

Захист від повеней  у багатьох випадках є одним з  найважливіших економічних, соціальних і природоохоронних завдань, розв'язуваних водоймищами. Історія людства знає чимало катастрофічних повеней, що призводили до затоплення величезних територій, загибелі сотень тисяч людей, знищення міст, сіл, посівів, найтяжчим наслідкам  для природного середовища.

Найефективнішим способом захисту  від повеней є регулювання  стоку водоймищами зі створенням у них противно повеневої ємності. Більш ніж в 75 країнах одним з найважливіших завдань побудованих водоймищ є запобігання повеней. Так, в Україні створення Дніпровського каскаду водоймищ ГЕС практично ліквідували загрозу повеней у басейнах цих рік, де проживають десятки мільйонів людей.

Рекреаційне використання водоймищ ГЕС має дуже важливе значення, дозволяючи суттєво підвищити їх економічну ефективність і соціальну  значимість. Створення водоймищ у  більшості випадків значно підвищує рекреаційні можливості завдяки  великій водній поверхні, використанню інфраструктури, що залишилася після будівництва, включаючи дороги, інженерні комунікації.

Рибогосподарське й інші види використання природних ресурсів водоймищ. Значне збільшення площі  водної поверхні й обсягу води водоймищ, розширення кормової бази дозволяють багаторазово збільшити рибні ресурси. На багатьох водоймищах для раціональної організації рибного господарства проводиться зариблення цінними породами риб, створюються рибоводні заводи, риборозплідники, штучні нерестовища й ін. Для нерестових міграцій прохідних риб улаштовуються рибопідйомники й рибоходи. Утворення нових районів і сприятливих умов для рибальства сприяє зайнятості місцевого населення.

Забезпечення гарантованого  санітарно-екологічного попуску в  нижній б'єф у меженний період маловодних років для недопущення погіршення санітарно-епідемічних і екологічних умов. У меженні періоди особливо маловодних років через різке зменшення витрат ріки (в 20–50 раз у порівнянні із середньо багаторічним) може не забезпечуватися нормальна робота господарсько-питних водозаборів, різко погіршитися якість води, створюється складна екологічна обстановка. Перерозподіл природного стоку завдяки використанню водоймищ сезонного й багаторічного регулювання є практично єдиним способом забезпечити гарантовану витрату в річці в маловодні роки не нижче санітарно-екологічного попуску.

Захист населення й  навколишнього природного середовища при техногенних аваріях на площі водозбору. Завдяки акумуляції великих обсягів води й забезпеченню регульованих попусків у нижній б'єф водоймища ГЕС відіграють важливу роль у запобіганні негативних наслідків хімічного, радіоактивного й інших забруднень водних мас, викликаних техногенними аваріями на площі водозбору. Так, в Україні при аварії в 1983 р. на Стебниковському хімкомбінаті (Львівська область) через прорив огороджувальних дамб його відстійників з них на верхній ділянці ріки Дністер у воду були скинуті сольові розчини. Нависла серйозна погроза якості води, що забирається з ріки питними водозаборами на нижній її ділянці, у тому числі для Одеси й багатьох інших населених пунктів. Зберегти їх нормальну роботу вдалося завдяки Дністровському водоймищу, що лежало на шляху забрудненого водного потоку. Глибоководні ділянки останнього сприяли осіданню й локалізації в межах мертвого обсягу концентрованих сольових розчинів і поступовому розведенню й вимиванню їх в дністровський лиман.

Після аварії на Чорнобильській АЕС в квітні–травні 1986 р. Київське водоймище як верхнє в каскаді  дніпровських водоймищ виконало роль головної перешкоди для переміщення  вниз за течією потужного радіоактивного забруднення, що надійшло у водну  систему рік Прип'яті й Верхнього  Дніпра.

Створення територіально-виробничих комплексів на основі великих гідроенергетичних  об'єктів з водоймищами комплексного призначення забезпечило економічний  розвиток малоосвоєних віддалених регіонів у багатьох країнах. У таких малонаселених  необжитих регіонах ГЕС, будучи піонерними промисловими об'єктами, вирішують  довгострокове стратегічне завдання, формуючи нову виробничу й соціальну  інфраструктуру, забезпечуючи электро водопостачання, створюючи умови для соціально-економічного розвитку регіону, поліпшуючи умови виробничої діяльності й життя людей.

2. Основні негативні фактори й заходи щодо їх мінімізації

Затоплення земель є одним  з найважчих негативних наслідків  створення водоймищ. У площу відводу  земель при будівництві гідроенергетичних  об'єктів входять зона постійного затоплення водоймища при НПР, площа  під спорудження ГЕС, зона переформування берегів водоймища за 10-літній період з урахуванням споруд інженерного  захисту, площі під дороги, селища й ін. Землі, затоплювані водоймищами ГЕС, в основному перебувають у річкових долинах, часто це найбільш родючі землі, використовувані в сільському господарстві. Так, із загальної площі затоплених водоймищами земель частка сільськогосподарських угідь становить в Україні 40%

Слід зазначити, що тенденція, що спостерігається в останні  десятиліття, до переміщення будівництва  ГЕС у передгірні й гірські  райони, більш глибокий комплексний  підхід до обґрунтування створів  і параметрів водоймищ привели до збільшення їх середньої глибини  й поліпшення питомого показника  затоплення земель на млн. кВт·год вироблення електроенергії ГЕС.

Необхідно відзначити, що в  умовах комплексного використання водоймищ, у першу чергу рівнинних, ці показники  мають значною мірою суб'єктивний характер, особливо в тих випадках, коли його головними напрямками є  водопостачання, захист від повені та ін. Наприклад, у Дніпровському каскаді ГЕС найбільш ємні Кременчуцьке й Каховське водосховища, будучи основними регуляторами стоку р. Дніпро, мають велику корисну ємність (відповідно 9 і 6,8 км3), забезпечуючи водопостачання й зрошення центральних, східних і південних регіонів України. Також за рахунок регулювання стоку Кременчуцьким водосховищем збільшується середньобагаторічне вироблення електроенергії на нижчерозташованих ГЕС каскаду на 700 млн. кВт·год.

Для водоймищ комплексного призначення, що регулюють стік, слід розглядати такий питомий показник, як площа затоплення в га, що припадає на 1 млн.м3 корисної ємності. Цей показник становить для Кременчуцького водоймища 25 га/млн. м3, Каховського – 31,6, що краще, ніж у Дніпрогеса – 49,3, але гірше, ніж у Дністровського – 15.

Захист територій від  затоплення при створенні водосховищ широко застосовується в усьому світі, дозволяючи зменшити кількість людей, що переселяються, зберегти цінні землі  для сільськогосподарського виробництва, скоротити площі мілководь.

До складу захисних споруд входять: дамби, що відгороджують територію, яка захищається; система дренажів для перехоплення й відводу води, яка профільтрувалася з водосховища; насосні станції для перекачування  з територій, що захищаються, дренажних  і поверхневих вод. Заходи інженерного  захисту в багатьох випадках забезпечують благоустрій і раціональне використання прибережних територій, поліпшення інфраструктури, створення транспортних магістралей й ін.